WO2012020132A1 - Verfahren zur herstellung einer mems-vorrichtung mit hohem aspektverhältnis, sowie wandler und kondensator - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mems-vorrichtung mit hohem aspektverhältnis, sowie wandler und kondensator Download PDF

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Matthias Sachse
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Österreichische Akademie Der Wissenschaften (Öaw)
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    • B81C1/00619—Forming high aspect ratio structures having deep steep walls
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    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
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    • G—PHYSICS
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    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing high aspect ratio micro-electro-mechanical structures (acronym: MEMS).
  • the present invention relates to transducers or capacitors having micromechanical structures comprising electrodes separated by trenches.
  • the actual transducer function of such designed transducer is preferably achieved via the interaction of movable and electrically differently charged, opposing surfaces on the one hand and on the supply lines applied or applied electrical potential difference on the other hand.
  • the invention relates to MEMS sensors, in particular for one or more of the measured variables that can be determined by the effect of a path change, such as:
  • the inventive architecture of this sensor makes it possible to supply at least one electrode from a production position to that of another electrode
  • actuators are included with such architecture as, preferably, micromotors (for linear or rotary motion or for vibration generation), micropumps, drives (e.g., for light modulators via arrays), vibrators, switches or relays.
  • the target position determines the target capacity of an integrated or discrete capacitor made in this way.
  • Microstructured trimmer capacitors or fixed capacitance capacitors are other applications of the subject invention.
  • the capacitor thus produced can also be used in circuits as a transducer element in frequency-voltage converters, voltage-frequency converters or analog-to-digital converters and for time measurement. In addition, such elements can be used to compensate for errors due to temperature changes.
  • the invention is based on a MEMS method according to the prior art and a generic MEMS converter, as in many publications around sensors for the measurement or actuators for the generation of path changes, shifts or accelerations, vibrations or vibrations in different directions but is also revealed by changes or accelerations of different axes.
  • This signal can then be amplified via transistor circuits and evaluated via analog-digital circuits and a measure of the mechanical or thermal input variable.
  • the mechanical input may be the result of gravity or some other acceleration, such as vibration or vibration acting on a diaphragm, or pressure.
  • a mechanical manipulated variable or excitation or a thermally induced change in length is the result of an electrical signal change to the
  • Electrodes This manipulated variable can be activated periodically, as is the case with linear or circular oscillators or with micromotors. This can be new
  • Inertialsysteme are formed, the vibration axes, rocker planes or rotor levels against external force forming an inertia, which in turn is used sensorially.
  • the force is usually the result of the action of an electric or rare magnetic field or the result of a shape-changing
  • the Coriolis force causes deflections of the oscillating or rotating masses in a direction normal to the direction of oscillation or rotation when a change in the
  • Swinging axis direction or the position of the vibrating or rotating plane from the outside the inertial system is impressed. These deflections are in turn sensory detected to measure inclinations, yaw rates or angular accelerations.
  • Oscillating mechanically coupled and in turn can lead to sensory detectable changes in position of, for example, bending beam.
  • the frequency of the actuator oscillation or the rotational speed of the actuator is only indirectly effective in the magnitude of the amplitude in the measurement, whereas when detecting the Coriolis force in vibration systems, the measurement signal is modulated with the oscillation frequency.
  • Microelectronic analog circuits or mixed analog-digital microelectronic circuits often have capacitor structures which, due to their very low
  • the capacitance of these capacitor structures is formed for example by two mutually insulated metal layers or by two isolated polysilicon layers or by a diffusion layer of doped silicon and an isolated polysilicon layer. In this case serves as an insulator silicon dioxide. Aluminum is applied for the metal layer.
  • Device structures in micromechanics may be formed by deep etching techniques, e.g.
  • the reactive silicon ion deep etching (Bosch process) can be produced with a relatively high aspect ratio.
  • the aspect ratio is understood to be the ratio of the depth of a manufactured trench or a recess to the lateral dimension.
  • a known deep structuring method in the form of a plasma etching process is described for example in DE 42 41 045. With the trench method described therein, trenches with a trench minimum width of 1 ⁇ m can already be produced and opened. As with all plasma etching processes, the etching rate, ie the
  • the etching rate is significantly lower than can be achieved with wide etching openings. Only at distances above about 10 ⁇ the etch rate is substantially independent of the structure distances.
  • distances of less than 1 ⁇ m are at least not reliably reproducible or not
  • Finger structure can be guided from a non-immersed position into a dip in the fitted counter-structure with recesses for the finger structures.
  • electrode distances of 100nm are possible, the cost of structuring and
  • assembly is very high due to the vertical structure of three layered components. In addition, that requires three times the material surface.
  • EP 1 998 345 shows deeply etched offset non-entangled lateral, etched or combed opposing comb structures formed on trench walls.
  • a comb is movable laterally so that the mutually offset elevations or recesses can be converted into a position with a smaller offset or even in a symmetry position, whereby the capacity increases.
  • the direction of movement is the sensing direction.
  • a snap-in function is not provided here.
  • the invention is intended to allow sensors, e.g. for accelerations, rotation rates and vibration meters or actuators at low production costs but with high sensitivity or active power, e.g. in actuators, vibrators, relays or switches and the like. It should also be capable of optimizing existing MEMS converters through re-design and re-layout. In addition, capacitors with higher energy storage capacity (capacity) depending used
  • Silicon surface are made possible by the invention. Wchtig is also a high one
  • Process steps are formed, which are well known from semiconductor technology and are therefore not discussed here.
  • the process allows fabrication in standard wafer fabrication facilities that support, for example, CMOS or BiCMOS processes, and where mask lithography, passivation, etching, metallization, and doping are already in use.
  • the width of certain separating trench sections which are basically produced according to a manufacturing process according to the prior art, is reduced by a further method step. This is done by repositioning at least part of completely or almost completely separated structural parts.
  • holders preferably in the form of flexible holders, remain between the separating trenches after the release.
  • the method of the invention allows the fabrication of many microelectromechanical systems where a high aspect ratio of spaced apart structure trenches is advantageous.
  • a high aspect ratio of spaced apart structure trenches is advantageous.
  • at least one structural part of a silicon wafer or of a semiconductor component is almost completely released by chemical and / or physical material removal from an environmental part or another structural part. Ideally, it becomes a reactive one
  • Ion etching methods such as the DRIE, Deep Reactive Lonic Etching used.
  • the parts separated in this way usually remain connected to one another via straddling and elastic connections for keeping and for supply lines. Due to the
  • the separated inner structural part is changed relative to the outer environmental part or another structural part relatively in the position or orientation, so that the distance between at least two opposite formed wall sections of the ablation separation trenches is reduced. At the same time, of course, the distance is increased at another wall section.
  • the sensing direction of the sensor or the direction of movement of the actuator is due to the invention largely independent of the direction of the positioning path. The trick is that the special
  • Electrode surfaces lead to new distance ratios in the lateral direction normal to the electrode surface. Thereafter, a fixation, preferably by a
  • Wall recesses can be advantageous to adjust the motion damping, which results from the gas located in the etch trench.
  • the approximated trench wall sections are formed as capacitive electrodes to electrostatically store electrical charge carriers.
  • the released structural part is fixed permanently or irreversibly by suitable means.
  • the fixation may be such as to preserve the desired transducer functions by not limiting a relative electrode mobility, preferably in a direction or orientation other than that to which fixation is applied.
  • an etching process is ideally used, which is already available for other applications around the circuit. For example, one is
  • Dry etching process in particular reactive ion etching advantageous.
  • reactive ion etching DRIE
  • DRIE deep ion etching
  • the fabrication of the structural parts can be well integrated into CMOS process or a BiCMOS process.
  • earth gravity which causes gravity as a result, could cause the internal part position changes relative to one another by tilting a processed wafer from the horizontal position to a vertical position.
  • an external electric field may induce forces or torques on the movably-mounted differently charged structures by an electrically highly charged body to the side of the transducer, causing them to move toward the charged body.
  • Attraction to reach the target position The feeding of the charge can advantageously take place via separate lines.
  • the interaction with an internal magnetic field for example due to a current flow, must occur through at least one of the separated parts.
  • the magnetic field is generated by means of a permanent magnet or an electromagnet.
  • permanent magnetic structures can also be applied to the moving parts in the converter device.
  • Temperature-induced deformations of suitably constructed bending-elastic compounds due to different thermal expansions, cold contractions can also be used for force effects on the structural parts to be moved to each other.
  • an actuator for example a button
  • a high-friction elastic cap to protect the surface of the MEMS device.
  • This actuator can then pull the structural part directly in the direction of the desired position after placing on the excepted structural part and simultaneous fixation of the environmental part. Even a turn is possible, also in addition.
  • the surrounding part can be changed position or orientation while simultaneously fixing the released structural part by means of such an external actuator. Or it can be both the relative position and the orientation of two adjacent
  • centrifugal forces can be used.
  • the microelectromechanical device for example the wafer, or a MEMS converter
  • the cut-out structures are advantageously so with respect to the axis of rotation, that the forces in the radial direction on the released body according to the invention act so that the shift in the working rest position of the structures or rotation is effected in a corresponding orientation position.
  • Another method of transferring kinetic energy to the movably mounted structural part is the utilization of the vibratory capacity of the structure and its structure
  • Resonance frequency About vibrating systems, preferably via vibrators, this is excited to vibrate, which are in the range of a resonant frequency of the structural part.
  • Equally suitable is the energy transfer by an elastic impact from the outside.
  • These internal drive means are preferably electrostatic comb drive.
  • Magnetic fields, current-carrying lines can be used.
  • Heating devices in the form of electrical leakage resistances can lead to the deformation of certain connection structures to the released structural part due to different thermal expansion due to current flow. Installed in different locations or in different positions, this causes a relative displacement or rotation of the connected parts to each other.
  • the force effect or the torque should be designed sufficiently such that the effect of counteracting spring forces, in particular spring forces of elastic connections, is exceeded. So the force effect is appropriate so that mechanical energy storage, such as elastic springs, charged or tensioned.
  • Reorientation advantageously takes place mechanically by means of the structuring of catch traps on the microelectromechanical device, preferably assisted by return springs, which, for example, press sliding lugs into latching positions.
  • Rastverbinden can also be used for Rastverbinden. These are similar structures to those known by cable ties.
  • a bending beam is formed at least on one wall of the separating trench walls and then strongly pressed against a protrusion on the opposite wall and consequently bent, the contact angle between the bending beam and the survey can flatten. The consequence is that a lower static friction as an obstacle to the tensioned bending beam is overcome and this can jump as a result in a further intended position behind the survey due to the spring force.
  • electromechanically acting microactuators may be provided on the device for fixing the positioned or reoriented structure and maintaining the locally high aspect ratio.
  • thermal deformation of structures whereby they at least partially intervene in the path.
  • the rear-freedom of movement of the moving part with respect to the other parts is prevented by blocking structures, preferably by locking bolts.
  • it may also be the total freedom of movement, preferably in those directions or applications for which subsequently no sensitivity is desired, be limited.
  • Targeted bonding, wedging, soldering or destruction of structures formed to obtain a particular relative mobility are other methods of fixation after aspect ratio optimization.
  • microelectromechanical transducers are also the subject of this invention.
  • the characteristic of such a converter according to the invention is the presence of parts which are at least partially cut out of one another but after release of such approximated parts that the aspect ratio is increased in a stabilized manner at the specific positions between them.
  • at least one part is structured from another. Therefore, a part is the structural part and its associated environmental part.
  • these trenches have sections of reciprocating, looped or zigzagged or meandering course.
  • the trench side walls are formed in these sections as electrodes with opposite counterelectrodes, preferably by known doping methods.
  • an aspect ratio can be formed in the work rest position which represents a multiple of current aspect ratios in work rest positions in known MEMS electrodes.
  • the range is between 20 to 200.
  • the aspect ratio has a value in a sensor feature-determining dividing trench portion that is at least 25, but preferably as constant as possible over the portion.
  • Both the depth of the separation trench and the distance due to the partial displacement can be defined very precisely via mask-lithographically defined structures, but the surface structuring of the trench walls can result in certain process-related residual roughness which has an influence on the dielectric strength and the average capacitance, especially at close range.
  • the regions with the very high aspect ratio according to the invention are e.g. when
  • Electrodes designed and, to make a large area in a small space
  • the sensory or actuation directional axis is currently used as the approach direction, so that the production tolerances and the mechanical play of detents can also directly influence the transducer size.
  • the capacitive transducer sensitivity is within the approximate etch trench portions in FIG.
  • the work rest position or orientation thus differs geometrically from the relative production position of the one-piece structured parts prior to separation and during trench formation.
  • the converter according to the invention thus has separating trench sections with a
  • This drive device may be an electrostatic comb drive. It can alternatively be a drive that uses magnetic fields of current-carrying lines.
  • a thermally induced drive can be provided. This can be represented by a built-up in different shape and / or material property component, wherein caused by a flow of current different thermal expansion causes the movement. Formal changes of certain compounds to the released structural part can be enforced, whereby a relative
  • Length increase widened by electrostrictive or magnetostrictive elements.
  • Heat is supplied from the outside.
  • Torque transmission be provided.
  • Candidates include thermal elements that operate at high ambient temperature or magnetic materials that are attracted or repelled by an external magnetic field, such as iron, nickel or cobalt, or alloys or rare earth metals, and the like.
  • a certain storage of the movable structural part by means of springs cause a very defined resonance property, which can be excited for example by ultrasound, and thereby causes the desired change success.
  • Supporting devices are also special bearings due to structuring which allow sliding in one direction, rotation about an axis or twisting of a torsional suspension.
  • the isolated structural part expediently has a limited mobility. Either the shape of the structure or the trench profile or the arrangement and design of the flexurally elastic connections serves this purpose. It is expedient that the component has only two degrees of freedom for movements that are as independent as possible after production. In this case, at least one direction in the way according to the invention
  • Locking devices available. These serve to permanently or irreversibly block the relative movement of the structural part relative to the environmental part.
  • fixing elements may preferably in the form of pawls in
  • engaging tooth flanks With the help of asymmetrical tooth flanks, it is possible to control a screening in only one direction.
  • To lock the converter according to the invention may also have wedges, glues or solder joints, which prevent the transition from the work rest position back to the production position.
  • Arretier sootheen in the form of catch traps can be advantageously constructed of springs with hooks and barbs.
  • at least one of the springs may be formed with hooks on each one of the separated parts of the structure.
  • the detent trap constructed in such a way should, if possible, not hinder or possibly minimize any necessary sensory or actuatory movement or rotation.
  • electromechanical microactuators can serve as mechanical actuators micro-rotors. But also thermally variable structures can be used by means of sliding bolts driven transversely to the movement paths of the released and positioned or reorient Being structural part for blocking the way.
  • Trenngrabenset is arranged and the counter wall has at least one elevation, preferably with tooth flanks. Then, the spring stiffness of the bending beam and the sliding friction between the bending beam surface and the surface of the survey can serve to increase the work required to overcome it.
  • the tooth flanks are preferably designed asymmetrically.
  • microelectromechanical transducers designed high-sensitive, or very small sensors for travel, vibration, acceleration, speed, rotation rate, force, pressure or torque, or for such physical quantities that can be transformed into this.
  • actuators micromotors for linear or rotary motion, and vibrators (vibrators) are provided.
  • An adjustable capacitor is also designed according to or with the described properties.
  • microelectromechanical converters are advantageous as part of an integrated microelectronic circuit which has further circuit parts, such as those for amplification and signal processing or signal conversion.
  • FIG. 1 shows a sketch of a first possible embodiment of a characteristic part of a microelectromechanical transducer 1 with two relatively movable structural elements 2, 3 in a production position prior to positioning in the work rest area.
  • Fig. 1 a shows the section A-A 'with the production-related condition, also of the
  • FIG. 2 shows a sketch of the first possible embodiment from FIG. 1 according to FIG.
  • Fig. 2a shows the section B-B 'with reduced distances 7, but also enlarged
  • Fig. 3 shows a sketch of a second possible embodiment of a
  • microelectromechanical device 1 or a part of a
  • Microelectromechanical transducer with two (to three) relative to each other movable structural elements 2, 3 in the production position before positioning in the Häruhelage.
  • FIG. 4 shows a sketch of the embodiment from FIG. 3 after positioning in FIG
  • FIG. 5 shows a sketch of an alternative electrode structure design in FIG.
  • Fig. 6 shows the structure of Fig. 5 after positioning in the working recumbent and with approximated electrodes 5.
  • Fig. 6a shows an alternative with reverse
  • Fig. 7 shows a possible single-stage irreversible latching device prior to positioning in the work rest
  • Fig. 8 shows a latching device of Fig. 7 after positioning 9 shows a possible multi-stage, at least temporarily irreversible, latching device in the production position before the positioning.
  • FIG. 10 shows the multi-stage latching device from FIG. 9 in the second latching position and with the tensioned counter-spring 6.
  • the comb-like structuring of a device 1 according to the invention shown in FIG. 1 has certain distances 4 and a specific depth 19 after a typically used dry reactive ion deposition, from which a certain aspect ratio (structure depth to structure distance) is predetermined.
  • a trench width is produced by the etching masks, which represents a good compromise between etching time and etch-related area loss.
  • the device 1 here consists of two components 2, 3 having mutually toothed tongues. The surfaces of these tongues have elevations.
  • Elevations are determined by design and mask lithography.
