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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schwimmstruktur
unter Verwendung eines SOI-Substrats.
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Die
US-A-2004/0121564 beschreibt
ein Verfahren zum Ausbilden von Halbleiter-Bauteilen durch Epitaxie.
Ein Halbleitersubstrat wird mit einer darauf angeordneten Opferschicht
aus Siliziumdioxid versehen. Eine dünne Halbleiterschicht wird
auf der Opferschicht angeordnet, gefolgt durch einen Verfahrensschritt
des Musterbildens und Ätzens,
um eine Reihe von Öffnungen
zu definieren, die sich durch die Halbleiterschicht und die Opferschicht
erstrecken und das Substrat freilegen. Danach lässt man eine Halbleiterschicht
aus aktivem Einkristall-Silizium weiterhin epitaxisch auf die gewünschte Bauteildicke
aufwachsen. Während
des Aufwachsens wird das Silizium veranlasst, vertikal in die Öffnungen
zu wachsen, um eine Vielzahl von Ankern zu bilden, die elektrischen
Kontakt zum Substrat herstellen.
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Die
EP-A-1325885 beschreibt
einen Oberflächen-Mikrobearbeitungsprozess
für die
Herstellung dreidimensionaler Mikrogelenke direkt auf einem Silizium-
oder Isolator-Wafer. Der Wafer enthält ein Substrat, das durch
eine Siliziumoxidschicht abgedeckt ist. Die Siliziumoxidschicht
wird durch eine Siliziumeinkristallschicht abgedeckt. Der Wafer
wird danach geätzt,
um zunächst
Schlitze in die Siliziumkristallschicht auszubilden und danach die
Oxidschicht unter den speziellen Teilen der Siliziumschicht zu entfernen,
um das Substrat freizulegen. Die Schlitze sind nicht mit Silizium
gefüllt,
und kein elektrischer Kontakt ist vorgesehen zwischen einer oberen
Siliziumschicht und dem Substrat durch die Oxidschicht.
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Gegenwärtig macht
die Hochgeschwindigkeits-Chipherstellungstechnologie unter Verwendung eines
Silizium-auf-Isolator-Substrats (SOI) rapide Fortschritte im Bereich
der Halbleiterbearbeitungstechnologie bezüglich der Herstellung von Speichern mit
hoher Integration gegenüber
1G DRAM und einem Mikroprozessor mit hoher Leistungsfähigkeit. Gemäß der SOI-Technologie
wird ein Isolationsfilm auf einem Siliziumsubstrat beschichtet,
das ein Element eines Halbleiters ist, und ein dünner Siliziumfilm wird darauf
ausgebildet, um Elektronenabfluss zu verhindern und das Integrationsniveau
zu erhöhen. Demzufolge
wird die SOI-Technologie
bei einer ultrafeinen Bearbeitung verwendet.
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Unter
den SOI-Technologien ist eine Silizium-auf-Saphir(SOS)-Technologie
des Ausformens von Silizium (Si) auf einem Einkristall-Saphir-Substrat
durch eine heteroexpitaxische, chemische Dampfablagerung (CVD) als
eine fortgeschrittene Technik gut bekannt. Trotzdem ist es schwierig,
die SOI-Technologie in die Praxis umzusetzen wegen mehrerer Probleme.
So werden beispielsweise viele Kristallfehlstellen durch eine Gitterfehlanpassung
an einer Schnittstelle zwischen der Si-Schicht und dem Saphirsubstrat
erzeugt, Aluminium, das das Saphir-Substrat bildet, sich in die
Si-Schicht mischt, das Substrat teuer ist, und großformatige
Substrate schwierig zu erzielen sind.
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In
letzter Zeit gab es Versuche, eine SOI-Struktur ohne die Verwendung
eines Saphirsubstrats zu erreichen. Die Versuche umfassten im Wesentlichen
zwei Verfahren.
