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STAND DER
TECHNIK
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem
Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne
und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt.
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Mikromechanische
Bauelemente werden für spezielle
Einsatzzwecke oder auch nur zu ihrem Schutz mit einer Kappe versehen.
Bekannt ist unter anderem das Glasfrit- oder anodische Bonden zur Befestigung
einer Kappe auf dem Bauelement. In der Patentschrift
EP 1274648 B1 ist eine Verpackung mittels
dünner
Schichten, eine so genannte OMM-Verkappung
beschrieben (OMM – oberflächen-mikromechanisch).
Grundlage dieser Technologie bildet eine perforierte Schicht aus
epitaktischem Polysilizium über
einer Kaverne, die ein mikromechanisches Funktionselement enthält. Die
zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Funktionselements
notwendigen Leiterbahnen werden dabei häufig unter der Funktionsschicht
oder auf dem epitaktischen Polysilizium geführt.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem
Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne
und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt. Der Kern der Erfindung
besteht darin, dass die Kappe eine leitfähige Schicht aufweist.
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Vorteilhaft
ist, dass die Kappe eine Dünnschichtkappe
ist. Hierdurch wird die Bauhöhe
des mikromechanischen Bauelements verringert, und es entfällt der
Befestigungsschritt einer fertigen Kappe auf dem Bauelement bei
der Herstellung.
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Vorteilhaft
besteht die Kappe aus wenigstens zwei Schichten. Vorteilhaft können so
die Leitschicht und die eigentliche Kappenschicht weitgehend unabhängig voneinander
gestaltet sein.
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Vorteilhaft
ist die leitfähige
Schicht nicht an einer Außenseite
der Kappe angeordnet. Die leitfähige
Schicht lässt
sich so einfacher mit mikromechanischen Funktionselementen elektrisch
verbunden gestalten. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht
dabei vor, dass die leitfähige
Schicht an einer der Kaverne zugewandten Seite der Kappe angeordnet
ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht
vor, dass die leitfähige
Schicht strukturiert ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die strukturierte
leitfähige
Schicht dabei wenigstens eine Leiterbahn oder wenigstens eine Elektrode
aufweist. Vorteilhaft können
so mikromechanische Funktionselemente von der Kappenseite aus kontaktiert
werden. Außerdem können Sensoren
mit kapazitivem Messprinzip und Messrichtung senkrecht zur Substratebene
(z-Sensoren) geschaffen werden, wenn die Elektrode an der Unterseite
der Kappe als Teil einer Kondensatorstruktur ausgestaltet ist.
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Vorteilhaft
ist auch, dass die Kappe Perforationslöcher aufweist. Durch diese
Löcher
kann das mikromechanische Funktionselement durch Opferschichtätzen von
Bereichen innerhalb der Kaverne freigelegt werden. Zum Schutz gegen
Umwelteinflüsse
sind die Perforationslöcher
vorteilhaft verfüllt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht
vor, dass die Perforationslöcher
und die strukturierte leitfähige
Schicht derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen abgewinkelten
Zugang von der Außenseite
der Kappe zur Kaverne bilden. Vorteilhaft lassen sich bei einer
solchen Anordnung die Perforationslöcher leicht verfüllen, weil
das Füllmaterial
in einem winkeligen Zugang zur Kaverne am Eindringen in diese Kaverne
gehindert wird und stattdessen den Zugang zusetzt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht
vor, dass die Leitschicht mit einer elektrischen Kontaktdurchführung zur
Außenseite
(30) der Kappe (3) und/oder zur Außenseite
des Substrats elektrisch verbunden ist.
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Außerdem ergeben
sich Kosten- und Fertigungsvorteile durch eine Vereinfachung der
Herstellung der Funktionsstruktur. Durch die Verlegung einer elektrischen
Leitschicht an der Kappe lässt
sich die Komplexität
des Unterbaus eines mikromechanischen Bauelements reduzieren (reduzierte
Topographie). Für
den nachfolgenden Verschlussprozess ergibt sich die Möglichkeit,
günstigere
Geometrien der Perforationslöcher
umzusetzen.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung ist die Ausbildung von Leiterbahnen
und gegebenenfalls funktionaler Elektroden auf der Kappenunterseite über dem
mikromechanischen Funktionselement (der MEMS-Struktur). Sie kann
auch zusätzlich
zu einer herkömmlichen
Sensorunterseitenstruktur mit Leiterbahnen oder Elektroden ausgeführt sein.
Besonders von Vorteil kann dies für z-Sensoren sein. Aufgrund
der möglichen
räumlichen
Trennung von elektrischen Funktionselementen und anderen Bereichen
sind in derselben Schicht auch günstigere
Geometrien der Perforationslöcher
umsetzbar, z.B. Z- oder L-förmige Zugänge mit
verbesserter Verfüllcharakteristik.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt im Falle einer ausschließlich oben
liegenden elektrisch leitfähigen
Schicht einen einfachen MEMS-Unterbau wie zum Beispiel mit Substrat,
Oxid und epitaktische Silizium-Funktionsschicht (als polykristallines
oder einkristallines SOI). Die geringe Dickenabweichung der oberen
Opferschicht gestattet gleiche und bessere Eigenschaften (einfachere
Topografie, geringere Dickenabweichung der epitaktischen Silizium-Funktionsschicht)
als herkömmliche
OMM-Prozesse.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes mikromechanisches
Bauelement mit Kappe.