  • the technology-related minimum etch width for the desired etch depth 19 may also be considered a larger
  • Trench width 4 to be set are three surveys per tongue shown as an example.
  • the projections of adjacent tongues are arranged offset from one another, with one tongue belonging to component 2 and the other to component 3.
  • Component 2 here is the optional structural part.
  • Component 3 may also be an optional structural part, or an environmental part, which is firmly connected to a housing, for example.
  • the parts 2, 3 are moved relative to each other.
  • the structural part 2 in FIG. 1 is moved downwards in the direction 9, the elevations on the opposite tongues reach an antiparallel or mirrored position.
  • the result is sketched in FIG.
  • the small distances 4 change on the one hand to larger distances 8 and on the other hand to smaller distances 7. This is even more clearly visible in the sectional images Fig. 1 a and Fig. 2a. Since the surfaces of these tongues, in particular the elevations are designed such that they can carry charge carriers, resulting in capacity surfaces. Supply line for the application or removal of charge carriers or
  • Test leads for detecting the potential difference are provided (not shown here).
  • the potential surfaces 5 are substantially in the starting position (after the etching process) according to FIG. 1, 1a for the elevations and recesses at the same distance from each other. This produces approximately a capacitance which is proportional to the area of electrode surfaces A 5 opposite and indirectly proportional to the distance d 4.
  • Co.1 prop. (6 ⁇ / (0, 1 d) + 4A 1 / (1, 1 d) (2.5)
  • the result for the product is also an increase in sensitivity. Since the change delta C occurs quadratically over the distance change delta d in the derivative of the function, the sensitivity also increases quadratically. In the example of FIG. 2, the sensitivity to FIG. 1 is almost 50% greater. For a 1/10 pitch reduction structure, the theoretical increase in sensitivity would be more than 25 times (!) Over the prior art. Thus, a 25-factor amplifier can be saved, or the gain can be reduced. Much smaller sensors can thus provide the same sensor performance. The power consumption of actuators can also be reduced.
  • Fig. 3 shows the microstructure of Fig. 1 in a second embodiment.
  • Embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 1 in that the surrounding part 3 is present on two sides of the released part. This reduces the required length of tabs per area of semiconductor base material (e.g., silicon), resulting in more favorable mechanical properties.
  • semiconductor base material e.g., silicon
  • a unidirectional direction 9 is provided for the approach of the electrode surfaces and a preferably bidirectional direction 10 for the transducer function.
  • FIGS. 5 and 6 Alternative structures to FIGS. 1-4 are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the structuring in Fig. 5 is designed in a staircase. By moving in the direction of 9, or by simultaneous movement of both parts 2, 3 to each other in directions 9, 9 ', the opposing electrode surfaces approach.
  • the result in FIG. 6 shows the parts 2, 3 brought together in the working rest position.
  • the process-related distance 4 of the oppositely directed step-like profiled tongues is determined by the
  • Stair edges determined that bring the charge carriers with different polarity closest to each other.
  • the tongue length times the tongue width equal to the component depth t as an effective capacitor area A w
  • the effective capacitor spacing d w is a value which lies between the distance of the edges and the etching width
  • the capacity of a pair of tongues before approach is proportional to the sum of all step surfaces and indirectly proportional to the distance. This value corresponds to the value as it can be achieved from the prior art in a first approximation.
  • the capacity here is 10 times, ie a value increase that is twice as high as in the examples from FIGS. 1 to 4.
  • the change in sensitivity is more complex here, since here the staircase surfaces undergo a change in the distance parallel to the long side of the sketch sheet and a change in area parallel to the short side of the sketch sheet.
  • the advantage for the damping will be explained.
  • the mobility in the direction of the sensing axis 10 (here orthogonal to the positioning) remains within the remaining free space received. It can be seen here that an outward movement can also lead to an inner approximation of the sensor surfaces.
  • the electrode surfaces define substantially communicating spaces, e.g. with gas, usually with air, according to the
  • a room type Vi is limited by the vertical here drawn areas of overlap of the overlapping length l, 23, the second type of room V 2 is limited by the area of overlap the length g, 24.
  • the grave distances along this overlap lengths I, g are conditioned at 23 gradually smaller than the 24th
  • V 2 ⁇ t * g * s 2 (6a.2)
  • V 2 ⁇ t * (Ll) * s 2 (6a.4)
  • the step width corresponds to the depth t of the component, L is the length of the steps and the height H of the steps results from the distance difference:
  • V 2 ⁇ t * (Ll) * (H + s 1 ) (6a.6)
  • Vi and V 2 are spatially varied. If you leave a change to z. B. si / 2, so the volume Vi is halved. The amount of air must therefore be compressed and displaced accordingly.
  • V 2 has a constant proportion and a variable part
  • V 2 ⁇ t * (Ll) * H + t * (Ll) * Si (6a.7)
  • Ll is the same distance as si and H and L are three times as large as Si. Then the volume V2v is before the
  • V 2n ⁇ 3.5 t * ( Sl ) 2 (6a.9)
  • V 1v ⁇ 2 * t * S ! 2 (6a.10)
  • Vm ⁇ t * Sl 2 (6a.11)
  • the pressure change for the gas volume in V 2n is thus lower than for the volume V 1 n and thus the total pressure change is advantageously reduced by the pressure compensation. This results in a reduced attenuation compared with the prior art.
  • Nonlinearities in the capacitance changes may be due to differential arrangements, e.g. As shown in Fig. 4, are well linearized, the lower part must be mirrored.
  • Electrodes is reached. This would result in an aspect ratio of 500 (!).
  • the circuit must have locking devices as described. Two examples of such devices are outlined in FIGS. 7-10.
  • Fig. 7 shows a latch 11 in the formed during the process embodiment with latching elements 14 in the form of hooks with springs, the hooks are chamfered in the direction of movement. As a result, they slide under pushing away the lateral springs to the
  • Movement of the parts 12 and 13 is unidirectional only apart to an end position as in Fig. 8.
  • the parts 12 and 13 are rigidly connected in the device according to the invention with the structural parts 2, 3 respectively formed in these parts. Agility along the direction 10 is maintained by the device within certain limits.
  • Figures 9 and 10 illustrate a possible latch, which is a latching device 15 with several rest positions and teeth with
  • the rack moves against the bending beam, pin 17 with beveled end, by the orthogonal to the direction of movement designed rear sides of the teeth and the beam, or bolts, the respective position is fixed.
  • a solution of the lock can only by transverse movements, or forces across the
  • Movement direction of the rack done, for example, by a movement of the beam or bolt in the direction of the 18th
  • the invention relates to a process for the preparation
  • micro-electro-mechanical devices (1) with a high aspect ratio, characterized in that the method comprises the following steps:
  • At least one structural part (2) of a silicon wafer or of a semiconductor component with a thickness which is small in relation to the areal extent is produced by chemical and / or physical material removal with a technology-related
  • capacitive electrodes (5) formed wall sections of Abtragungs- separating trenches (20) by mechanical relative predominantly lateral position or orientation change of the exposed structural part (2) relative to the
  • Trenngrabenabites (20) is at least one released structural part (2) permanently or irreversibly by a device (12, 15) against an increase in the
  • CMOS can be used for the production of the structural parts (2, 3)
  • the force effect or the torque can be caused by direct coupling of at least one actuator, preferably at least one button with elastic cap high friction, wherein the one or more buttons after placement on at least one free structure part (2) and simultaneous fixing of the surrounding part (3) the structural part (2) or several such parts - or vice versa, the ambient part (3) with simultaneous fixation of at least one isolated structural part (2) - the environmental part (3) - directly into the
  • Direction (9) of the target position or target orientation pulls or turns as required.
  • the force effect or the torque can be achieved by using the inertia of at least one structural part (2), wherein preferably the
  • microelectromechanical device (1) briefly accelerated in the opposite direction to the direction (9) for positioning or to the direction of rotation (9) for orientation or
  • the force effect can also be caused by the use of centrifugal force, wherein preferably the microelectromechanical device (1) is set in rotation, and the arrangement of the released structural parts (2) takes place such that the radially acting forces are the required movements or rotations of these parts (FIG. 2) in the nominal position or
  • Applying an electrical voltage to the electrodes (5) provided on the separation trench walls (21) is triggered via the electric field forming, preferably via separate supply lines.
  • Torque can be used.
  • the force or the torque can also be against spring forces, in particular against spring forces of elastic
  • Torque at least one bending beam (6, 17), at least on one wall of the
  • Trenngrabenset (21) is provided so strong against at least one elevation (16) is pressed and bent on the opposite wall, due to the contact angle and the additional spring force acting between the bending beam and survey static friction is overcome and the beam (17) jumps into a further position behind the survey (16).
  • a plurality of latching positions can be provided on a fixing device (15), wherein during the positioning method a position is controlled from the different setpoint positions in one step or several steps in order to set certain transducer properties.
  • the invention relates to a microelectromechanical transducer (1) with respect to an environmental part (3) at least one at least partially
  • An aspect ratio in the work rest position within a section of the separation trench (20) which is in the range from 15 to 500, preferably in the range from 20 to 200, in particular has a preferably constant value over the section that is at least 25 times the structure depth ( 19) opposite the separating trench width (7), and
  • a device which holds or fixes at least one released structural part (2) with respect to a further structural part (3) in a work rest position or work rest orientation, whereby the relative position and
  • This microelectromechanical converter (in the following short: converter) can be any microelectromechanical converter.
  • Average width preferably a fraction of the average widths of all on this converter (1) made dividing trenches in the working rest position.
  • an actuating element on a joint or pivot bearing or a bending beam (17) and at least one elevation (16) ratchet-like, preferably arranged as a pawl, or preferably a mechanical restriction of the actuating element in one direction or the bending path of the Bending beam may be provided as a blocking element, including the orientation of the actuating element or the bending beam in combination with the shape of the survey, which is preferably asymmetrically toothed, in one direction has sliding and non-slidable in another direction angle of attack for blocking.
  • a plurality of latching positions can be provided on the locking device, which stabilizes at least one structural part (2) with respect to another structural part or the surrounding part (3) either permanently but detachably or irreversibly in a proximity position of the electrodes (5).
  • the transducer according to the invention of one of the types described can be a sensor for travel, acceleration, force, vibration, speed, rate of rotation, pressure or torque, or an actuator in the form of a micromotor for linear or a micromotor for rotary motion, or a vibrator, a micro-pump, a micro-drive preferably for light modulators on mirrors (arrays)), or a mechanical micro-switch or a relay.
  • the converter may be part of an integrated microelectronic circuit.
  • the invention relates, inter alia, to the following aspects:
  • a method for producing micro-electro-mechanical devices (1) with a high aspect ratio in which at least one structural part (2) of a silicon wafer or a semiconductor device with a thickness in relation to the surface thickness by chemical material removal preferably reactive deep ion etching (DRIE) and / or physical removal of material with a technology-related aspect ratio compared to an environmental part (3) or a further structural part is released, with flexible elastic connections (6) between the structural part (2) and its surrounding material can remain, the relative movement of the parts (2,3 ) allow in at least one degree of freedom, characterized in that by means of internal and / or external devices, a force and / or torque on at least one of the separated parts (2, 3) to reduce the local
  • DRIE reactive deep ion etching
  • Separation trench distance (4 to 7) is exercised or transmitted, that the resulting lateral and relative movement and / or
  • Mass attraction between the earth mass and the mass of at least one released structural part (2) by orientation to one another
  • Forces between electric charges (electric field), preferably caused by a highly electrically charged body is positioned in the direction of that side of the at least one loaded with structural parts (2), in which the structural part (2) or the structural parts translationally relative to the environmental part (3) is to be moved to the target position, or whereby a
  • torsionally capable suspension of the at least one structural part (2) is generated, whereby this is rotated to the desired orientation position, or by generating these forces by applying an electrical voltage to the electrodes (5) provided on the separation trench walls (21), preferably via separate supply lines,
  • Device is rotated, and / or receives a pulse about a shock.
  • the path is effected by deformations, wherein at least two - in particular elastic - connections to the exposed structural part (2) are heated with different thermal expansion when heated, different in magnitude or direction and with current flow, preferably by amount different due to a different cross-section or different thermal power dissipation ,
  • Intervene route, and these structures stop at least the freedom of movement back, due to blocking structures preferably locking pin (17) or resiliently mounted gears, especially those with different edges.
  • An aspect ratio in the work rest position within a section of the separation trench (20) which is in the range of 15 to 500, preferably in the range of 20 to 200, in particular has a value preferably as constant as possible over this section which is at least 25 times the structure depth ( 19) opposite the separating trench width (7), and
  • Direction (10) allows mobility between the structural parts (2, 3), the relative position and orientation of these one-piece separated structural parts (2, 3) being different from that which existed before or during the manufacture of the separation trench; remaining directions of mobility are unlike those that existed prior to positioning and activation or use of the means for fixation.
  • Microelectromechanical transducer (1) according to aspect G, the
  • At least one internal drive device from the group comprises:
  • Achieve current flow preferably changes in shape of certain compounds to the isolated structural part (2) or as Wegdschreibiana preferably curved or spiral formed with lever arm
  • Fixing elements (11, 15) preferably in the form of pawls with
  • Tooth flanks preferably only a rotation in a rotational direction (9) due to asymmetrical tooth flanks allows.
  • M. microelectromechanical transducer (1) according to one of the aspects G to K, the simple or staggered detents (11, 15), preferably formed from springs with hooks and barbs (14), wherein at least one of the springs with hooks (14) is formed on each one of the separated parts (2, 3) of the structure, and wherein after the entanglement, a degree of freedom preferably due to the execution of bending beam-like feed of the hook or due
  • Movement or rotation is preferably maintained in a direction of hooking (9) independent direction (10) or direction of rotation.
  • microelectromechanical transducer (1) according to one of the aspects G to K, the mechanical actuators, preferably in the form of micro-seals,
  • electromechanical microactuators or thermal variable structures which block structures preferably insert sliding bolts in the transverse to the movement paths of the released and positioned or re-oriented structural part (2).
  • Microelectromechanical transducer (1) according to one of the aspects G to N, the at least one individual component or at least one component of an integrated circuit of the three components • sensor for one or more of the group sizes: path,

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Abstract

Vorgestellt wird eine Methode zur Herstellung mikrostrukturierter Vorrichtungen für Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS). Zur Vergrößerung des maximalen Aspektverhältnisses bedingt durch physikalische oder chemische Mikrostrukturierungsmethoden, wird vorgeschlagen, relativ zueinander beweglich strukturierte flächige Elemente der Vorrichtung von einer ersten relativen Bezugslage zueinander (Strukturierungsposition) lateral in eine zweite Bezugslage (Betriebsposition) dauerhaft oder irreversibel überzuführbar zu gestalten. Dadurch können zwischen strukturierten Wandabschnitten höhere Grabenkapazitäten gebildet werden. Die Bezugslagenänderung kann durch integrierte Antriebe oder Energiezuführung von außen ermöglicht werden, und erfolgt in einer von der Messrichtung wesentlich unterschiedlichen Richtung. Neben mechanischer Arbeit, Energie aus elektrischen oder magnetischen Feldern, kann Wärme zur Ortsverschiebung in Antrieben durch die Kraftwirkung auf ein Element oder hervorgerufene Längenänderungen dienen. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung hochsensitiver Sensoren für kleinste Anregungssignale oder die Herstellung von sparsamen Aktuatoren mit äußerst hohem Wirkungsgrad in Form von dämpfungsarmen, flächenoptimierten, hoch-kapazitiven Wandlern, sowie einstellbare Vertikalkondensatoren mit hoher Kapazität.

Description

Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung mit hohem Aspektverhältnis, sowie Wandler und Kondensator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Mikro-Elektro-Mechanik- Strukturen (Akronym: MEMS) mit hohem Aspektverhältnis.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Wandler oder Kondensatoren mit mikromechanischen Strukturen, die Elektroden umfassen, die durch Gräben voneinander getrennt sind.
Die eigentliche Wandlerfunktion solcherart gestalteter Wandler wird vorzugsweise über die Wechselwirkung beweglicher und elektrisch unterschiedlich geladener, einander gegenüber befindlicher Flächen einerseits und der an dessen Zuleitungen anliegenden oder angelegten elektrischen Potentialdifferenz andererseits erreicht.
Insbesondere betrifft die Erfindung MEMS-Sensoren, insbesondere für eine oder mehrere der Messgrößen, die durch die Wirkung einer Wegänderung bestimmbar sind, wie:
Wegstrecke, Schwingung, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Drehrate, Kraft, Druck oder Drehmoment.
Die erfindungsgemäße Architektur dieses Sensors ermöglicht dabei ein Zuführen zumindest einer Elektrode aus einer Produktionsposition in die einer anderen Elektrode nähere
Arbeitsruheposition. Die Arbeitsruheposition zweier aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens relativ zueinander positionierter Elektroden ist dabei durch ein erhöhtes
Aspektverhältnis gekennzeichnet.
Gleichermaßen sind Aktuatoren (Geber) mit solcher Architektur umfasst, wie vorzugsweise Mikromotoren (für lineare oder rotierende Bewegung, oder zur Schwingungserzeugung), Mikropumpen, Antriebe (z.B. für Lichtmodulatoren über Spiegel (arrays)), Schwingungsgeber, Schalter oder Relais.
Speziell Kammstrukturen, wie sie in bereits bekannten Kammantrieben (engl.: Comb-Drives) eingesetzt sind, eignen sich zur Anwendung der Erfindung.