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Das
erste Verfahren beinhaltet das Oxidieren einer Oberfläche eines
Silizium-Einkristallsubstrats und
das Ausbilden eines Fensters in der Oxidschicht, um das Si-Substrat teilweise
freizulegen. Das Silizium-Einkristall ließ man horizontal und epitaxial
unter Verwendung des freigelegten Bereichs als Keim wachsen, um
eine Silizium-Einkristallschicht
auf der Oxidschicht zu bilden.
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Das
zweite Verfahren verwendet ein Silizium-Einkristallsubstrat als
Aktivatorschicht und bildet darunter eine Oxidschicht. Diese Technik
kann erreicht werden durch Anbindung eines Einkristall-Siliziumsubstrats
auf ein dediziertes Einkristall-Siliziumsubstrat, das thermisch
oxidiert wurde durch Wärmebehandlung,
oder durch die Verwendung eines Klebstoffs, um dadurch eine SOI-Struktur
zu realisieren.
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1 ist
eine Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen SOI-Substrats, in
dem ein Ätzloch ausgebildet
wurde in einer Reaktivitätsionen-Ätzkammer. 2 ist
eine vergrößerte Darstellung
eines Teils „I" der 1.
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Wie
die 1 und 2 zeigen, umfasst das SOI-Substrat 10 ein
unteres Siliziumsubstrat 11, eine Oxidschicht 13 und
eine Siliziumschicht 15, die der Reihe nach laminiert wurden.
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Die
Siliziumschicht 15 weist ein Ätzloch 15a zum Erzielen
eines vorbestimmten Musters unter Verwendung einer Ätzeinrichtung
auf. So kann beispielsweise eine Reaktivionen-Ätzeinrichtung
(RIE) als Ätzvorrichtung
verwendet werden.
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Eine
derartige Ätzvorrichtung
hat obere und untere Elektroden 23 und 24, die
in einer Behandlungskammer 21 angeordnet sind, und das
SOI-Substrat 10 wird auf die untere Elektrode 25 aufgesetzt. Ein
Gasplasma wird eingeleitet durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung
an eine der oberen und der unteren Elektroden 23 und 25 und
wird mit einem reaktiven Gas in die Behandlungskammer 21 versorgt.
Ein Plasmaion, beschleunigt durch ein elektrisches Feld, das zwischen
den oberen und unteren Elektroden 23 und 25 erzeugt
wird, und durch ein Loch einer Widerstandsmaske (nicht gezeigt)
hindurchtritt, formt das Ätzloch 15a durch
Kontaktieren des freiliegenden Bereichs des Siliziums 15.
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Während des Ätzprozesses
sind jedoch das Siliziumsubstrat 11 und die Siliziumschicht 15 durch die
isolierende Oxidschicht 13 elektrisch isoliert, was möglicherweise
eine Nut N erzeugt, wenn ein tiefes Ätzloch durch ein teilweises
Freilegen der Oxidschicht 13 ausgebildet wird. Dies tritt
dadurch auf, da eine elektrische Ladung auf einer Schnittstelle
zwischen dem Ätzloch 15a und
der Oxidschicht 13 konzentriert wird.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, mindestens die obigen Probleme
und/oder Nachteile des Standes der Technik zu lösen, und mindestens die unten
beschriebenen Vorteile zu erreichen.
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Dieses
Ziel wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 erreicht.
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Schwimmstruktur
unter Verwendung eines SOI-Substrats, das die Verfahrensschritte
des Ablagerns einer Oxidschicht auf einem Substrat in einer vorbestimmten
Dicke, des Ausbildens einer Siliziumschicht auf der Oxidschicht
einschließlich
einer Elektrifizierungsstruktur, die die Siliziumschicht mit dem
Substrat verbindet, des Ausbildens eines Musters für die Schwimmstruktur
mit einem inneren Bereich auf der Siliziumschicht, des Entfernens
der Oxidschicht entsprechend dem inneren Bereich des Musters, des Ausbildens
einer zweiten Oxidschicht (die eine thermische Oxidschicht sein
kann) auf einer Oberfläche der
Siliziumschicht und des Entfernens der zweiten Oxidschicht, um die
Schwimmstruktur zu erhalten, umfasst.