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BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Anhand
der im folgenden beschriebenen Ausführungsform soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes mikromechanisches
Bauelement mit Kappe schematisch in Schnittdarstellung. Das Bauelement
weist ein Substrat 1 auf. Dieses Substrat 1 kann
beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Über dem Substrat 1 ist
eine mikromechanische Funktionsschicht 2 angeordnet, welche
sich wenigstens zum Teil in einer Kaverne 4 erstreckt.
Die mikromechanische Funktionsschicht 2 kann aus Silizium,
insbesondere aus epitaktisch aufgewachsenem polykristallinen oder
monokristallinen Silizium bestehen. Zwischen dem Substrat 1 und
der mikromechanischen Funktionsschicht 2 können noch eine
oder mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine erste Opferschicht 10 angeordnet
sein. Über
der mikromechanischen Funktionsschicht 2, ist eine Kappe 3 angeordnet,
welche die Kaverne 4 nach oben begrenzt. Die Kappe 3 weist
dabei eine Außenseite 30 zur
Umgebung des mikromechanischen Bauelements hin auf. Die Kappe 3 weist
weiterhin eine der Kaverne 4 zugewandte Seite 35,
eine Innenseite auf. Die Kappe 3 ist bevorzugt eine so
genannte Dünnschichtkappe,
d.h. sie besteht aus einer oder mehreren über der mikromechanischen Funktionsschicht 2 abgeschiedenen
dünnen
Schichten. Zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht 2 und
der Kappe 3 können
noch eine oder mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine zweite
Opferschicht 11 angeordnet sein. Die Opferschichten 10 und 11 sind
im Bereich der Kaverne 4 wenigstens teilweise entfernt.
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Eine
mögliche
Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach
oben besteht aus einem Siliziumsubstrat 1, einem Opferoxid 10,
einer Epitaxieschicht 2, einem Opferoxid 11, einer leitfähigen Schicht 100,
welche vorzugsweise aus polykristallinem Silizium besteht, aber
auch aus Metall oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material
bestehen kann, einer Isolationsschicht 50, in diesem Beispiel
einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid 50, einem
Oxid 12, und einer Epitaxieschicht 3, welche in
diesem Ausführungsbeispiel
eine wesentliche Schicht der Kappe 3 Bildet. Die Isolationsschicht 50 kann
strukturiert sein. Die leitfähige Schicht 100 kann
ebenfalls strukturiert sein und dabei verschiedenen Bereiche 100a und 100b aufweisen. Die
Isolationsschicht 50 gewährleistet die mechanische Anbindung
wenigstens von Bereichen 100b der leitfähigen Schicht 100 an
die Epitaxieschicht 3 und deren elektrische Isolation.
Das Oxid 12, welches an der Epitaxieschicht 3 angeordnet
ist, kann im Bereich von Perforationsöffnungen 200 in der
Epitaxieschicht 3 entfernt sein, um einen Zugang von der
Umgebung zur Kaverne 4 zu ermöglichen. Bereiche 100a der leitfähigen Schicht 100,
welche nicht über
die Isolationsschicht 50, sondern direkt über das
Oxid 12 an die Epitaxieschicht 3 angebunden sind,
können
nach dem Entfernen des Oxids 12 wenigstens teilweise freigelegt
sein. Die Perforationsöffnungen 200 in
der Epitaxieschicht 3 können
schließlich
mit einem Füllmaterial
verschlossen sein.
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Eine
andere mögliche
Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach oben
besteht aus einem Siliziumsubstrat 1, einem Passiviernitrid
und/oder Passivieroxid, einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10,
einem Passivieroxid, einer Epitaxieschicht 2, einem Passivieroxid,
einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10, einem Passiviernitrid
und/oder Passivieroxid, einer leitfähigen Schicht 100 (vorzugsweise
aus polykristallinem Silizium aber auch aus Metall oder einem anderen geeigneten
leitfähigen
Material), einer Isolationsschicht, beispielsweise einem Passiviernitrid und/oder
Passivieroxid, und einer Epitaxieschicht 3.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
sind Kombinationen aus polykristallinen Silizium- und Oxid-Opferschichten ebenfalls möglich.
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Für den Fall
funktionaler elektrischer Ebenen unter und über der MEMS-Struktur erfolgt
der oben dargestellte Schichtaufbau als Zusatz zur herkömmlichen
Sensorschichtenfolge wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift
EP 1274648 B1 dargestellt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
im Bereich der Kappe die Schichten 3, 100a und b, 12 und 50 vorgesehen,
wobei durch geschickte geometrische Anordnung der Schichten und
der Perforationslöcher 200 Zugänge von
der Umgebung des mikromechanischen Bauelements zur Kaverne realisiert 4 sind,
deren Eigenschaft eine günstige
Verfüllcharakteristik
ist. Dies gilt vor allen hinsichtlich der Materialabschattung beim
Verschluss durch einen abgewinkelten Zugang zur Kaverne 4.
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Bei
dem mikromechanischen Bauelement handelt es sich bevorzugt um ein
Bauelement auf Siliziumbasis. Das mikromechanische Bauelement kann
beispielsweise ein (Stellglied (Aktuator) oder ein Messglied (Sensor)
sein. Besonders bevorzugt ist das mikromechanische Bauelement als
Drehratensensor oder Beschleunigungssensor ausgestaltet.
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Es
sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele
denkbar.