Aber auch Anwendungen ohne Wandlerfunktion können durch die gegenständliche
Erfindung erfasst sein. So bestimmt die Sollposition die Zielkapazität eines solcherart hergestellten integrierten oder diskreten Kondensators. Mikrostrukturierte Trimmer- Kondensatoren oder solche mit fest einstellbarer Kapazität sind weitere Anwendungen der gegenständlichen Erfindung. Der solcherart hergestellte Kondensator kann auch in Schaltungen als Wandler-Element in Frequenz-Spannungs-Wandlern, Spannungs-Frequenz-Wandlern oder Analog-Digital- Umsetzern und zur Zeitmessung dienen. Darüber hinaus können solche Elemente zur Kompensation von Fehlern aufgrund von Temperaturänderungen dienen.
Die Erfindung geht von einem MEMS-Verfahren gemäß dem Stand der Technik und einem gattungsgemäßen MEMS-Wandler aus, wie er in vielen Publikationen rund um Sensoren für die Messung oder Aktuatoren für die Erzeugung von Wegänderungen, Verschiebungen oder Beschleunigungen, Schwingungen oder Vibrationen in unterschiedlichen Richtungen, aber auch von Wnkeländerungen oder -beschleunigungen um unterschiedliche Achsen offenbart ist.
Bei Sensoren ergibt sich ein elektrisches Zielsignal in Form einer elektrischen
Spannungsänderung oder einer elektrischen Stromänderung. Dieses Signal ist danach über Transistorschaltungen verstärkbar und über Analog-Digitalschaltungen auswertebar und ein Maß für die mechanische oder thermische Eingangsgröße. Die mechanische Eingangsgröße kann das Ergebnis von Schwerkraft oder einer anderen Beschleunigung, beispielsweise Erschütterung oder auch auf eine Membran wirkende Schwingungsanregung oder ein Druck sein.
Bei Mikroaktuatoren ist eine mechanische Stellgröße oder Anregung oder eine thermisch bedingte Längenänderung das Ergebnis einer elektrischen Signaländerung an den
Elektroden. Diese Stellgröße kann periodisch aktiviert werden, wie dies bei Linear- oder Zirkularschwinger oder auch bei Mikromotoren der Fall ist. Dadurch können neue
Inertialsysteme gebildet werden, deren Schwingachsen, Schwingebenen oder Rotorebenen gegenüber äußerer Krafteinwirkung eine Trägheit ausbilden, die wiederum sensorisch genutzt wird. Die Stellkraft ist meistens das Ergebnis der Wirkung eines Elektrischen oder seltener eines Magnetischen Feldes oder das Ergebnis einer formverändernden
Temperaturänderung eines Elementes aufgrund der thermische Verlustleistung in einem Strom durchflossenen Stellglied, oder aufgrund eines elektrostriktiven oder magnetostriktiven Effektes.
Als Rückstellkräfte werden häufig Federkräfte genutzt, wobei die Arbeit zur Vorspannung von Mikro-Biegebalken oder Mikrospiralfedern über die Stellkräfte längs des Stellweges zusätzlich eingebracht werden muss. Daneben sind Membranen als Energiespeicher für Rückstellkräfte eingesetzt.
Die Corioliskraft bewirkt Auslenkungen der schwingenden oder rotierenden Massen in eine Richtung normal zur Schwing- oder Rotationsrichtung, wenn eine Änderung der
Schwingachsenrichtung oder der Lage der Schwing- oder Rotationsebene von außen auf das Inertialsystem aufgeprägt wird. Diese Auslenkungen werden wiederum sensorisch erfasst, um Neigungen, Drehraten oder Winkelbeschleunigungen zu messen.
Werden die Achsen dieser neuen Inertialsysteme von außen in Ihrer Richtung verändert, bilden sich auch Präzessionskräfte, die über die Lagerungsvorrichtungen der
Schwingsysteme mechanisch ausgekoppelt und wiederum zu sensorisch erfassbaren Lageänderungen von beispielsweise Biegebalken führen können. Bei der Erfassung von Präzessionskräften geht die Frequenz der Aktuatorschwingung oder die Drehzahl des Aktuators nur indirekt wirksam in der Höhe der Amplitude in die Messung ein, wogegen bei Erfassung der Corioliskraft in Schwingsystemen, das Messsignal mit der Schwingfrequenz moduliert wird.
Mikroelektronische Analogschaltkreise oder gemischt Analog-Digitale Mikroelektronik- Schaltungen weisen oft Kondensatorstrukturen auf, die aufgrund sehr geringer
Flächenkapazität von typisch 1 ,75fF^m2 oder darunter einen erheblichen Flächenbedarf aufweisen. Die Kapazität dieser Kondensatorstrukturen wird beispielsweise durch zwei voneinander isolierte Metall-Schichten oder durch zwei isolierte Polysilizium-Schichten oder durch eine Diffusionsschicht aus dotiertem Silizium und einer isolierten Polysilizium-Schicht gebildet. Dabei dient als Isolator Siliziumdioxid. Für die Metall-Schicht wird Aluminium aufgebracht.
Bauelementstrukturen in der Mikromechanik können durch Tiefenätzverfahren, z.B. das reaktive Silicium-Ionen-Tiefenätzen (Bosch-Prozess) mit relativ hohem Aspektverhältnis hergestellt werden. Unter dem Aspektverhältnis versteht man dabei das Verhältnis der Tiefe eines gefertigten Grabens beziehungsweise einer Ausnehmung zur lateralen Abmessung.
Ein bekanntes Tiefenstrukturierungsverfahren in Form eines Plasma-Ätzverfahrens ist beispielsweise in der DE 42 41 045 beschrieben. Mit dem darin beschriebenen Trench- Verfahren können bereits Gräben mit einer Grabenmindestbreite von 1 μηι hergestellt und geöffnet werden. Wie bei allen Plasma- Ätzverfahren ist die Ätzrate, also die
Geschwindigkeit der Materialabtragung abhängig von den Strukturabständen. Bei schmalen Ätzöffnungen ist die Ätzrate deutlich geringer als sie bei breiten Ätzöffnungen erzielt werden kann. Erst bei Abständen oberhalb von ungefähr 10 μηι ist die Ätzrate im Wesentlichen unabhängig von den Strukturabständen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit bisher bekannten Verfahren Abstände von weniger als 1 μηι zumindest nicht sicher reproduzierbar beziehungsweise nicht
fertigungssicher hergestellt werden können und bislang aufgrund der erforderlichen
Prozessgenauigkeit als nicht sinnvoll angesehen wurden. Bei Wandlern mit mikromechanischen Strukturen, die Elektroden umfassen, welche durch Gräben voneinander getrennt sind, bewirken große Elektrodenabstände eine geringe elektrische Empfindlichkeit. Niedrige Empfindlichkeit bedeutet eine höhere Baugröße der Strukturen, weil mehr Elektrodenfläche benötigt wird oder größere und auch rauschärmere Verstärker eingesetzt werden müssen, um die benötigte Wandlerleistung zu erzielen.
Jedoch: Je breiter die Strukturen voneinander separiert werden, desto tiefer und schneller kann strukturiert werden.
In DE 101 05 187 wird vorgeschlagen, dass zur Vergrößerung des Aspektverhältnisses der Gräben zumindest abschnittsweise auf den Seitenwänden der Gräben eine weitere Schicht abgeschieden wird, wodurch kleinere Grabenbreiten erzielt werden. In JP 2009 190 150 wird über thermische Oxidation ein Oxid-Film gebildet, welcher die Grabenbreite verringert. Diese Methoden erfordern zusätzliche Produktionsschritte und infolgedessen höhere
Produktionszeiten und -Kosten sowie genaue Überwachung der Prozessschritte, und es resultieren grundsätzlich aufgrund prozessbedingter Grenzen höhere Ausfallsraten.
In DE 101 45 721 wird eine vertikal zur Substratebene gestaltete Elektrodenstruktur vorgeschlagen, welche eine mechanische Positionierung einer freigestellten befingerten beweglichen Elektrode zwischen zwei weiteren Elektroden erlaubt, wodurch die
Fingerstruktur aus einer nicht eingetauchten Lage in eine Eintauchlage in der zugepassten Gegenstruktur mit Ausnehmungen für die Fingerstrukturen geführt werden kann. Dadurch sind Elektrodenabstände von 100nm möglich, der Aufwand für Strukturierung und
Zusammenfügung ist jedoch aufgrund des vertikalen Aufbaus aus drei geschichteten Komponenten sehr hoch. Dazu kommt, dass dafür die dreifache Materialfläche benötigt wird.
US 7,279,761 zeigt ebenfalls einen Ansatz, wo Kammelektroden aus einem nicht
verschränkten (getrennte Kämme) in einen verschränkt verzahnten Zustand übergeführt und entweder durch eine Ratsche oder durch bistabile Federn dort fixiert werden. Die Einführung der im Abstand geätzten Fingerstrukturen in die gegenüberliegenden Abstandslücken ist nicht unkritisch, die Fühlachse ist hier parallel zur Richtung der Positionier-Achse.
EP 1 998 345 zeigt tiefgeätzte versetzte nicht verschränkte laterale, tiefgeätzte oder auf Grabenwänden gebildete gegenüberliegende Kammstrukturen. Dabei ist ein Kamm derart lateral beweglich, dass die zueinander versetzen Erhebungen oder Ausnehmungen in eine Lage mit geringerem Versatz oder gar in eine Symmetrielage übergeführt werden können, wodurch die Kapazität zunimmt. Die Bewegungsrichtung ist die Fühlrichtung. Eine Einrast- Funktion ist jedoch hier nicht vorgesehen.
Aus WO 02/19509 sind verschränkte Kammstrukturen bekannt, wo die Fingerabstände eines stationären Kammes gegenüber einem beweglichen Kamm positionsabhängig sind, da die ineinander greifenden Strukturen der Finger und Abstandsräume als Prismen mit trapezförmigen Grundflächen ausgebildet sind.
Aus GB 2 387 480 ist eine Vorrichtung bekannt, die Elektroden eines Kontaktschalters aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen in einer Zu- und parallelen Rückführungsleitung unterschiedlicher Dicke bei Stromdurchgang aufgrund von Verbiegung einander soweit annähert bis sie sicher kontaktieren. Dabei wird des Weiteren durch eine mechanische Arretierung über einen Haken mit einem Widerhaken die Kontaktposition gehalten, auch wenn der Stromdurchgang beendet wird. Das Lösen des Wderhakensystems erfolgt über eine zweite Verbiegungseinrichtung, die am Wderhaken vorgesehen ist und ähnlichen Aufbau besitzt (mit Hin- und Rückführungsstromleitung unterschiedlicher thermischer Verlustleistung und damit unterschiedlicher Ausdehnung). Eine Kapazitive Annäherung ist nicht beschrieben.
Um diesen Stand der Technik einerseits zu nutzen und die bestehenden Nachteile, wie sie sich aus dem Stand der Technik ergeben, andererseits zu beseitigen, wurde ein Verfahren gesucht, welches bestehende Technologien, wie z.B. rund um CMOS oder BiCMOS- Halbleiterfertigungstechniken, ökonomischer nutzt. Dazu sollen möglichst keine zusätzlichen Prozessschritte benötigt werden, aber dennoch soll die Empfindlichkeit von
gattungsgemäßen Wandlern deutlich verbessert werden. Es ist ein weiteres Ziel, die benötigte Materialfläche (Chipgröße) des Wandlers zu verkleinern und dennoch gute Mess- Ergebnisse zu erzielen. Eine sehr hohe Empfindlichkeit eines Sensorteiles soll es erlauben, Verstärkerstufen einzusparen oder einfachere Verstärker zur Signalkonditionierung einzusetzen, die wiederum den Materialbedarf und damit die Herstellkosten senken.
Zusammengefasst soll die Erfindung erlauben, Sensoren z.B. für Beschleunigungen, Drehraten und Vibrationsmesser oder Aktuatoren zu günstigen Produktionskosten aber mit hoher Sensitivität oder Wirkleistung, z.B. in Stellgliedern, Schwingungsgebern, Relais oder Schaltern und dergleichen, herzustellen. Sie soll ferner geeignet sein, auch bestehende MEMS-Wandler durch Re-Design und Re-Layout zu optimieren. Darüber hinaus sollen Kondensatoren mit höherer Energiespeicherfähigkeit (Kapazität) je eingesetzter
Siliziumfläche durch die Erfindung ermöglicht werden. Wchtig ist auch eine hohe
Zuverlässigkeit der Funktionsweise eines solchen Aktuators oder Sensors und große Ausbeute beziehungsweise geringer Ausschuss in der Produktion.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können sehr kleine Trenngrabenbreiten
beziehungsweise Strukturabstände in Bezug auf die Strukturtiefe erzielt werden, ohne zusätzliche chemische Prozessschritte zu benötigen, als jene, die für bereits standardisierte Tiefätzverfahren vorgesehen sind. Die elektromechanische Empfindlichkeit dadurch hergestellter Sensoren und die Kraftwirkung bei Aktuatoren wird erhöht. Es können bestehende Standardprozesse verwendet werden. Ein weiterer Schichtauftrag auf die geätzten Strukturen mit seinen Prozesszeiten, dem Prozessrisiko und zusätzlichen Ausfällen ist nicht erforderlich. Allgemein können die Mikromechanikstrukturen durch
Verfahrensschritte gebildet werden, die aus der Halbleitertechnik gut bekannt sind und die daher hier nicht näher erläutert werden. Das Verfahren erlaubt die Fertigung in Standard- Wafer-Fertigungsanlagen, die beispielsweise CMOS oder BiCMOS Prozesse unterstützen, und wo Maskenlithographie, Passivierungen, Ätzschritte, Metallisierungen und Dotierungen bereits angewendet werden.
Die erzielbare Flächenkapazität in Bezug auf die eingesetzte Siliziumfläche wird bei solcherart gebildeten vertikalen Kondensatoren sehr hoch.
Zum Erreichen eines hohen Aspektverhältnisses wird erfindungsgemäß die Breite von bestimmten Trenngraben-Abschnitten, die grundsätzlich nach einem Herstellprozess gemäß dem Stand der Technik hergestellt werden, durch einen weiteren Verfahrensschritt verringert. Das geschieht durch eine Neupositionierung zumindest eines Teiles von voneinander vollständig oder nahezu vollständig separierten Strukturteilen. Bei nicht vollständig separierten Strukturteilen bleiben Halterungen, vorzugsweise in Form von flexiblen Halterungen, zwischen den Trenngräben nach der Freistellung bestehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung vieler mikroelektromechanischer Systeme, wo ein hohes Aspektverhältnis von beabstandeten Strukturgräben vorteilhaft ist. Zum Verbessern dieses Aspektverhältnisses wird deshalb vorgeschlagen, dass zumindest ein Strukturteil eines Siliziumwafers oder eines Halbleiterbauteiles durch chemische und/oder physikalische Materialabtragung gegenüber einem Umgebungsteil oder einem weiteren Strukturteil fast völlig freigestellt wird. Idealerweise wird ein reaktives
lonenätzverfahren wie das DRIE, Deep Reactive lonic Etching verwendet. Die solcherart separierten Teile bleiben aber über biege-elastische Verbindungen normalerweise zur Haltung und für Versorgungsleitungen miteinander verbunden. Aufgrund der
Abtragungsprozess-Eigenschaften, wie beim Ätzen, kann eine bestimmte Trenngrabenbreite bei vorgegebener Grabentiefe nicht unterschritten werden. Erfindungsgemäß wird in einem weiteren Schritt das separierte innere Strukturteil gegenüber dem äußeren Umgebungsteil oder einem weiteren Strukturteil relativ in der Position oder Orientierung verändert, sodass der Abstand zwischen zumindest zwei einander gegenüberliegenden ausgebildeten Wand- Abschnitten der Abtragungs-Trenngräben reduziert wird. Gleichzeitig wird dadurch natürlich der Abstand an einem anderen Wandabschnitt vergrößert. Die Fühlrichtung des Sensors oder die Bewegungsrichtung des Aktuators ist erfindungsbedingt weitestgehend unabhängig von der Richtung des Positionierweges. Der Clou dabei ist, dass die besondere
Formgestaltung durch abwechselnd Erhebungen und Ausnehmungen in der Ätzgrabenwand, eine laterale Verschiebung der Strukturteile mit der einhergehenden Abstandsreduktion zueinander ermöglicht. Jene Wanderhebungen, die bei der Ätzung gegenüber den Ausnehmungen gebildet wurden, werden in Positionen gebracht, in denen Wanderhebung und Wanderhebung einander gegenüber positioniert sind (aber auch Ausnehmungen gegenüber Ausnehmungen). Die Quer- oder Scherbewegung der beabstandeten
Elektrodenflächen führt in der lateralen Richtung normal zur Elektrodenfläche zu neuen Abstandsverhältnissen. Danach erfolgt eine Fixierung, vorzugsweise durch eine
Arretierungseinrichtung.
Durch die Wahl der Dimensionierung der Wanderhebungen gegenüber den
Wandausnehmungen lässt sich vorteilhaft die Bewegungsdämpfung einstellen, die aufgrund des im Ätzgraben befindlichen Gases resultiert.
Die angenäherten Trenngraben-Wandabschnitte werden als kapazitive Elektroden ausgebildet, um elektrische Ladungsträger elektrostatisch zu speichern.