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Der
Verfahrensschritt des Ausbildens der Siliziumschicht umfasst bevorzugt
das Freilegen eines Teils des Substrats, um ein Elektrifizierungsloch
zu bilden, und das Ausfüllen
des Elektrifizierungslochs mit einem Teil der Siliziumschicht, um
die Elektrifizierungsstruktur zu bilden.
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Das
Elektrifizierungloch wird bevorzugt innerhalb des Bereichs der Schwimmstruktur
ausgebildet. Das Elektrifizierungsloch wird ebenfalls bevorzugt
durch Trockenätzung
gebildet. Insbesondere umfasst das Trockenätzen bevorzugt ein Reaktivionen-Ätzen.
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Im
Verfahrensschritt des Ausformens des Musters wird das Muster bevorzugt
durch ein tiefes Reaktivionen-Ätzen
gebildet.
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Im
Verfahrensschritt des Entfernens der Oxidschicht entsprechend dem
inneren Bereich des Musters, wird die Oxidschicht bevorzugt durch
nasses Ätzen
entfernt.
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Beim
Verfahrensschritt des Ausbildens der zweiten Oxidschicht, wird die
zweite Oxidschicht bevorzugt durch Oxidation ausgebildet.
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Beim
Verfahrensschritt des Ausbildens der Schwimmstruktur durch Entfernen
der zweiten Oxidschicht wird die zweite Oxidschicht bevorzugt durch Nassätzen entfernt.
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Die
wie oben beschrieben hergestellte Schwimmstruktur kann Anwendung
finden in einer Mikro-Elektro-Mechanisch-System-Struktur (MEMS), wie
beispielsweise einem Gyroskop, einem optischen Spiegel und einem
Radiofrequenzschalter (RF).
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Wie
es sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird das SOI-Substrat
derart konstruiert, dass das Substrat und die Siliziumschicht elektrifiziert
werden können,
und die Siliziumschicht wird mit einem Muster versehen, so dass
die darunterliegende Oxidschicht teilweise freigelegt wird. Demgemäß verhindert
diese Technik die Erzeugung einer Nut an einem unteren Teil des
Musters in Kontakt mit der Oxidschicht.
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Die Ätzeigenschaft
der Schwimmstruktur kann verbessert werden unter Verwendung des SOI-Substrats.
Demzufolge kann eine Schwimmstruktur hergestellt werden, die die
gewünschten Konstruktionsparameter
erfüllt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen Ziele und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung erschließen sich
aus der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer beispielhaften
Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung ist, die ein konventionelles Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) zeigt,
in dem ein Ätzloch
ausgebildet ist;
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2 ist
eine vergrößerte Darstellung
eines Teils aus „I" der 1;
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3 ist
eine Schnittdarstellung in Längsrichtung,
die die Struktur eines SOI-Substrats
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
eine Schnittdarstellung in Längsrichtung,
die eine Schwimmstruktur zeigt, hergestellt unter Verwendung des
SOI-Substrats der 3;
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5A–5D sind
Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen des SOI-Substrats der 3 zeigen;
und
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6A–6G sind
Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen der Struktur gemäß 4 zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahe auf die beiliegenden
Figuren beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht
so ausgelegt werden, dass sie darauf beschränkt ist.
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In
der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszahlen für die gleichen
Elemente in unterschiedlichen Zeichnungen verwendet. Die nachfolgende
detaillierte Beschreibung der Konstruktion und der Elemente wird
vorgenommen, um ein umfassendes Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
Es ist deshalb klar, dass die vorliegende Erfindung ausgeführt werden
kann in verschiedenen Ausführungsformen,
ohne darauf beschränkt
zu sein. Auch sind bekannte Funktionen oder Konstruktionen nicht
im Einzelnen beschrieben, da dies die Erfindung durch unnötige Details
verworren machen würde.
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3 ist
eine Längsschnittdarstellung
der Struktur eines SOI-Substrats gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Wie 3 zeigt,
umfasst ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) 100 ein
Laminat aus einer isolierenden Oxidschicht 130, die auf
einem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet ist, und eine Siliziumschicht 150,
die auf der Oxidschicht 130 ausgebildet ist.