Für diese relative Änderung der separierten Komponenten zueinander können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Entweder wird über Einrichtungen von außen oder über mitintegrierte innere Einrichtungen eine Kraftwirkung oder ein Drehmoment auf zumindest eines der voneinander separierten Teile ausgeübt, beziehungsweise übertragen.
Nach der Positions- oder Orientierungsänderung der Komponenten zur Veränderung der Grabenabstände wird das freigestellte Strukturteil dauerhaft oder irreversibel durch geeignete Mittel fixiert. Dadurch wird ein hohes Aspektverhältnis örtlich erreicht und gehalten. Die Fixierung kann so erfolgen, dass die gewünschten Wandlerfunktionen erhalten bleiben, indem eine relative Elektroden-Beweglichkeit vorzugsweise in einer anderen Richtung oder Orientierung, als jene, auf die die Fixierung wirkt, nicht beschränkt wird.
Zur Materialabtragung wird idealerweise ein Ätzverfahren eingesetzt, welches für andere Anwendungen rund um die Schaltung bereits vorhanden ist. Beispielsweise ist ein
Trockenätzprozess insbesondere reaktives lonenätzen vorteilhaft. Am besten ist zurzeit reaktives lonentief-Ätzen (Deep Reactive lonic Etching, DRIE) für diese Zwecke verwendbar. Andere künftig vorteilhaftere chemische Verfahren sind hier jedoch nicht ausgeschlossen.
Die Herstellung der Strukturteile kann gut in CMOS Prozess oder ein BiCMOS Prozessen integriert werden.
Erfindungsgemäß gibt es eine Fülle von Möglichkeiten, die die relative Positionsänderung beziehungsweise Orientierungsänderung mithilfe von Kraftwirkung oder Drehmomentbildung ermöglichen. Dazu gehören externe Feldgrößen. Die Gravitation, vorzugsweise
Erdgravitation, die als Folge eine Schwerkraft bewirkt, könnte beispielsweise durch das Kippen eines prozessierten Wafers von der Horizontallage in eine Vertikallage die internen Teile-Positionsänderungen relativ zueinander verursachen. Ein äußeres elektrisches Feld kann zum Beispiel durch einen elektrisch hoch geladenen Körper seitlich des Wandlers Kräfte oder Drehmomente auf die beweglich gelagerten andersartig geladenen Strukturen induzieren, die eine Bewegung derselben zum geladenen Körper verursachen.
Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die - an Trenngrabenwänden
befindlichen -Elektroden kann das resultierende elektrische Feld die erforderliche
Anziehungskraft bewirken, um die Zielposition zu erreichen. Die Zuführung der Ladung kann vorteilhaft über gesonderte Leitungen erfolgen.
Ähnliches gilt für ein äußeres magnetisches Feld. Hier muss die Wechselwirkung mit einem inneren magnetischen Feld, zum Beispiel aufgrund eines Stromflusses, durch zumindest eines der voneinander separierten Teile erfolgen. Extern wird das magnetische Feld mithilfe eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten erzeugt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch in der Wandlervorrichtung permanentmagnetische Strukturen auf die beweglichen Teile aufgebracht sein können.
Temperaturbedingte Verformungen von dazu geeignet konstruierten biege-elastischen Verbindungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen, Kälte-Zusammenziehungen können ebenfalls für Kraftwirkungen auf die zueinander zu verschiebenden Strukturteile genutzt werden.
Ebenfalls möglich, wenn auch aufwendiger, ist die direkte Ankopplung eines Aktuators, zum Beispiel eines Tasters, mit einer - zur Schonung der Oberfläche der MEMS Vorrichtung - elastischen Kappe hoher Reibung. Dieser Aktuator kann dann nach dem Aufsetzen auf das freigestellte Strukturteil und gleichzeitiger Fixierung des Umgebungsteiles das Strukturteil direkt in die Richtung der Sollposition ziehen. Auch ein Drehen ist möglich, auch zusätzlich. Ebenso kann das Umgebungsteil bei gleichzeitiger Fixierung des freigestellten Strukturteiles mithilfe solch eines externen Aktuators positions- oder orientierungsverändert werden. Oder es kann sowohl die relative Position als auch die Orientierung zweier benachbarter
Strukturen zueinander dadurch verändert werden.
Der Energieerhaltungssatz erlaubt die vorteilhafte Nutzung der Trägheit des Strukturteiles für die Positions- oder Orientierungsveränderung. Wird die mikroelektromechanische
Vorrichtung kurzzeitig in Gegenrichtung zur Richtung der Positionierung oder Orientierung beschleunigt oder aus einer gleichförmigen Bewegung abgebremst, zum Beispiel über eine Rütteleinrichtung, oder winkelbeschleunigt oder -gebremst, zum Beispiel über einen
Drehteller, so wirken die Beschleunigungskräfte auf die losen oder über elastische
Verbindungen angefügten Strukturteile, die dadurch in relative Bewegung zu den
umgebenden Teilen gelangen. Ebenso vorteilhaft können Fliehkräfte (Zentrifugalkräfte) eingesetzt werden. Dazu wird die mikroelektromechanische Vorrichtung (zum Beispiel der Wafer, oder ein MEMS-Wandler) in Rotation um eine Achse versetzt. Dazu liegen die freigestellten Strukturen vorteilhaft so bezüglich der Rotationsachse, dass die Kräfte in radialer Richtung auf die freigestellten Körper erfindungsgemäß so wirken, dass die Verschiebung in die Arbeitsruheposition der Strukturen oder auch Drehung in eine entsprechende Orientierungslage bewirkt wird.
Eine weitere Methode, Bewegungsenergie auf das beweglich gelagerte Strukturteil zu übertragen, ist die Nutzung der Schwingfähigkeit der Struktur und dessen
Resonanzfrequenz. Über schwingende Systeme, vorzugsweise über Vibratoren, wird diese dazu zu Schwingungen angeregt, die im Bereich einer Resonanzfrequenz des Strukturteiles liegen.
Ebenso geeignet ist die Energieübertragung durch einen elastischen Stoß von außen.
Für die oben genannten Methoden sind prinzipiell innerhalb der mikroelektromechanischen Vorrichtungen nicht unbedingt zusätzliche Strukturen erforderlich. Dennoch können eigene Antriebseinrichtungen innerhalb dieser für die relative Positionierung oder
Orientierungsveränderung, auch unterstützend, vorgesehen sein.
Diese inneren Antriebseinrichtungen sind vorzugsweise elektrostatische Kammantriebe.
Es können aber auch magnetische Antriebe vorhanden sein. Zur Erzeugung der
magnetischen Felder können stromdurchflossene Leitungen genutzt werden.
Heizeinrichtungen in Form von elektrischen Verlustwiderständen können aufgrund von Stromdurchfluss zur Verformung bestimmter Verbindungsstrukturen zum freigestellten Strukturteil aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung führen. An unterschiedlichen Orten oder in unterschiedlicher Lage angebracht, bewirkt das eine relative Verschiebung oder Verdrehung der verbundenen Teile zueinander.
Ähnliches ist möglich, wenn thermisch bedingte Verformungen von geeigneten separaten Strukturen bei Stromdurchgang das freigestellte Strukturteil wegdrücken.
Vorteilhaft kann es sein, verschiedene Einrichtungen zur Bildung einer Kraftwirkung oder eines Drehmomentes zu kombinieren.
Die Kraftwirkung oder das Drehmoment soll derart ausreichend gestaltet sein, dass die Wrkung von entgegenwirkenden Federkräften, insbesondere von Federkräften von elastischen Verbindungen, überschritten wird. So erfolgt die Kraftwirkung zweckmäßig so, dass mechanische Energiespeicher, wie elastische Federn, aufgeladen, beziehungsweise gespannt werden.
Die Fixierung oder Sicherung des freigestellten Teiles nach der Positionierung oder
Neuorientierung erfolgt vorteilhaft mechanisch mithilfe der Strukturierung von Rastfallen auf der mikroelektro-mechanischen Vorrichtung vorzugsweise durch Rückstell-Federn unterstützt, die beispielsweise gleitende Nasen in Einrastpositionen drücken. Federgelagerte Verzahnungen, insbesondere mit unterschiedlichen steilen Flanken in Richtung der
Bewegung, können ebenfalls zum Rastverbinden eingesetzt werden. Das sind vergleichbare Strukturen mit denen, die von Kabelbindern bekannt sind.
Wird ein Biegebalken zumindest an einer Wand der Trenngrabenwände ausgebildet und dann stark gegen eine Erhebung auf der Gegenwand gedrückt und infolgedessen verbogen, kann sich der Berührungswinkel zwischen dem Biegebalken und der Erhebung verflachen. Die Folge ist, dass eine geringere Haftreibung als Hindernis für den gespannten Biegebalken überwindbar wird und dieser infolgedessen in eine weitere vorgesehene Position hinter der Erhebung aufgrund der Federkraft springen kann.
Die so ausgeführte "ratschen-artige" Anordnung von Biegebalken und Erhebung kann entweder so erfolgen, dass eine unidirektionale Beweglichkeit entsteht. Dann kann eine Veränderung, vorzugsweise eine Verringerung eines betrachteten Trenngrabenabschnittes erfolgen, nicht jedoch eine Vergrößerung.
Es können aber auch mehrere Einrastpositionen vorgesehen sein. Dies erlaubt während des Verfahrens eine beliebige Position aus unterschiedlichen Sollpositionen in einem oder mehreren Schritten anzusteuern, wodurch unterschiedliche Wandler-Eigenschaften eingestellt werden können; eventuell auch reversibel. Dabei dienen wieder die bereits genannten Kraftwirkungen und Vorrichtungen. Zusätzliche Faktoren sind dabei für die Auswahl einer bestimmten Position zu berücksichtigen, zum Beispiel die Dauer einer Krafteinwirkung, die Anzahl definierter Krafteinwirkungen, aber auch die Amplitude der Einwirkung, innerhalb einer bestimmten Zeit.
Alternativ können elektromechanisch wirkende Mikroaktuatoren auf der Vorrichtung für die Fixierung der positionierten oder neu orientierten Struktur und zum Erhalt des lokal hohen Aspektverhältnisses vorgesehen sein.
Auch zur Arretierung eignet sich thermische Deformierung von Strukturen, wodurch diese zumindest teilweise in die Wegstrecke eingreifen. Die Rück-Bewegungsfreiheit des bewegten Teiles gegenüber den anderen Teilen wird durch Blockierungsstrukturen, vorzugsweise durch Sperr-Bolzen, verhindert. Aber es kann auch die gesamte Bewegungsfreiheit, vorzugsweise in jenen Richtungen oder Anwendungen, für die in der Folge keine Sensitivität gewünscht ist, eingeschränkt sein. Gezieltes Verkleben, Verkeilen, Löten oder Zerstören von Strukturen, die für den Erhalt einer bestimmten relativen Beweglichkeit gebildet wurden, sind weitere Methoden zur Fixierung nach erfolgter Aspektverhältnis-Optimierung. So kann beispielsweise auch das thermische Schmelzen eines stromdurchflossenen Widerstandes die Beweglichkeit eines freigestellten und positionierten Teiles dauerhaft oder irreversibel zumindest in die Richtung oder die Drehrichtung, aus der die Annäherung der separierten Teile erfolgt ist, verhindern.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung mikroelektromechanischer Wandler sind auch bestimmte mikroelektromechanische Wandler Gegenstand dieser Erfindung.
Das Kennzeichen eines solchen erfindungsgemäßen Wandlers ist das Vorhandensein von voneinander zumindest teilweise freigestellter, aber nach Freistellung derart angenäherter Teile, dass das Aspektverhältnis an den bestimmten Positionen dazwischen stabilisiert vergrößert ist. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil aus einem anderen strukturiert. Daher ist ein Teil der Strukturteil und einer sein zugeordneter Umgebungsteil. Es können aber auch zwei elastisch verbundene Strukturteile von einem Umgebungsteil distanziert strukturiert und ebenso über elastische Verbindungen (Federn) damit verbunden sein.
Zwischen den Teilen befinden sich zum Teil überbrückte Trenngräben. Idealerweise haben diese Gräben Abschnitte mit hin- und her verlaufendem, geschlungenem oder Zickzack- förmigem oder mäanderartigem Verlauf. Die Grabenseitenwände sind in diesen Abschnitten als Elektroden mit gegenüberliegenden Gegenelektroden ausgebildet, vorzugsweise durch bekannte Dotierungsmethoden.
Physikalische Betrachtungen und die Analyse gegenwärtig existierender Ätzprozesse ergibt, dass mithilfe der hier vorgestellten Annäherungsmethode ein Aspektverhältnis in der Arbeitsruheposition bildbar ist, das ein Vielfaches gegenwärtiger Aspektverhältnisse in Arbeitsruhepositionen bei bekannten MEMS-Elektroden repräsentiert.
So ist ein Merkmal des hier vorgestellten erfindungsgemäßen Wandlertyps ein
Aspektverhältnis, welches innerhalb eines Wertebereiches von 15 bis 500 liegt,
vorzugsweise liegt der Bereich zwischen 20 bis 200. Insbesondere hat das Aspektverhältnis einen Wert in einem die Sensoreigenschaft bestimmenden Trenngrabenabschnitt, der zumindest 25, aber vorzugsweise über den Abschnitt möglichst konstant ist.
Sowohl die Tiefe des Trenngrabens als auch der Abstand durch die Teileverschiebung lassen sich sehr genau über maskenlithografisch definierte Strukturen festlegen, jedoch kann die Oberflächensstrukturierung der Grabenwände bestimmte prozessbedingte Restrauigkeit aufweisen, welche einen Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit und den durchschnittlichen Kapazitätsbelag insbesondere im Nahbereich hat.
Die Bereiche mit dem erfindungsgemäß sehr hohen Aspektverhältnis sind z.B. als
Elektroden gestaltet und, um eine große Fläche auf kleinem Raum zu gestalten,
vorzugsweise kammartig mit ineinander greifenden einander nicht berührenden Erhebungen ausgebildet. Aufgrund des Herstellverfahrens sind auf dem Wandler Strukturen vorgesehen oder Einrichtungen, die dazu dienen, die durch den Herstellprozess freigestellte Struktur in einer Arbeitsruheposition oder -Orientierung zu halten. Das Halten dient dazu, den Mittelwert des Aspektverhältnisses auch in Sensor- oder Aktuator-Anwendungen konstant zu halten, die Sensorik- oder Aktuatorik-Eigenschaften jedoch nicht einzuschränken.
Bei bekannten MEMS-Verfahren mit mechanischer Annäherung wird gegenwärtig als Annäherungsrichtung auch die sensorische oder aktuatorische Richtungsachse verwendet, sodass die Produktionstoleranzen und der mechanische Spiel von Arretierungen auch direkt einen Einfluss auf die Wandlergröße haben können. Bei der hier vorgestellten Lösung ist die kapazitive Wandler-Sensitivität innerhalb der angenäherten Ätzgräbenabschnitte im
Wesentlichen in Richtung der Tangentialflächen-Normalen der dortigen Ätzgrabenwände.
Die Arbeitsruheposition oder -Orientierung unterscheidet sich folglich geometrisch von der relativen Produktionslage der aus einem Stück strukturierten Teile vor der Separierung und während der Trenngrabenbildung.
Der erfindungsgemäße Wandler weist folglich Trenngrabenabschnitte mit einer
Durchschnittsbreite auf, die einen Bruchteil der Durchschnittsbreite aller auf diesem Wandler gefertigten Trenngräben besitzt. Durch die derartige kapazitive Elektrodenanordnung in diesem Abschnitt ergibt sich eine vorteilhaft hohe Empfindlichkeit eines derart gebildeten Sensors oder eine hohe Leistung eines derart gestalteten Aktuators.
Erfindungsgemäß vorteilhaft kann es sein, dass zumindest eine innere Antriebseinrichtung dazu integriert ist, das Aspektverhältnis zu erhöhen. Diese Antriebseinrichtung kann ein elektrostatischer Kammantrieb sein. Er kann alternativ ein Antrieb sein, der magnetische Felder stromdurchflossener Leitungen nutzt.
Ebenso kann ein thermisch bedingter Antrieb vorgesehen sein. Dieser kann durch ein in unterschiedlicher Form- und/oder Materialeigenschaft aufgebautes Bestandteil dargestellt sein, wobei die durch einen Stromdurchfluss verursachte unterschiedliche thermische Ausdehnung die Bewegung bewirkt. Formänderungen von bestimmten Verbindungen zum freigestellten Strukturteil lassen sich dadurch erzwingen, wodurch eine relative
Objektverschiebung- oder Drehung des Strukturteiles gegenüber dem Umgebungsteil über eine Stromzufuhr möglich ist. Speziell ausgeführte Wegdrückelemente zwischen den Trenngrabenabschnitten können zum Vorteil einer Verringerung auf einer anderen Seite durch temperaturbedingte
Längenzunahme, durch elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente verbreitert werden.
Zur Effektverstärkung können sie auch ähnlich wirken wie Bimetallstreifen. In Form von Spiralen oder Bögen, wird ein entsprechendes Drehmoment thermisch bewirkt, das über einen Hebel direkt Druck oder Drehung auf das zu verschiebende oder zu drehende Element ausüben kann, wenn entsprechender Stromdurchgang zur Erwärmung oder eine
Wärmezufuhr von außen erfolgt.
Alternativ oder ergänzend können zu den inneren Antriebseinrichtungen auch Einrichtungen zur Unterstützung der Wrkung externer Einrichtungen für eine Kraftwirkungs- oder
Drehmoment-Übertragung vorgesehen sein. In Frage kommen thermische Elemente, die bei einer hohen Umgebungstemperatur wirksam werden, oder magnetische Stoffe, die von einem externen magnetischen Feld angezogen oder abgestoßen werden, wie Eisen, Nickel oder Kobalt oder Legierungen oder Seltene Erde-Metalle und dergleichen. Auch kann eine bestimmte Lagerung des beweglichen Strukturteiles mithilfe von Federn eine sehr definierte Resonanzeigenschaft bewirken, die beispielsweise durch Ultraschall anregbar ist, und dadurch den gewünschten Änderungserfolg bewirkt.
Unterstützende Einrichtungen sind auch spezielle Lager aufgrund der Strukturierung, die Gleiten in einer Richtung, Drehung um eine Achse oder Verdrillung einer torsionsfähigen Aufhängung ermöglichen.
Sind biege-elastische Verbindungen zwischen dem Strukturteil und dem Umgebungsteil oder zwischen zwei freigestellten Strukturteilen in einer arretierten Auslenkung vorhanden, so erlaubt eine aufgrund der Biegesteifigkeit bewirkte Rückstellkraft bei einer allfälligen
Aufhebung der Arretierung, das bewegliche Teil wieder in den Produktionszustand mit geringerem Aspektverhältnis überzuführen. Zudem wird durch den Gegendruck der
Federkraft die Arretierung abgesichert.
Das freigestellte Strukturteil weist zweckmäßig eine eingeschränkte Beweglichkeit auf. Dazu dient entweder die Form der Struktur bzw. der Grabenverlauf oder die Anordnung und Gestaltung der biegeelastischen Verbindungen. Es ist zweckmäßig, dass das Bauteil nach der Produktion nur zwei Freiheitsgrade für zueinander möglichst unabhängige Bewegungen aufweist. Dabei sind im Weg zumindest einer Richtung erfindungsgemäß
Arretierungseinrichtungen vorhanden. Diese dienen dazu, die relative Bewegung des Strukturteiles gegenüber dem Umgebungsteil dauerhaft oder irreversibel zu blockieren.
Vorteilhaft können biege-elastische Verbindungen zwischen dem Strukturteil und dem Umgebungsteil angeordnet sein, die eine Verdrehung in einem eingeschränkten Winkel zulassen. Um ein elastisches oder aufgrund der Biegesteifigkeit bewirktes Zurückdrehen zu verhindern, können Fixierungselemente vorzugsweise in Form von Sperrklinken in
Zahnflanken eingreifend vorgesehen sein. Mithilfe von asymmetrischen Zahnflanken ist es möglich, eine Rasterung in nur einer Richtung anzusteuern.
Zur Arretierung kann der erfindungsgemäße Wandler auch Keile, Klebe- oder Lötstellen aufweisen, die den Übergang von der Arbeitsruheposition zurück in die Produktionsposition verhindern.
Arretiereinrichtungen in Form von Rastfallen können vorteilhaft aus Federn mit Haken und Widerhaken konstruiert sein. So kann zumindest jeweils eine der Federn mit Haken an jeweils einem der voneinander separierten Teile der Struktur ausgebildet sein. Die solcherart konstruierte Rastfalle soll aber eventuell erforderliche sensorische oder aktuatorische Bewegung oder Drehung möglichst nicht oder möglichst gering behindern.
Als mechanische Stellglieder können Mikroriegel, elektromechanische Mikroaktuatoren dienen. Aber auch thermisch veränderliche Strukturen können mittels dadurch angetriebenen Schiebe-Bolzen quer zu den Bewegungspfaden des freigestellten und positionierten oder reorientierten Strukturteiles zur Wegblockierung eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Biegebalken zumindest an einer Wand der
Trenngrabenwände angeordnet ist und die Gegenwand zumindest eine Erhebung, vorzugsweise mit Zahnflanken, besitzt. Dann kann die Federsteifigkeit des Biegebalken und die Gleitreibung zwischen der Biegebalkenoberfläche und der Oberfläche der Erhebung dazu dienen, dass eine erhöhte Arbeit zu deren Überwindung erforderlich ist.
Diese Kombination von Biegebalken und Erhebung ist zweckmäßig als Sperrklinke angeordnet. Diese hat eine "ratschen-artige Hemmwirkung". Eine mechanische
Beschränkung des Biegeweges des Biegebalkens und seine Orientierung bezüglich der Form der Erhebung ermöglicht eine Blockierung der Bewegung in die Gegenrichtung. Dabei sind die Zahnflanken vorzugsweise asymmetrisch gestaltet.
Vorteilhaft kann das Vorhandensein mehrerer Einrastpositionen sein, um während oder nach der Produktion unterschiedliche Wandler-Eigenschaften einzustellen.
Als mögliche mikroelektromechanische Wandler können entsprechend der Erfindung gestaltete hochsensitive, beziehungsweise sehr kleine Sensoren für Weg, Schwingung, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Drehrate, Kraft, Druck oder Drehmoment sein, beziehungsweise für solche physikalische Größen, die sich in diese umformen lassen. Als Anwendung für Aktuatoren sind Mikromotoren für lineare oder rotierende Bewegung, sowie Schwingungserzeuger (Vibratoren) vorgesehen. Auch können Mikropumpe, MikroAntriebe vorzugsweise für Lichtmodulatoren an Spiegel(arrays)), oder auch mechanische Mikro-Schalter oder Relais die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisen.
Ein einstellbarer Kondensator ist ebenfalls entsprechend oder mit den beschriebenen Eigenschaften gestaltbar.
Vorteilhaft sind solche mikroelektromechanischen Wandler als Bestandteil einer Integrierten Mikroelektronikschaltung, welche weitere Schaltungsteile, wie solche zur Verstärkung und Signalverarbeitung oder Signalwandlung aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben: Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine Skizze einer ersten möglichen Ausführungsform eines charakteristischen Teiles eines mikroelektromechanischen Wandlers 1 mit zwei relativ zueinander beweglichen Strukturelementen 2, 3 in einer Produktionslage vor der Positionierung in die Arbeitsruhelage.
Fig. 1 a zeigt den Schnitt A-A' mit den produktionstechnisch bedingten, auch von der
Strukturtiefe 19 abhängigen Abständen 4.
Fig. 2 zeigt eine Skizze der ersten möglichen Ausführungsform aus Fig. 1 nach der
Positionierung aus der Produktionslage in die Arbeitsruhelage.
Fig. 2a zeigt den Schnitt B-B' mit reduzierten Abständen 7, aber auch vergrößerten
Abständen 8.
Fig. 3 zeigt eine Skizze einer zweiten möglichen Ausführungsform einer
mikroelektromechanischen Vorrichtung 1 oder eines Teiles eines
mikroelektromechanischen Wandlers mit zwei (bis drei) relativ zueinander beweglichen Strukturelementen 2, 3 in Produktionslage vor der Positionierung in die Arbeitsruhelage.
Fig. 4 zeigt eine Skizze der Ausführungsform aus Fig. 3 nach der Positionierung in
Arbeitsruhelage.
Fig. 5 zeigt eine Skizze einer alternativen Elektroden-Strukturgestaltung in
Produktionslage vor der Annäherung der Elektroden 5.
Fig. 6 zeigt die Struktur aus Fig. 5 nach der Positionierung in die Arbeitsruhelage und mit angenäherten Elektroden 5. Fig. 6a zeigt eine Alternative mit umgekehrter
Lageänderung in der Arbeitsruhelage nach der Positionierung.
Fig. 7 zeigt eine mögliche einstufige irreversible Einrasteinrichtung vor der Positionierung in die Arbeitsruhelage
Fig. 8 zeigt eine die Einrasteinrichtung aus Fig. 7 nach der Positionierung Fig. 9 zeigt eine mögliche mehrstufige zumindest temporär irreversible Einrasteinrichtung in Produktionslage vor der Positionierung.
Fig. 10 zeigt die mehrstufige Einrasteinrichtung aus Fig. 9 in zweiter Einrastposition und mit gespannter Gegenfeder 6.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in Fig. 1 gezeigte kammartige Strukturierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist nach einem typischerweise verwendeten reaktiven trockenen lonentiefätzen bestimmte Abstände 4 und eine bestimmte Tiefe 19 auf, woraus ein bestimmtes Aspektverhältnis (Strukturtiefe zu Strukturabstand) vorgegeben ist. Idealerweise wird durch die Ätzmasken eine Grabenbreite hergestellt, die einen guten Kompromiss zwischen Ätzdauer und ätzbedingten Flächenverlust darstellt.
Die Vorrichtung 1 besteht hier aus zwei Komponenten 2, 3 die miteinander verzahnte Zungen besitzen. Die Oberflächen dieser Zungen weisen Erhebungen auf. Diese
Erhebungen sind durch Design und Maskenlithografie bestimmt. Die Technologie-bedingte minimale Ätzbreite für die gewünschte Ätztiefe 19 kann hier auch als eine größere
Grabenbreite 4 eingestellt sein. Hier sind beispielhaft drei Erhebungen je Zunge gezeigt. Die Erhebungen benachbarter Zungen sind einander gegenüber versetzt angeordnet, wobei eine Zunge zu Komponente 2 und die andere zu Komponente 3 gehört. Komponente 2 ist hier das freigestellte Strukturteil. Komponente 3 kann ebenfalls ein freigestelltes Strukturteil sein, oder aber ein Umgebungsteil, der beispielsweise mit einem Gehäuse fest verbunden ist. Durch die Freistellung können die Teile 2, 3 relativ zueinander bewegt werden. Wird der Strukturteil 2 in Fig. 1 nach unten in Richtung 9 bewegt, so gelangen die Erhebungen auf den gegenüberliegenden Zungen in eine antiparallele oder gespiegelte Lage. Das Ergebnis ist in Fig. 2 skizziert. Die geringen Abstände 4 verändern sich einerseits zu größeren Abständen 8 und andererseits zu kleineren Abständen 7. Dies ist in den Schnittbildern Fig. 1 a und Fig. 2a noch deutlicher erkennbar. Da die Oberflächen dieser Zungen, insbesondere der Erhebungen derart gestaltet sind, dass sie Ladungsträger tragen können, entstehen Kapazitätsflächen. Zuleitung zur Aufbringung oder Abfuhr von Ladungsträger oder
Messleitungen zur Erfassung des Potentialunterschiedes sind vorgesehen (hier nicht gezeigt). Die Potential-Flächen 5 sind im Wesentlichen in der Ausgangsposition (nach dem Ätzprozess) gemäß Fig. 1 , 1a für die Erhebungen und Ausnehmungen im gleichen Abstand voneinander. Dadurch entsteht näherungsweise eine Kapazität, die proportional zur Fläche gegenüber befindlicher Elektrodenflächen A 5 ist und indirekt proportional zum Abstand d 4.
C = prop. A/d (1.1 ) Formel 1.1. spiegelt den Zusammenhang vor der Bewegung dar. Genaugenommen sind es im vorliegenden Beispiel zwei mal sechs Teilflächen Ai, wobei die Summe dieser Flächen die Gesamtkapazität Cv bestimmt.
Cv = prop. 12A^d (1.2)
Durch die Bewegung in Richtung 9 gemäß Fig. 2 um einen Weg ändert sich eine Teil- Kapazität in vorteilhafter Weise zu Ci>Cv aufgrund der Annäherung um di, die der
Erhebungshöhe entspricht.
C, = prop. Ai/fd-di) (2.1 )
Eine andere Teil- Kapazität ändert sich jedoch in nachteilhafter Weise zu C2<CV
C2 = prop. Ai/fd+di) (2.2)
Die Summe ist im Beispiel hier nach der Ortsveränderung des Strukturteiles:
Cn = prop. (6Ai/(d-di) + 4A1/(d+d1) (2.3)
In Fig.1 und Fig.2 wird di = d/2. Es folgt eine vergrößerte Kapazität von:
Cno.5 = prop. (12A!/d + 8/3Ai/d) = prop. 14,66 Ai/d (2.4)
Somit erhält man hier über 22% (Cno.5/Cv =14,66/12) Erhöhung der Kapazität bei einer Halbierung des Abstandes einzelner Elektrodenabstände, wie hier gezeigt. Bei fünf
Erhebungen auf jeweils zwei Zungen ergäben sich bei gleichen Dimensionierungen über 26% und bei 10 Erhebungen auf zwei Zungen bereits 30%, bei 100 Erhebungen auf zwei Zungen theoretisch 33%.
Höhere Erhebungen mit 90% der Größe im Vergleich zum Abstand 4 ergäben beispielsweise fünfmal so hohe Gesamtkapazitäten.
Co.1 = prop. (6^/(0, 1 d) + 4A1/(1 ,1 d) (2.5)
C„o.i = prop. (öOAi/d) + 40/11 A^d) = prop. 63,63 A^d (2.6)
Somit erhält man hier über 500%
Figure imgf000019_0001
Erhöhung der Kapazität, wenn der Abstand einzelner Elektrodenabstände auf ein Zehntel reduziert wird. Dies ist in Fig. 1 bzw. Fig. 2 nicht dargestellt. In der Ziellage entsprechend Fig. 2 des Strukturteiles 2 und des weiteren Teiles, auch Umgebungsteiles 3, wird die Richtung 9 oder die Gegenrichtung für Bewegungen gesperrt oder stark eingeschränkt, eine Beweglichkeit in dazu senkrechten Richtungen 10 bleibt aber insbesondere für Sensoren oder Aktuatoren weitestgehend erhalten.
Neben der oben genannten Kapazitätserhöhung aus dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es im Ergebnis für das Produkt auch zu einer Sensitivitätserhöhung. Da die Änderung delta C über die Distanzänderung delta d in der Ableitung der Funktion quadratisch eingeht, steigert sich die Sensitivität ebenso quadratisch. Im Beispiel aus Fig. 2 ist die Sensitivität gegenüber Fig. 1 um beinahe 50% größer. Bei einer Struktur mit Abstandsreduzierung auf 1/10 wäre die theoretische Sensitivitätssteigerung mehr als das 25-fache (!) gegenüber dem Stand der Technik. So kann ein Verstärker mit Faktor 25 eingespart werden, oder der Verstärkungsfaktor reduziert werden. Wesentlich kleinere Sensoren können somit die gleiche Sensorleistung liefern. Der Stromverbrauch von Aktuatoren lässt sich ebenfalls reduzieren.
Fig. 3 zeigt die Mikrostruktur von Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform. Die
Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, dass das Umgebungsteil 3 an zwei Seiten des freigestellten Teiles vorhanden ist. Dadurch wird die erforderliche Länge der Zungen je Fläche des Halbleiter-Grundmaterials (z.B. Siliziums) verringert, wodurch günstigere mechanische Eigenschaften resultieren.
Die Bewegung des zentral liegenden Strukturteiles 2 nach der Ätzproduktion erfolgt wieder in Richtung 9 relativ zu den Umgebungsteilen 3 in die Lage gemäß Fig. 4. Wieder werden Erhebungen an den verschränkten Zungen aus einer Asymmetrielage in eine Symmetrielage übergeführt, und danach entsprechend eingerastet. Die Rastelemente sind in Fig. 1 - 6 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. In Fig. 7 - 10 sind einfache Beispiele skizziert.
Auch bei dieser Ausführungsform in Fig. 3, bzw. Fig. 4 ist eine unidirektionale Richtung 9 für die Annäherung der Elektrodenflächen vorgesehen und eine vorzugsweise bidirektionale Richtung 10 für die Wandlerfunktion.
Alternative Strukturen zu Fig. 1 - 4 sind in Fig. 5 und Fig. 6 zu sehen. Die Strukturierung in Fig. 5 ist treppenartig ausgeführt. Durch die Bewegung in Richtung 9, oder auch durch gleichzeitige Bewegung beider Teile 2, 3 zueinander in Richtungen 9, 9', nähern sich die einander gegenüber liegenden Elektrodenflächen. Das Ergebnis in Fig. 6 zeigt die zusammengebrachten Teile 2, 3 in der Arbeitsruhelage. Der prozessbedingte Abstand 4 der gegeneinander gerichteten treppenartig profilierten Zungen wird durch die
Zusammenführung in Richtung 9 auf einen Abstand 7 angenähert. Nach der Arretierung der Beweglichkeit in Richtung 9 bleibt die Beweglichkeit in Richtung 10 für die Funktion des Wandlers hinreichend erhalten. Das Teil 3 ist hier zur besseren Unterscheidung vom Teil 2 schraffiert gezeichnet. Die fünf Stufen der beiden schrägen Zungen sind in Fig. 6 zur Ruhelage mit einer Kapazität von
C = prop. A/d (6.1 ) geführt. Die Ausgangskapazität nach dem Ätzprozess ist wesentlich durch die
Treppenkanten bestimmt, die die Ladungsträger mit unterschiedlicher Polarität am nächsten zueinander bringen. In einer ersten Näherung kann man ca. die Zungenlänge mal der Zungenbreite gleich der Bauteiltiefe t als wirksame Kondensatorfläche Aw ansetzen, der wirksame Kondensatorabstand dw ist ein Wert, der zwischen dem Abstand der Kanten und der Ätzbreite liegt, in einer ersten Abschätzung kann die halbe Diagonale zwischen den den Graben begrenzenden Elektrodenflächen angenommen werden:
Cvi = prop. (10*d/sqrt2 * t) / (d/sqrt2) = prop. 10*Ai/d (5.1 )
Also ist in erster Näherung die Kapazität eines Zungenpaares vor der Annäherung proportional zur Summe aller Stufenflächen und indirekt proportional zum Abstand. Dieser Wert entspricht also in erster Näherung dem Wert wie er aus dem Stand der Technik erreichbar ist.