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Die
Oxidschicht 130 hat eine Vielzahl von elektrifizierenden
(elektrisch kontaktierenden) Löchern 131,
die strömungsmäßig die
Siliziumschicht 150 und das Siliziumsubstrat 110 ver binden.
Die Elektrifizierungslöcher 131 sind
durch Trockenätzen gebildet,
bevorzugt durch ein Reaktivionen-Ätzen (REE).
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Die
Anwesenheit von Elektrifizierungslöchern 131 gestattet
eine elektrische Verbindung zwischen der Siliziumschicht 150 und
dem Siliziumsubstrat 110. Dies verhindert die Erzeugung
einer Nut durch die Konzentration einer elektrischen Ladung an einem
unteren Teil des Ätzmusters 161,
das die Oxidschicht 130 kontaktiert, wenn ein tiefgeätztes Muster 161 in
der Siliziumschicht 150 ausgebildet wird.
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4 ist
eine Längsschnittdarstellung,
die eine Schwimmstruktur unter Verwendung des SOI-Substrats der 3 zeigt.
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In 4,
in der gleichen Weise wie 3, ist das
SOI-Substrat 200 ein Laminat eines Siliziumsubstrats 210,
einer Oxidschicht 230 und einer Siliziumschicht 250 in
Reihenfolge. Die Siliziumschicht 250 ist elektrisch mit
dem Siliziumsubstrat 210 durch das Elektrifizierungsloch 231 verbunden.
Weitere Einzelheiten der Struktur werden nachfolgend unter Bezugnahme
auf die 6A bis 6G erläutert.
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Indem
man ein Muster 253 ätzt
und dieses füllt,
so dass die Siliziumschicht 250 und das Siliziumsubstrat 210 elektrisch
verbunden werden, kann die Ausbildung einer Nut verhindert werden.
Eine solche Nut wird anderenfalls durch die Konzentration einer
elektrischen Ladung an der Schnittstelle zwischen einem unteren
Teil des Ätzmusters 253 und der
Oxidschicht 230 gebildet. Demzufolge kann eine Schwimmstruktur 251,
die die unterschiedlichsten Konstruktionsparameter erfüllt, erreicht
werden.
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Die 5A bis 5D sind
Darstellungen, die Verfahren zum Herstellen des SOI-Substrats der 3 zeigen.
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Gemäß 5A wird
eine Oxidschicht 130 aus einem isolierenden Material (beispielsweise
Siliziumdioxid) auf einer Oberfläche
des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet oder man lässt sie
aufwachsen.
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Wie
in 5B gezeigt, wird in der Oxidschicht 130 ein
vorbestimmtes Elektrifizierungsloch 131 ausgebildet. Das
Elektrifizierungsloch wird durch eine Trockenätztechnik, wie beispielsweise
ein Reaktivionen-Ätzen,
bevorzugt als Mikroloch ausgebildet.
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In 5C wird
eine Siliziumschicht 150 auf der Oxidschicht 130,
die das Elektrifizierungsloch 131 hat, derart ausgebildet,
dass die Siliziumschicht 150 und das Siliziumsubstrat 110 fließend durch
das Elektrifizierungsloch 131 verbunden sind. Demzufolge
kann die Siliziumschicht 150 und das Siliziumsubstrat 110 elektrisch
aufgeladen werden.
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Wenn
demnach ein Muster 161 durch Tiefätzen durch die Siliziumschicht 150 und
die Oxidschicht 130 hergestellt wird, wie in 5D gezeigt, kann
die Ausbildung einer Nut verhindert werden, die anderenfalls durch
die Konzentration der elektrischen Ladung an einem unteren Teil
des Ätzmusters 161 in
Kontakt mit der Oxidschicht 130 erzeugt wird. Die Quantität dies Tiefätzens entspricht
hier der Dicke der Siliziumschicht 150 in der SOI-Substratspezifikation.
Beispielsweise, wenn die Dicke der Siliziumschicht 150 40
beträgt,
beträgt
die Dicke der Oxidschicht 130 20, und die Dicke des Siliziumsubstrats 110 500
in der SOI-Substratspezifikation,
wobei die Quantität
des Tiefätzens 40 ist.