Die Kapazität nach einer Änderung auf beispielsweise einen Abstand, der 1/10 des
Produktionsabstandes ist, ergibt
Cni_o.i = prop. (10^/(0.1 d) = prop. 100*Ai/d = Cv*10 (6.2)
Die Kapazität beträgt hier das lOfache, also eine doppelt so hohe Wertsteigerung wie in den Beispielen aus Fig. 1 bis Fig. 4.
Die Sensitivitätsänderung ist hier jedoch komplexer, da hier die Stiegenflächen parallel zur langen Seite des Skizzenblattes eine Abstandsänderung und parallel zur kurzen Seite des Skizzenblattes eine Flächenänderung erfahren.
Anhand von einem weiteren Beispiel in Fig. 6a soll der Vorteil für die Dämpfung erläutert werden. Nach der Positionierung in die Nahelage der Teile durch das gegenständliche Verfahren in Richtung 9 bzw. 9 und 9' wird eine weitere Bewegung für diese Richtung durch geeignete Maßnahmen arretiert, die Beweglichkeit in Richtung der Fühlachse 10 (hier orthogonal zur Positionierrichtung) bleibt jedoch innerhalb des verbleibenden Freiraumes erhalten. Man sieht hier, dass auch eine Auswärtsbewegung zu einer inneren Annäherung der Sensorflächen führen kann. Die Elektrodenflächen begrenzen im Wesentlichen kommunizierende Räume, die z.B. mit Gas, gewöhnlich mit Luft, entsprechend dem
Umgebungsluftdruck gefüllt sind. Eine Raumart Vi ist begrenzt durch die hier vertikal gezeichneten Überlappungsflächen der Überlappungslänge I, 23, die zweite Raumart V2 ist begrenzt durch die Überlappungsfläche der Länge g, 24. Die Grabenabstände entlang dieser Überlappungslängen I, g sind bei 23 stufenbedingt kleiner als bei 24.
Die Grabentiefe ist konstant. Somit ist das komprimierbare/verdrängbare Volumen Vi
Figure imgf000022_0001
wenn t die Tiefe ist, I der Überlappungsbereich 23 und s-i der Abstand der
Überlappungsflächen.
V2 = ~ t*g*s2 (6a.2)
Für V2 gilt ähnliches mit der Seitenfläche t*g und dem Abstand s2. Durch die
Größenbestimmung von L und g kann ein direkter Einfluss auf die Raumverhältnisse genommen \ :ν2 genommen werden. l+g=L (6a.3) somit wird
V2 = ~ t*(L-l)*s2 (6a.4)
Die Stufenbreite entspricht der Tiefe t des Bauteiles, L ist die Länge der Stufen und die Höhe H der Stufen resultiert aus der Abstandsdifferenz:
H= s2-S! (6a.5) somit wird
V2 = ~ t*(L-l)*(H+s1) (6a.6)
In der Arbeitsposition werden sowohl Vi als auch V2 räumlich variiert. Lässt man eine Änderung um z. B. s-i/2 zu, so wird das Volumen Vi halbiert. Die Luftmenge muss folglich entsprechend komprimiert und verdrängt werden. V2 hat jedoch einen konstant bleibenden Anteil und einen variablen Teil
V2= ~ t*(L-l)*H + t*(L-l)*Si (6a.7) Zur Vereinfachung der Erläuterung sei angenommen, dass L-l den gleichen Abstand wie s-i hat und H sowie L dreimal so groß wie Si ist. Dann ist das Volumen V2v vor der
Komprimierung:
V2v= ~ t*(Si)*3s., + t*(Si)*Si = ~ 4t*(s.,)2 (6a.8) und danach
V2n= ~ 3.5 t*(Sl)2 (6a.9)
Die relative Änderung des zweiten Volumens ist hier 12,5%. Für V! gilt
V1v = ~ 2*t*S! 2 (6a.10)
Vm = ~ t*Sl 2 (6a.11 )
Die Druckänderung für das Gas-Volumen in V2n ist somit geringer als für das Volumen V1 n und somit wird durch den Druckausgleich auch die Gesamtdruckänderung vorteilhaft reduziert. Somit ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik reduzierte Dämpfung.
Nichtlinearitäten in den Kapazitätsänderungen können durch differentielle Anordnungen, z.B. wie in Fig. 4 gezeigt, gut linearisiert werden, wobei der untere Teil gespiegelt sein muss.
In der Grundausfertigung kann man zum Beispiel 250μηι tiefätzen (mit dem Aspektverhältnis 1 :20) und dann die Teile zueinander verschieben, bis 500 nm Abstand zwischen den
Elektroden erreicht ist. Daraus würde ein Aspektverhältnis von 500 (!) folgen.
Zur Fixierung der Teile muss die Schaltung Arretiereinrichtungen wie beschrieben aufweisen. Zwei Beispiele solcher Einrichtungen sind in Fig. 7 - 10 skizziert.
Fig. 7 zeigt eine Rastfalle 11 in der während des Prozesses gebildeten Ausführung mit Einrastelementen 14 in Form von Haken mit Federn, die Haken sind in Bewegungsrichtung angeschrägt. Dadurch gleiten sie unter Wegdrücken der seitlichen Federn an den
Gegenhaken vorbei und werden wieder nach dem Haken durch die Federspannung zurückgestellt. Zusätzliche Biegefedern 6 spannen die Rasteinrichtung und drücken die Haken gegeneinander, wobei die berührende Seite hier keine Schrägkante hat. Die
Bewegung der Teile 12 und 13 geht unidirektional nur auseinander bis zu einer Endposition wie in Fig. 8. Die Teile 12 und 13 sind in der erfindungsgemäßen Einrichtung mit den Strukturteilen 2, 3 jeweils starr verbunden bzw. in diesen Teilen ausgebildet. Eine Beweglichkeit entlang der Richtung 10 wird durch die Einrichtung in gewissen Grenzen beibehalten.
Das Verwenden mehrerer Einraststufen liefert eine Möglichkeit, eine Sollkapazität stufig einzustellen und zu fixieren. Die Fig.9 und 10 illustrieren eine mögliche Rastklinke, die eine Einrasteinrichtung 15 mit mehreren Ruhepositionen darstellt und Zähne mit
unterschiedlichen Flanken 16 nutzt. Die Zahnstange bewegt sich gegen den Biegebalken, Bolzen 17 mit angeschrägtem Ende, durch die orthogonal zu Bewegungsrichtung gestalteten Rückseiten der Zähne und des Balken, bzw. Bolzen wird die jeweilige Position fixiert. Eine Lösung der Arretierung kann nur durch Querbewegungen, oder Kräfte quer auf die
Bewegungsrichtung der Zahnstange erfolgen, zum Beispiel durch eine Bewegung des Balkens oder Bolzens in Richtung 18.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Mikroelektromechanische Vorrichtung, MEMS-Wandler(teil)
2 (freigestelltes) Strukturteil
3 (verbleibendes) Umgebungsteil (Ausschnitt) bzw. zweites Strukturteil
4 minimale aufgrund der Strukturtiefe produktionstechnisch bedingte oder dazu gewählte größere Trenngrabenbreite (4')
5 kapazitive Elektroden(oberfläche)
6 biege-elastische Verbindung
7 reduzierter Abstand aufgrund der geänderten relativen (hier z.B. lateralen)
Strukturposition
7' reduzierter Abstand aufgrund der Bewegung zweier Grenzflächen aufeinander zu
8 vergrößerter Abstand aufgrund der geänderten relativen (hier z.B. lateralen)
Strukturposition
8' vergrößerter Abstand aufgrund der Bewegung zweier Grenzflächen voneinander weg
9 Richtung einer dauerhaften oder irreversiblen Veränderung der Position (lateral, axial oder tangential (insbesondere für Drehbewegungen); auch gegensinnige Bewegung (9')
10 optionale Fühl-Richtung oder optional forcierte Aktuatorbewegungsrichtung (linear mit lateralem Bewegungsspielraum, zirkulär bei Drehwinkel-Spielraum, oder blockiert ohne Bewegungsspielraum)
11 Fixierungseinrichtung (Rastfalle)
12 mit 2 (3) in stabiler Verbindung befindlicher oder gebildeter Teil von 11 13 mit 3 (2) in stabiler Verbindung befindlicher oder gebildeter Teil von 11
14 Einrast-Elemente mit Federn und Haken
15 Fixierungsvorrichtung mit mehreren Einrastpositionen
16 Erhebungen insbesondere Zähne mit unterschiedlichen Flankensteilheiten
17 Arretierungszunge, (auch Sperrbolzen oder Sperrbalken)
18 Richtung für eine (optionale Entriegelung)
19 Strukturtiefe
20 Trenngraben innerhalb eines Abschnittes
21 Trenngrabenwände
22 abstandsreduzierender Weg für bestimmte Rastposition
23 Überlappungsbreite der Kompressionskapazität in der Arbeitsposition
24 Überlappungsbreite der Scherkapazität in der Arbeitsposition
A-A" Schnitt 1
B-B" Schnitt 2
Die Erfindung wird insbesondere durch die Ansprüche definiert. Spezifische
Ausführungsformen sowie Weiterbildungen davon werden nachstehend aufgeführt.
Unter anderem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
mikroelektromechanischen Vorrichtungen (1) mit hohem Aspektverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• zumindest ein Strukturteil (2) eines Siliziumwafers oder eines Halbleiterbauteiles mit einer im Verhältnis zur Flächenausdehnung geringen Dicke wird durch chemische und/oder physikalische Materialabtragung mit technologiebedingtem
Aspektverhältnis gegenüber einem Umgebungsteil (3) oder einem weiteren
Strukturteil freigestellt, wobei biege-elastische Verbindungen (6) zwischen dem Strukturteil (2) und seinem umgebenden Material verbleiben können,
• es erfolgt ein Verfahrensschritt zur Verringerung des Abstandes (4 nach 7 )
zwischen zumindest zwei einander gegenüberliegenden und vorzugsweise als kapazitive Elektroden (5) ausgebildeten Wand-Abschnitten der Abtragungs- Trenngräben (20) durch mechanische relative überwiegend laterale Positions- oder Orientierungs-Änderung des freigestellten Strukturteiles (2) gegenüber dem
Umgebungsteil (3) oder einem weiteren Strukturteil der Halbleiterfläche mithilfe von inneren und/oder äußeren Vorrichtungen, die eine Kraftwirkung oder ein
Drehmoment auf zumindest eines der voneinander separierten Teile (2, 3) ausüben beziehungsweise übertragen,
• nach der Verringerung des Abstandes (4) in einem bestimmten
Trenngrabenabschnitt (20) wird zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) dauerhaft oder irreversibel durch eine Vorrichtung (12, 15) gegen eine Zunahme des
Abstandes (7) der einander angenäherten Wand-Abschnitte gesichert. In einem solchen Verfahren kann für die Herstellung der Strukturteile (2,3) ein CMOS
Prozess oder ein BiCMOS Prozess verwendet werden.
Die Kraftwirkung oder das Drehmoment kann durch direkte Ankopplung mindestens eines Aktuators verursacht werden, vorzugsweise zumindest eines Tasters mit elastischer Kappe hoher Reibung, wobei der oder die Taster nach Aufsetzen auf zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) und gleichzeitiger Fixierung des Umgebungsteiles (3) das Strukturteil (2) oder mehrere solcher Teile - oder umgekehrt, das Umgebungsteil (3) bei gleichzeitiger Fixierung zumindest eines freigestellte Strukturteiles (2) - das Umgebungsteil (3) - direkt in die
Richtung (9) der Sollposition beziehungsweise Sollorientierung je nach Erfordernis zieht oder dreht.
Alternativ dazu kann die Kraftwirkung oder das Drehmoment durch Nutzung der Trägheit zumindest eines Strukturteiles (2) erfolgen, wobei vorzugsweise die
mikroelektromechanische Vorrichtung (1) kurzzeitig in Gegenrichtung zur Richtung (9) für die Positionierung oder zur Drehrichtung (9) für die Orientierung beschleunigt oder
winkelbeschleunigt wird.
Alternativ kann die Kraftwirkung auch durch Nutzung der Fliehkraft verursacht werden, wobei vorzugsweise die mikroelektromechanische Vorrichtung (1) in Rotation versetzt wird, und die Anordnung der freigestellten Strukturteile (2) so erfolgt, dass die radial wirkenden Kräfte die erforderlichen Bewegungen oder Drehungen diese Teile (2) in die Sollposition oder
Sollorientierung fördern.
Sie kann aber auch durch einen elastischen Stoß von außen erzeugt werden.
Bei einer anderen Alternative wird die Kraftwirkung oder das Drehmoment durch das
Anlegen einer elektrischen Spannung an die an den Trenngrabenwänden (21) vorgesehen Elektroden (5) über das sich bildende elektrische Feld ausgelöst, vorzugsweise über gesonderte Zuführungsleitungen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch Kombinationen verschiedener
Einrichtungen der beschriebenen Arten zur Bildung der Kraftwirkung oder des
Drehmomentes eingesetzt werden. Die Kraftwirkung oder das Drehmoment können dabei zusätzlich auch gegen Federkräfte insbesondere gegen Federkräfte von elastischen
Verbindungen (6) erfolgen.
Beim Verfahren gemäß Anspruch 9 kann weiterhin durch die Kraftwirkung oder das
Drehmoment zumindest ein Biegebalken (6, 17), der zumindest an einer Wand der
Trenngrabenwände (21) vorgesehen ist, so stark gegen zumindest eine Erhebung (16) auf der Gegenwand gedrückt und verbogen wird, bis aufgrund des Berührungswinkels und der zusätzlichen Federkraft die zwischen Biegebalken und Erhebung wirkende Haftreibung überwunden wird und der Balken (17) in eine weitere Position hinter der Erhebung (16) springt.
Dabei kann die Anordnung von Biegebalken (17) und Erhebung (16) beispielsweise so erfolgen, dass eine unidirektionale Beweglichkeit entsteht, die nur eine Veränderung, vorzugsweise eine Verringerung eines betrachteten Trenngrabenabschnittes (20) erlaubt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren einer der beiden zuletzt genannten Arten können mehrere Einrastpositionen an einer Fixiereinrichtung (15) vorgesehen sein, wobei während des Positionier-Verfahrens eine Position aus den unterschiedlichen Sollpositionen in einem Schritt oder mehreren Schritten angesteuert wird, um bestimmte Wandler-Eigenschaften einzustellen.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt einen mikroelektromechanischen Wandler (1) mit gegenüber einem Umgebungsteil (3) mindestens einem zumindest teilweise
freigestelltem vorzugsweise über elastische Verbindungen gehaltenem Strukturteil (2) und Elektroden (5) an gegenüberliegenden vorzugsweise mäanderartig oder zickzackförmig oder geschlungen oder hin- und her verlaufenden vorzugsweise parallelen Trenngrabenwänden (21), die abschnittsweise zwischen zumindest zwei solcher separierten Teile (2, 3)
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wandler (1)
• ein Aspektverhältnis in der Arbeitsruheposition innerhalb eines Abschnittes des Trenngrabens (20) aufweist, das im Bereich von 15 bis 500, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 ist, insbesondere einen vorzugsweise über den Abschnitt möglichst konstanten Wert hat, der zumindest die 25fache Strukturtiefe (19) gegenüber der Trenngrabenbreite (7) ist, und
• eine Vorrichtung (11, 15) aufweist, welche zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) gegenüber einem weiteren Strukturteil (3) in einer Arbeitsruheposition oder Arbeitsruhe-Orientierung hält oder fixiert, wobei dabei die relative Lage und
Orientierung dieser aus einem Stück gefertigten separierten Strukturteile (2, 3) ungleich jener ist, die vor oder während der Herstellung des Trenngrabens bestand.
Dieser mikroelektromechanische Wandler (im Folgenden kurz: Wandler) kann
Trenngrabenabschnitte (20) aufweisen, die eine geringere Breite (7) als die
Durchschnittsbreite, vorzugsweise einen Bruchteil der Durchschnittsbreiten aller auf diesem Wandler (1) gefertigten Trenngräben in der Arbeitsruhelage aufweist.
Beim Wandler nach der Erfindung kann zumindest ein Biegebalken (17), zumindest an einer Wand der Trenngrabenwände (21), vorgesehen sein und zumindest eine Erhebung, vorzugsweise mit Zahnflanken (16), auf der Gegenwand vorgesehen sein, wobei die
Federsteifigkeit des Biegebalken (17) und die Gleitreibung zwischen der Biegebalkenoberfläche und der Oberfläche der Erhebung eine erhöhte Arbeit zur
Überwindung des Überganges erfordern.
Beim erfindungsgemäßen Wandler (1) können ein Stellelement auf einem Gelenk oder Drehlager oder ein Biegebalken (17) und zumindest eine Erhebung (16) ratschenartig, vorzugsweise als Sperrklinke, angeordnet sein, oder vorzugsweise eine mechanische Beschränkung des Stellelementes in einer Richtung oder des Biegeweges des Biegebalkens als Sperrelement vorgesehen sein, wozu die Orientierung des Stellelementes oder des Biegebalkens in Kombination mit der Form der Erhebung, die vorzugsweise asymmetrisch gezahnt ist, in einer Richtung gleitfähige und in einer anderen Richtung nicht gleitfähige Anstellwinkel zur Blockierung besitzt.
Ferner können beim erfindungsgemäßen Wandler (1) mehrere Einrastpositionen an der Arretierungsvorrichtung vorgesehen sein, die zumindest einen Strukturteil (2) gegenüber einen anderen Strukturteil oder dem Umgebungsteil (3) entweder dauerhaft jedoch lösbar oder irreversibel in einer Naheposition der Elektroden (5) stabilisiert.
Der erfindungsgemäße Wandler einer der beschriebenen Arten kann ein Sensor für Weg, Beschleunigung, Kraft, Schwingung, Geschwindigkeit, Drehrate, Druck oder Drehmoment, oder ein Aktuator in Form eines Mikromotors für lineare oder eines Mikromotors für rotierende Bewegung, oder eines Schwingungserzeugers (Vibrators), einer Mikropumpe, eines Mikro-Antriebes vorzugsweise für Lichtmodulatoren an Spiegel(arrays)), oder eines mechanischer Mikro-Schalter oder eines Relais sein.
Der Wandler kann Bestandteil einer integrierten Mikroelektronikschaltung sein.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung unter anderem folgende Aspekte:
A. Verfahren zur Herstellung mikroelektromechanischen Vorrichtungen (1) mit hohem Aspektverhältnis, in dem zumindest ein Strukturteil (2) eines Siliziumwafers oder eines Halbleiterbauteiles mit einer im Verhältnis zur Flächenausdehnung geringen Dicke durch chemische Materialabtragung vorzugsweise reaktives lonentiefätzen (Deep Reactive lonic Etching, DRIE) und/oder physikalische Materialabtragung mit technologiebedingtem Aspektverhältnis gegenüber einem Umgebungsteil (3) oder einem weiteren Strukturteil freigestellt wird, wobei biege-elastische Verbindungen (6) zwischen dem Strukturteil (2) und seinem umgebenden Material verbleiben können, die eine Relativbewegung der Teile (2,3) in zumindest einem Freiheitsgrad zulassen, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe von inneren und/oder äußeren Vorrichtungen eine Kraftwirkung und/oder ein Drehmoment auf zumindest eines der voneinander separierten Teile (2, 3) derart zur Verringerung des lokalen
Trenngraben-Abstandes (4 nach 7) ausgeübt beziehungsweise übertragen wird, dass die dadurch verursachte laterale und relative Bewegungs- und/oder
Drehrichtung (9) der Teile (2,3) zueinander, insbesondere die verursachte
Querbewegung oder Scherbewegung, überwiegend unabhängig von der
Orientierung jener Normalvektoren von zumindest Teilen gegenüberliegend und versetzt ausgebildeten Wand-Abschnitten der Abtragungs-Trenngräben (20)erfolgt, die als kapazitive Elektroden (5) in Form von Wanderhebungen ausgebildet sind, und dass bei Erreichen einer Zielposition mit einem reduziertem lokalen
Trenngraben-Abstand (7) zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) dauerhaft oder irreversibel durch eine Vorrichtung (12, 15) gegen eine Zunahme des Abstandes (7') beziehungsweise gegen eine Abnahme des Abstandes (8') gesichert wird, wodurch eine Bewegung in Achs- oder Drehrichtung (9) gehemmt wird.
B. Verfahren nach Aspekt A, bei dem die Kraftwirkung oder Drehmomentbildung zur relativen Positionsänderung beziehungsweise Orientierungsänderung aufgrund einer oder mehreren der folgenden Ursachen resultiert:
• Masseanziehung (Gravitation) zwischen der Erdmasse und der Masse zumindest eines freigestellten Strukturteiles (2) durch Orientierung zueinander,
• Kräfte zwischen elektrischen Ladungen (elektrischen Feld), vorzugsweise bewirkt durch einen hoch elektrisch geladener Körper der in Richtung jener Seite des zumindest einen mit Ladungen beaufschlagten Strukturteiles (2) positioniert wird, in welche das Strukturteil (2) oder die Strukturteile translatorisch gegenüber dem Umgebungsteil (3) zur Sollposition bewegt werden soll, oder wodurch ein
Drehmoment aufgrund einer geeignet angeordneten elastischen oder
torsionsfähigen Aufhängung des zumindest einen Strukturteiles (2) erzeugt wird, wodurch dieses in die Sollorientierungslage gedreht wird, oder durch Erzeugen dieser Kräfte durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die an den Trenngrabenwänden (21) vorgesehen Elektroden (5), vorzugsweise über gesonderte Zuführungsleitungen,
• Magnetische Kräfte durch Permanent- und/oder Elektromagnetismus
vorzugsweise durch die Wechselwirkung mit einem Feld aufgrund eines
Stromflusses durch zumindest eines der voneinander separierten Teile (2, 3) einerseits und dem magnetischen Feld aus einem externem
Permanentmagneten oder einem externen Elektromagneten andererseits,
• Längenänderung durch Elektro- oder Magnetostriktion von
Strukturverbindungsteilen,
• thermisch bedingte Längenänderung oder Verformungen aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungen von Materialstrukturen einer
entsprechenden Ausbildung zwischen den separierten Teilen (2, 3) zur relativen Orientierungs- und/oder Lageverschiebung aufgrund einer Temperaturänderung der Umgebung.
C. Verfahren nach Aspekt A, bei dem die Kraftwirkung oder das Drehmoment durch mechanische Energiezufuhr in einer Form oder mehreren Formen aus der Gruppe: Schwingungsanregung, Beschleunigung oder Winkelbeschleunigung gegen die Masseträgheit, Rotation zur Bildung von Fliehkräften, Impuls- oder
Drehimpulsübertragung erzielt wird, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung (1) von außen vorzugsweise über schwingende Systeme, vorzugsweise über Vibratoren zu Schwingungen angeregt wird, und/oder durch eine rotierende
Vorrichtung in Drehung versetzt wird, und/oder einen Impuls über einen Stoß erhält.
D. Verfahren nach einem der Aspekte A bis C, bei dem die Kraftwirkung durch innere Antriebsvorrichtungen, vorzugsweise
• elektrostatische Kammantriebe, oder
• durch Antriebe die magnetische Felder stromdurchflossener Leitungen nutzen, bewirkt wird, oder
der Weg durch Verformungen bewirkt wird, wobei zumindest zwei - insbesondere elastische - Verbindungen zum freigestellten Strukturteil (2) mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung bei Erwärmung, unterschiedlich in Betrag oder Richtung und mit Stromdurchfluss geheizt werden, vorzugsweise nach Betrag unterschiedlich aufgrund eines unterschiedlichen Querschnittes oder unterschiedlicher thermischer Verlustleistung.
E. Verfahren nach einem der Aspekte A bis D, bei dem die Fixierung oder Sicherung des freigestellten Teiles (2) nach der Positionierung oder Neuorientierung mechanisch mithilfe der Strukturierung von einfachen oder gestaffelten Rastfallen (11, 15) vorzugsweise unterstützt durch Rückstell-Federn erfolgt, oder
elektromechanisch durch Mikroaktuatoren erfolgt, oder aufgrund thermischer Deformierung von Strukturen, welche dadurch zumindest teilweise in die
Wegstrecke eingreifen, und wobei diese Strukturen zumindest die RückBewegungsfreiheit aufgrund von Blockierungsstrukturen vorzugsweise Sperr-Bolzen (17) oder federelastisch gelagerte Verzahnungen insbesondere solche mit unterschiedlichen Flanken stoppen.
F. Verfahren nach einem der Aspekte A bis E, bei dem durch zumindest eine
Maßnahme aus der Gruppe: gezieltes Verkleben, Verkeilen, Löten von Strukturen, oder Zerstören von Teilen davon, wobei die Strukturen oder Strukturteile zur Beweglichkeitserhaltung dienen, - wobei vorzugsweise für das Zerstören das thermische Schmelzen eines stromdurchflossenen Widerstandes genutzt wird- , und bei jeder dieser Maßnahmen die Beweglichkeit des freigestellten und positionierten Teiles (2) dauerhaft oder irreversibel zumindest in die Gegenrichtung zur Richtung (9) oder zur Drehrichtung aus der die Annäherung der separierten Teile (2, 3) erfolgt ist, unterbunden wird.
G. Mikroelektromechanischer Wandler (1) mit einer im Verhältnis zur
Flächenausdehnung geringen Dicke und mindestens einem gegenüber einem Umgebungsteil (3) zumindest teilweise freigestelltem vorzugsweise über elastische Verbindungen gehaltenem Strukturteil (2) welcher gegenüberliegende Elektroden (5) an vorzugsweise parallel verlaufenden Trenngrabenwänden (21) aufweist, die vorzugsweise mäanderartig oder zickzackförmig oder geschlungen oder hin- und her verlaufend sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wandler (1)
• ein Aspektverhältnis in der Arbeitsruheposition innerhalb eines Abschnittes des Trenngrabens (20) aufweist, das im Bereich von 15 bis 500, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 ist, insbesondere einen vorzugsweise über diesen Abschnitt möglichst konstanten Wert hat, der zumindest die 25fache Strukturtiefe (19) gegenüber der Trenngrabenbreite (7) ist, und
• eine kapazitive Wandler-Sensitivität innerhalb dieses Abschnittes aufweist, deren Richtung (10) zumindest näherungsweise normal auf die Tangentialflächen der gegenüberliegenden Trenngrabenwänden im betrachteten Abschnitt mit der Trenngrabenbreite (7) ist, und
• Mittel aufweist die geeignet sind, zumindest eine Bewegung eines freigestelltes Strukturteil (2) gegenüber einem weiteren Strukturteil (3) in einer Richtung (9) oder Drehrichtung dauerhaft oder permanent zu fixieren, und
• der Wandler für mindestens eine weitere, von Richtung (9) unabhängige
Richtung (10) eine Beweglichkeit zwischen den Strukturteilen (2,3) zulässt, wobei die relative Lage und Orientierung dieser aus einem Stück gefertigten separierten Strukturteile (2, 3) ungleich jener ist, die vor oder während der Herstellung des Trenngrabens bestand, und die verbleibenden Richtungen der Beweglichkeit ungleich jener sind, die vor der Positionierung und Aktivierung oder dem Einsatz der Mittel zur Fixierung bestand.
Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach Aspekt G, der
• zumindest eine innere Antriebsvorrichtung aus der Gruppe aufweist:
elektrostatische Kammantriebe, Piezo-Elemente, Antriebe die magnetische Felder stromdurchflossener Leitungen nutzen, Antriebe aufgrund von
Verformungen, aufgrund unterschiedlicher thermischen Ausdehnung aufgrund unterschiedlicher Form- und/oder Materialeigenschaft vorzugsweise bei
Stromdurchfluss erlangen, vorzugsweise Formänderungen von bestimmten Verbindungen zum freigestellten Strukturteil (2) oder als Wegdrückelemente vorzugsweise gekrümmte oder spiralförmige mit Hebelarm ausgebildete
Elemente, deren Weg zwischen Trenngrabenabschnitten (20) auf einer anderen Seite zu einem vergrößerten Abstand (8) verbreitert, wodurch die Abstände zwischen den Elektroden (5) auf der anderen Seite zum reduzierten Abstand (7) verringert werden, oder
• Unterstützungsvorrichtungen für externe Vorrichtungen zur Kraftwirkungs- oder Drehmoment-Übertragung aufweist, insbesondere thermisch veränderliche Elemente, magnetische Elemente oder besondere schwingfähige Aufhängungen oder torsionsfähige Rotationsachsen, oder Lager für gezieltes geradliniges Gleiten oder für Drehbewegungen von freigestellten Körpern. I. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G oder H, der biege-elastische Verbindungen (6) zwischen dem Strukturteil (2) und dem
Umgebungsteil (3) aufweist, die im Betriebszustand in gespannter Auslenkung sind.
J. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis I, bei dem das freigestellte Strukturteil (2) eingeschränkte Beweglichkeit in zwei voneinander unabhängige Richtungen (9, 10) aufweist, aufgrund der Formgebung eines
Strukturteiles (2) und des Umgebungsteiles (3) zueinander und/oder biegeelastischer Verbindungen (6), wobei der Weg Arretierungsvorrichtungen (11, 15) aufweist, die dauerhaft oder irreversibel die relative Bewegung des Strukturteiles (2) für Bewegung in einer Richtung (9) gegenüber dem Umgebungsteil (3) blockieren.
K. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis I, bei dem biege-elastische Verbindungen (6) derart zwischen dem Strukturteil (2) und dem Umgebungsteil (3) angeordnet sind, dass eine relative Verdrehung zwischen den Teilen (2, 3) in einem eingeschränkten Winkel ermöglicht ist, und
Fixierungselemente (11, 15) vorzugsweise in Form von Sperrklinken mit
Zahnflanken vorzugsweise nur eine Verdrehung in einer Drehrichtung (9) aufgrund asymmetrischer Zahnflanken ermöglicht.
L. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis K, der zumindest einen Keil, eine Klebe- und/oder eine Lötstelle aufweist, die der
Arretierung der Beweglichkeit der Strukturteile (2,3) relativ zueinander in der Richtung (9) oder Drehrichtung zu Strukturteilpositionierung in die
Arbeitsruheposition dient.
M. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis K, der einfache oder gestaffelte Rastfallen (11 , 15) aufweist, vorzugsweise gebildet aus Federn mit Haken und Widerhaken (14), wobei zumindest jeweils eine der Federn mit Haken (14) an jeweils einem der separierten Teile (2, 3) der Struktur ausgebildet ist, und wobei nach der Verhakung ein Freiheitsgrad vorzugsweise aufgrund der Ausführung von biegebalkenartiger Zuführung der Haken oder aufgrund
unabhängiger Federbalkenlagerung für die aktuatorische oder sensorische
Bewegung oder Drehung vorzugsweise in einer zur Verhakungsrichtung (9) unabhängigen Richtung (10) oder Drehrichtung erhalten bleibt.
N. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis K, der mechanische Stellglieder, vorzugsweise in Form von Mikroriegeln,
elektromechanische Mikroaktuatoren oder thermische veränderliche Strukturen, aufweist, welche Blockierungsstrukturen vorzugsweise Schiebe-Bolzen in die quer zu den Bewegungspfaden des freigestellten und positionierten oder re-orientierten Strukturteiles (2) einbringen.
O. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Aspekte G bis N, der zumindest ein Einzelbauteil oder mindestens eine Komponente einer integrierten Schaltung aus den drei Bauelementen • Sensor für eine oder mehrere der Größen aus der Gruppe: Weg,
Beschleunigung, Kraft, Schwingung, Geschwindigkeit, Drehrate, Druck und Drehmoment, oder
• Aktuator in Form einer der Vorrichtungen der Gruppe: Mikromotor für lineare Bewegung, Mikromotor für eine rotierende Bewegung, Schwingungserzeuger (Vibrator), Mikropumpe, Mikro-Antrieb vorzugsweise für Lichtmodulatoren an Spiegel(arrays)), mechanischer Mikro-Schalter und Relais oder
• einstellbarer Kondensator ist.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung mikroelektromechanischer Vorrichtungen (1) mit hohem
Aspektverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• zumindest ein Strukturteil (2) eines Siliziumwafers oder eines Halbleiterbauteiles mit einer im Verhältnis zur Flächenausdehnung geringen Dicke wird durch chemische und/oder physikalische Materialabtragung mit technologiebedingtem Aspektverhältnis gegenüber einem Umgebungsteil (3) oder einem weiteren Strukturteil (3) durch die Ausbildung von Abtragungs-Trenngräben (20) freigestellt, wobei biege-elastische Verbindungen (6) zwischen dem Strukturteil (2) und seinem umgebenden Material verbleiben können,
• es erfolgt ein Verfahrensschritt zur Verringerung des Abstandes (4 nach 7) zwischen zumindest zwei einander gegenüberliegenden und vorzugsweise als kapazitive Elektroden (5) ausgebildeten Wand-Abschnitten der Abtragungs-Trenngräben (20) durch mechanische relative überwiegend laterale Positions- oder Orientierungs- Änderung des freigestellten Strukturteiles (2) gegenüber dem Umgebungsteil (3) oder einem der weiteren Strukturteile (3) einer Halbleiterfläche mithilfe von inneren und/oder äußeren Einrichtungen, die eine Kraftwirkung oder ein Drehmoment auf zumindest eines der voneinander separierten Teile (2, 3) ausüben beziehungsweise übertragen,
• nach der Verringerung des Abstandes (4 nach 7) in einem bestimmten
Trenngrabenabschnitt (20) wird zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) dauerhaft oder irreversibel durch eine Einrichtung (12, 15) gegen eine Zunahme eines Abstandes (7'nach 4') der einander angenäherten Wand-Abschnitte gesichert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die zumindest zwei einander gegenüberliegenden und vorzugsweise als kapazitive Elektroden (5) ausgebildeten Wand-Abschnitte der Abtragungs-Trenngräben (20) Erhebungen aufweisen und bei dem Verfahrensschritt zur Verringerung des Abstandes (4 nach 7) Erhebungen der gegenüberliegenden Wand- Abschnitte in eine antiparallele oder gespiegelte Lage gelangen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Abstände (4) von einander gegenüberliegenden Wand-Abschnitten der Abtragungs-Trenngräben (20), welche jeweils zwischen den Erhebungen angeordnet sind, bei dem Verfahrensschritt zur Verringerung des
Abstandes (4 nach 7) zwischen den Erhebungen zu größeren Abständen (8) verändert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Verbesserung von Dämpfungseigenschaften mikroelektromechanischer Vorrichtungen (1) ein bestimmtes Verhältnis von
Flächengrößen der zwischen den Erhebungen angeordneten Wand-Abschnitte der Abtragungs-Trenngräben (20) zu Flächengrößen der Erhebungen gewählt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zur Materialabtragung ein Ätzverfahren, vorzugsweise ein Trockenätzprozess, insbesondere reaktives lonenätzen, vorzugsweise reaktives lonentiefätzen (Deep Reactive lonic Etching, DRIE) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Kraftwirkung oder Drehmomentbildung zur relativen Positionsänderung beziehungsweise
Orientierungsänderung erfolgt aufgrund
- eines äußeren Gravitationsfeldes, vorzugsweise durch die Kraftwirkung der
Erdgravition auf die Masse des zumindest einen freigestellten Strukturteiles (2) bei Fixierung des Umgebungsteiles (3), oder umgekehrt auf die Masse des
Umgebungsteiles (3) bei Fixierung des mindestens einen Strukturteiles (2), oder
- eines äußeren elektrischen Feldes, vorzugsweise gebildet durch einen hoch elektrisch geladenen Körper, der in Richtung jener Seite des zumindest einen Strukturteiles (2) positioniert wird, in welche das zumindest eine Strukturteil (2) translatorisch gegenüber dem Umgebungsteil (3) zur Sollposition bewegt werden soll, oder wodurch ein
Drehmoment aufgrund einer geeignet angeordneten elastischen oder torsionsfähigen Aufhängung des zumindest einen Strukturteiles (2) erzeugt wird, wodurch dieses und etwaige weitere Strukturteile in die Sollorientierungslage gedreht werden, oder
- eines äußeren magnetischen Feldes, vorzugsweise durch die Wechselwirkung mit einem Feld aufgrund eines Stromflusses durch zumindest eines der voneinander separierten Teile (2, 3) einerseits und dem magnetischen Feld aus einem externem Permanentmagneten oder einem externen Elektromagneten andererseits,
- einer Temperaturänderung der Umgebung, welche Verformungen aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungen oder Kälte-Zusammenziehungen einer entsprechenden Ausbildung der biege-elastischen Verbindungen (6) bewirkt, oder
- einer Längenänderung durch Elektro- oder Magnetostriktion von
Strukturverbindungsteilen, insbesondere der biege-elastischen Verbindungen (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kraftwirkung oder das Drehmoment durch Nutzung von Schwingung und Resonanz, wobei die
mikroelektromechanische Vorrichtung (1) von außen vorzugsweise über schwingende Systeme, vorzugsweise über Vibratoren zu Schwingungen angeregt wird, welche zumindest ein freigestelltes Strukturteil (2) insbesondere mithilfe der biege-elastischen Verbindungen (6) zu Resonanzschwingungen anregen, die Relativbewegungen des zumindest einen freigelegten Strukturteiles (2) gegenüber der Reststruktur verursacht. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
- die Kraftwirkung durch innere Antriebsvorrichtungen bewirkt wird, vorzugsweise durch elektrostatische Kammantriebe oder durch Antriebe, die magnetische Felder stromdurchflossener Leitungen nutzen, oder
- der Weg durch Verformungen bewirkt wird, wobei zumindest zwei - insbesondere elastische - Verbindungen zum freigestellten Strukturteil (2) mit in Betrag oder Richtung unterschiedlicher Wärmeausdehnung bei Erwärmung mit Stromdurchfluss geheizt werden, wobei die Wärmeausdehnung vorzugsweise unterschiedlich nach Betrag aufgrund eines unterschiedlichen Querschnittes oder unterschiedlicher thermischer Verlustleistung ist, oder
- der Weg durch Verformungen von separaten Strukturen bewirkt wird, die bei
Stromdurchgang aufgrund ihrer thermisch bedingten Verformung das freigestellte Strukturteil (2) wegdrücken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Fixierung oder Sicherung des freigestellten Teiles (2) nach der Positionierung oder Neuorientierung mechanisch mithilfe der Strukturierung von Rastfallen (11, 15), vorzugsweise unterstützt durch Rückstell-Federn, oder elektromechanisch durch Mikroaktuatoren, oder aufgrund thermischer Deformierung von Strukturen erfolgt, welche dadurch zumindest teilweise in die Wegstrecke eingreifen, und wobei die Strukturen zumindest die RückBewegungsfreiheit durch Blockierungsstrukturen, vorzugsweise Sperr-Bolzen (17) oder federelastisch gelagerte Verzahnungen, insbesondere solche mit unterschiedlichen Flanken, stoppen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das zumindest eine Maßnahme aus der Gruppe: gezieltes Verkleben, Verkeilen, Löten von Strukturen, oder Zerstören von Teilen davon, aufweist, wobei die Strukturen oder Strukturteile zur Beweglichkeitserhaltung dienen, - wobei vorzugsweise für das Zerstören das thermische Schmelzen eines stromdurchflossenen Widerstandes genutzt wird,- und bei jeder dieser Maßnahmen die Beweglichkeit des freigestellten und positionierten Teiles (2) dauerhaft oder irreversibel zumindest in die Gegenrichtung zur Richtung (9) oder zur Drehrichtung, aus der die Annäherung der separierten Teile (2, 3) erfolgt ist, unterbunden wird.
1. Mikroelektromechanischer Wandler (1) mit mindestens einem gegenüber einem
Umgebungsteil (3) durch die Ausbildung von Trenngräben (20) zumindest teilweise freigestellten, vorzugsweise über elastische Verbindungen gehaltenen Strukturteil (2) und Elektroden (5) an gegenüberliegenden, vorzugsweise mäanderartig oder zickzackförmig oder geschlungen oder hin und her verlaufenden, vorzugsweise parallelen Trenngrabenwänden (21), die abschnittsweise zwischen zumindest zwei solchen separierten Teilen (2, 3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wandler (1)
• ein Aspektverhältnis in der Arbeitsruheposition innerhalb eines Abschnittes des Trenngrabens (20) aufweist, das im Bereich von 15 bis 500, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 ist, insbesondere einen vorzugsweise über diesen Abschnitt möglichst konstanten Wert hat, der zumindest die 25fache Strukturtiefe (19) gegenüber der Trenngrabenbreite (7) ist, und
• eine Einrichtung (11, 15) aufweist, welche das mindestens eine freigestellte Strukturteil (2) gegenüber einem weiteren Strukturteil (3) in einer Arbeitsruheposition oder
Arbeitsruhe-Orientierung hält oder fixiert, wobei dabei die relative Lage und
Orientierung dieser aus einem Stück gefertigten separierten Strukturteile (2, 3) ungleich jener ist, die vor oder während der Herstellung des Trenngrabens bestand.
2. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1 1 , der
• zumindest eine innere Antriebseinrichtung aus der Gruppe aufweist: elektrostatische Kammantriebe, Piezo-Elemente, Antriebe, die magnetische Felder
stromdurchflossener Leitungen nutzen, Antriebe aufgrund von Verformungen, aufgrund unterschiedlicher thermischen Ausdehnung aufgrund unterschiedlicher Form- und/oder Materialeigenschaft vorzugsweise bei Stromdurchfluss erlangen, vorzugsweise Formänderungen von bestimmten Verbindungen zum freigestellten Strukturteil (2) oder als Wegdrückelemente vorzugsweise gekrümmte oder spiralförmige mit Hebelarm ausgebildete Elemente, deren Weg zwischen Trenngrabenabschnitten (20) auf einer anderen Seite zu einem vergrößerten Abstand (8) verbreitert wird, wodurch die
Abstände zwischen den Elektroden (5) auf der anderen Seite zum reduzierten Abstand (7) verringert werden, oder
• Unterstützungseinrichtungen für externe Einrichtungen zur Kraftwirkungs- oder
Drehmoment-Übertragung aufweist, insbesondere thermisch veränderliche Elemente, magnetische Elemente oder besondere schwingfähige Aufhängungen oder
torsionsfähige Rotationsachsen, oder Lager für gezieltes geradliniges Gleiten oder für Drehbewegungen von freigestellten Körpern.
3. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, der
biege-elastische Verbindungen (6) zwischen dem Strukturteil (2) und dem
Umgebungsteil (3) aufweist, die im Betriebszustand in Auslenkung sind, vorzugsweise mit einer bestimmten Federspannung.
14. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, bei dem das freigestellte Strukturteil (2) dimensional eingeschränkte Beweglichkeit aufgrund der Formgebung eines Strukturteiles (2) und des Umgebungsteiles (3) zueinander und/oder
5 biege-elastischer Verbindungen (6) aufweist, vorzugsweise in zwei vorzugsweise
voneinander unabhängige Richtungen (9, 10), wobei der Weg zumindest gegenüber Bewegung in einer Richtung (9) prozessbedingt Arretierungseinrichtungen (11, 15) aufweist, die dauerhaft oder irreversibel die relative Bewegung des Strukturteiles (2) gegenüber dem Umgebungsteil (3) blockieren.
10
15. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem biege-elastische Verbindungen (6) derart zwischen dem Strukturteil (2) und dem
Umgebungsteil (3) angeordnet sind, dass eine relative Verdrehung zwischen den Teilen (2, 3) in einem eingeschränkten Wnkel ermöglicht ist, und Fixierungselemente (11, 15) i5 vorzugsweise in Form von Sperrklinken mit Zahnflanken vorzugsweise nur eine
Verdrehung in einer Drehrichtung (9) aufgrund asymmetrischer Zahnflanken ermöglicht.
16. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, der
Rastfallen (11 , 15) aufweist, vorzugsweise gebildet aus Federn mit Haken und
20 Widerhaken (14), wobei zumindest jeweils eine der Federn mit Haken (14) an jeweils einem der separierten Teile (2, 3) der Struktur ausgebildet ist, und wobei nach der Verhakung ein Freiheitsgrad für die aktuatorische oder sensorische Bewegung oder Drehung vorzugsweise in einer zur Verhakungsrichtung (9) unabhängigen Richtung (10) oder Drehrichtung erhalten bleibt.
25
17. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, der
mechanische Stellglieder, vorzugsweise in Form von Mikroriegeln, elektromechanische Mikroaktuatoren oder thermische veränderliche Strukturen aufweist, welche Blockierungsstrukturen, vorzugsweise Schiebe-Bolzen in die quer zu den
30 Bewegungspfaden des freigestellten und positionierten oder re-orientierten Strukturteiles
(2) einbringen.
18. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, der
zumindest einen Keil, eine Klebe- und/oder eine Lötstelle aufweist, die der Arretierung 35 der Beweglichkeit der Strukturteile (2, 3) relativ zueinander in der Richtung (9) oder
Drehrichtung zu Strukturteilpositionierung in die Arbeitsruheposition dient.
19. Mikroelektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, der
• ein Sensor für Weg, Beschleunigung, Kraft, Schwingung, Geschwindigkeit, Drehrate, Druck oder Drehmoment,
• ein Aktuator in Form eines Mikromotors für lineare oder rotierende Bewegung, eines Schwingungserzeugers (Vibrators), einer Mikropumpe, eines Mikro-Antriebes, vorzugsweise für Lichtmodulatoren an Spiegel(arrays)), eines mechanischen MikroSchalters oder eines Relais,
• oder ein einstellbarer Kondensator ist.
20. Verwendung des mikroelektromechanischen Wandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 19, für eine Integrierte Mikroelektronikschaltung.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013178343A1 (de) 2012-05-29 2013-12-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur fixierung einer beweglichen komponente eines mikromechanischen bauelementes

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5493166B2 (ja) * 2009-12-03 2014-05-14 富士通セミコンダクター株式会社 半導体装置及びその製造方法
DE102011086406A1 (de) * 2011-11-15 2013-05-16 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Umdrehungszahl einer rotierbaren Welle
TW201328961A (zh) * 2012-01-03 2013-07-16 Touch Micro System Tech 梳狀電極結構
US9886321B2 (en) * 2012-04-03 2018-02-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Managing distributed analytics on device groups
US9096419B2 (en) * 2012-10-01 2015-08-04 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Electromechanical systems device with protrusions to provide additional stable states
CN103063876B (zh) * 2013-01-05 2014-08-20 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法
US9255852B2 (en) * 2013-08-26 2016-02-09 Texas Instruments Incorporated Vibration and dynamic acceleration sensing using capacitors
US9299275B2 (en) 2014-01-02 2016-03-29 Pixtronix, Inc. Display apparatus incorporating corrugated beam actuators
FI127229B (en) 2015-03-09 2018-02-15 Murata Manufacturing Co Microelectromechanical structure and device
US20170138734A1 (en) * 2015-11-16 2017-05-18 Freescale Semiconductor, Inc. Mems device with capacitance enhancement on quadrature compensation electrode
CN109960359B (zh) * 2017-12-26 2024-02-02 联想企业解决方案(新加坡)有限公司 紧固设备
DE102018210810B3 (de) * 2018-06-29 2019-08-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanisches bauteil und verfahren zur herstellung
CN109737943B (zh) * 2019-03-12 2024-05-10 苏州感测通信息科技有限公司 高精度mems陀螺仪
DE102019203914B3 (de) * 2019-03-21 2020-07-30 BTU Cottbus-Senftenberg MEMS mit großer fluidisch wirksamer Oberfläche
WO2022115932A1 (en) * 2020-12-01 2022-06-09 Sheba Microsystems Inc Mems electrostatic actuator for super resolution and autofocus in cameras
CN113970392B (zh) * 2021-10-25 2023-09-22 安徽大学 柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤
CN114362583B (zh) * 2022-03-11 2022-11-11 东莞市兵力电子科技有限公司 一种基于电场力的继电器驱动用电机及其使用方法
CN114814293B (zh) * 2022-06-29 2022-09-09 成都华托微纳智能传感科技有限公司 一种锯齿形梳齿结构的mems加速度计

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4241045C1 (de) 1992-12-05 1994-05-26 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium
WO2002019509A2 (en) 2000-08-28 2002-03-07 Honeywell International Inc. Comb drive assembly having comb drive fingers with varying cross-sections and methods of making same
DE10105187A1 (de) 2001-02-06 2002-08-08 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenmikromechanikstrukturen und Sensor
DE10145721A1 (de) 2001-09-17 2003-04-10 Infineon Technologies Ag Vorrichtung zum mechanischen Steuern einer elektrischen Kapazität und Verfahren zur Herstellung derselben
GB2387480A (en) 2002-04-09 2003-10-15 Microsaic Systems Ltd Micro-Electromechanical Switch
US20060054983A1 (en) * 2004-09-15 2006-03-16 Cenk Acar Post-release capacitance enhancement in micromachined devices and a method of performing the same
DE102004058103A1 (de) * 2004-12-01 2006-06-08 Technische Universität Chemnitz Einrichtung zur Spalteinstellung
EP1998345A1 (de) 2007-05-31 2008-12-03 Infineon Technologies SensoNor AS Verfahren zur Herstellung kapazitiver Elemente für eine kapazitive Vorrichtung
JP2009190150A (ja) 2008-02-18 2009-08-27 Sanyo Electric Co Ltd マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5998906A (en) * 1998-01-13 1999-12-07 Seagate Technology, Inc. Electrostatic microactuator and method for use thereof
US6384510B1 (en) * 1998-12-15 2002-05-07 Iolon, Inc. Electrostatic microactuator with offset and/or inclined comb drive fingers
US8430580B2 (en) * 2010-11-15 2013-04-30 DigitalOptics Corporation MEMS Rotationally deployed actuators

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4241045C1 (de) 1992-12-05 1994-05-26 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium
WO2002019509A2 (en) 2000-08-28 2002-03-07 Honeywell International Inc. Comb drive assembly having comb drive fingers with varying cross-sections and methods of making same
DE10105187A1 (de) 2001-02-06 2002-08-08 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenmikromechanikstrukturen und Sensor
DE10145721A1 (de) 2001-09-17 2003-04-10 Infineon Technologies Ag Vorrichtung zum mechanischen Steuern einer elektrischen Kapazität und Verfahren zur Herstellung derselben
GB2387480A (en) 2002-04-09 2003-10-15 Microsaic Systems Ltd Micro-Electromechanical Switch
US20060054983A1 (en) * 2004-09-15 2006-03-16 Cenk Acar Post-release capacitance enhancement in micromachined devices and a method of performing the same
US7279761B2 (en) 2004-09-15 2007-10-09 The Regents Of The University Of California Post-release capacitance enhancement in micromachined devices and a method of performing the same
DE102004058103A1 (de) * 2004-12-01 2006-06-08 Technische Universität Chemnitz Einrichtung zur Spalteinstellung
EP1998345A1 (de) 2007-05-31 2008-12-03 Infineon Technologies SensoNor AS Verfahren zur Herstellung kapazitiver Elemente für eine kapazitive Vorrichtung
JP2009190150A (ja) 2008-02-18 2009-08-27 Sanyo Electric Co Ltd マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013178343A1 (de) 2012-05-29 2013-12-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur fixierung einer beweglichen komponente eines mikromechanischen bauelementes
DE102012010549A1 (de) * 2012-05-29 2013-12-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Fixierung einer beweglichen Komponente eines mikromechanischenBauelementes

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