Demzufolge kann die Quantität
des Tiefätzens
gemäß der SOI-Substratspezifikation
variieren.
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Die 6A bis 6G sind
Darstellungen, die Verfahren zum Herstellen der Struktur der 4 zeigen.
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Gemäß 6A wird
eine Oxidschicht 230 als Isolationsschicht auf dem Siliziumsubstrat 210 mit einer
vorbestimmten Dicke ausgebildet. Wie 6B zeigt,
wird ein vorbestimmtes Elektrifizierungsloch 231 in der
Oxidschicht 230 erzeugt. Das Elektrifizierungsloch 231 wird
durch eine Trockenätztechnik, wie
beispielsweise ein Reaktivion-Ätzen,
in einem Bereich für
die Schwimmstruktur 251 ausgebildet, was nachfolgend erläutert wird.
Das Elektrifizierungsloch 231 liegt in Form eines Mikrolochs
vor.
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Gemäß 6C wird
eine Siliziumschicht 250 auf der Oxidschicht 230 mit
dem Elektrifizierungsloch 231 derart ausgebildet, dass
die Siliziumschicht 250 und das Siliziumsubstrat 210 fließend durch
das Elektrifizierungsloch 231 verbunden sind. Demgemäß können die
Siliziumschicht 250 und das Siliziumsubstrat 210 elektrisch
aufgeladen werden.
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Wie
in 6D gezeigt, wird in der Siliziumschicht 250 ein
vorbestimmtes Muster 253 zum teilweisen Freilegen der Oxidschicht 230 ausgebildet. Das
Muster 253 ist unter Verwendung eines Reaktivionen-Tiefätz-Gerätes geätzt worden.
Da die Siliziumschicht 250 und das Siliziumsubstrat 210 in
Strömungsverbindung
miteinander durch das Elektrifizierungsloch 231 stehen,
können
sie elektrisch aufgeladen werden. Demzufolge wird während des
Reaktivio nen-Ätzens
eine elektrische Aufladung nicht an der Schnittstelle zwischen dem
Muster 253 und der Oxidschicht 230 konzentriert,
wodurch die Erzeugung einer Nut verhindert wird.
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Wie 6E zeigt,
wird die Oxidschicht 230, die innerhalb eines Bereichs
des Ätzmusters 253 angeordnet
ist, entfernt. Die Oxidschicht 230 wird durch Nassätzen unter
Verwendung einer Fluorwasserstofflösung entfernt.
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In 6F wird
eine Oxidschicht 270, die ein thermisches Oxid sein kann,
auf einer Oberfläche
der Siliziumschicht 250 ausgebildet.
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Die
Oxidschicht 270 kann durch Oxidation ausgebildet werden,
wobei Sauerstoff chemisch mit der Oberfläche der Siliziumschicht 250 (thermisches Oxid)
reagiert, oder bei der Siliziumdioxid abgelagert wird, beispielsweise
aus Siliziumwasserstoff und Sauerstoff, oder durch Zerlegung von
Tetraethoxysilan in einem LPCVD-Reaktor an der Oberfläche der Siliziumschicht 250 bei
einer Temperatur im Bereich von etwa 100 bis 1200°C.
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Wie 6G zeigt,
wird die Oxidschicht 270 unter Verwendung einer Ätzeinrichtung
geätzt,
um dadurch die Schwimmstruktur 251 zu bilden. Die Ätzeinrichtung
führt ein
Nassätzen
zum Entfernen der Oxidschicht 230 der 6E durch.
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Die
wie oben beschrieben hergestellte Schwimmstruktur kann für die Verwendung
in einer Mikro-Elektro-Mechanisch-System-Struktur (MEMS), wie beispielsweise
einem Gyroskop, einem optischen Spiegel und einem Radiofrequenzschalter
eingesetzt werden.
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Obwohl
die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde unter Bezugnahme auf
einzelne Ausführungsbeispiele,
ist es dem Fachmann klar, dass die verschiedensten Abwandlungen
in Form und Detail hier vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert
werden.