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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Sockelelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der
Druckschrift
DE 43 15
012 B4 ein Sensor mit einem beweglichen einkristallinen
Sensorelement bekannt, wobei das bewegliche Sensorelement auf einem
plattenförmigen Substrat aus einkristallinem Silizium befestigt
ist und wobei die Befestigung des Sensorelements auf dem Substrat
mittels einer Isolationsschicht angeordnet zwischen dem Sensorelement
und dem Substrat vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauelements gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass mit einer vergleichsweise geringen
Anzahl von Herstellungsschritten ein mikromechanisches Bauelement
herstellbar ist, welches eine vergleichsweise dicke Funktionsschicht
senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufweist. Somit wird beispielsweise eine
Erhöhung des Aspektverhältnisses von kapazitiven
Sensoren erzielt, wodurch die benötigte Chipfläche
der kapazitiven Sensoren im Vergleich zum Stand der Technik erniedrigt
wird. Der Herstellungskosten des mikromechanischen Bauelements werden
daher in erheblicher Weise reduziert. Die Funktionsschicht ist aus
dem Material des Substrats gebildet, welches vorzugsweise ein einkristallines
Silizium umfasst, und überlappt sich in einer zur Flächennormalen
der Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung mit dem Substrat.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches
Bauelement mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat
und einer parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildeten weiteren
Schicht, wobei das Substrat derart strukturiert ist, dass das Substrat
eine mikromechanische Funktionsschicht aufweist, welche in einer
zur Haupterstreckungsebene parallel angeordneten Ebene im Substrat
angeordnet ist und welche in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten
Richtung zumindest teilweise die weitere Schicht überlappt.
In vorteilhafter Weise wird somit die mikromechanische Funktionsschicht
durch eine entsprechende Strukturierung des Substrats ausgebildet,
so dass die Strukturen der mikromechanischen Funktionsschicht insbesondere
durch das Material des Substrats gebildet werden. Die mikromechanische
Funktionssicht wird besonders vorteilhaft durch die weitere Schicht,
welche vorzugsweise eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht
umfasst, bedeckt, so dass bewegliche Elemente der mikromechanischen
Funktionsschicht durch die weitere Schicht elektrisch kontaktiert,
mechanisch fixiert und/oder vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen
geschützt werden. Insbesondere ist es auf diese Weise erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich, dass die Funktionsschicht des mikromechanischen Bauelements
auf der Seite der weiteren Schicht, durch die überlappende
bzw. durchgehende weitere Schicht abgeschlossen ist, insbesondere
hermetisch abgeschlossen ist und damit die Funktion einer Verkappung
durch die weitere Schicht übernommen wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische
Funktionsschicht sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene wenigstens über
50%, bevorzugt wenigstens über 75% und besonders bevorzugt
wenigstens über 90% der Substratdicke erstreckt. Besonders
vorteilhaft wird durch eine derartige Erhöhung der Funktionsschichtdicke
das Aspektverhältnis des mikromechanischen Bauelements
weiter erhöht, wodurch die Chipfläche reduziert
wird und somit die Herstellungskosten sinken.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Funktionsschicht
bewegliche Elemente aufweist und/oder dass das Substrat eine weitere
Schicht aufweist. In vorteilhafter Weise sind durch die beweglichen
Elemente insbesondere Elektroden realisierbar, welche bevorzugt
zur kapazitiven Messung von auf die beweglichen Elemente wirkenden
Trägheitskräften vorgesehen sind. Besonders bevorzugt
ermöglichen die weitere Schicht und/oder Teile der weiteren Schicht
die elektrische Kontaktierung der beweglichen Elemente und/oder
die Bildung von Leiterbahnen. Ganz besonders bevorzugt umfassen
das Substrat und/oder die Funktionsschicht Gegenelektroden bezüglich
der durch die beweglichen Elemente gebildeten Elektroden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement
eine Verkappungsschicht aufweist, wobei bevorzugt die Verkappungsschicht
auf einer ersten Seite des Substrats und die weitere Schicht auf einer
zweiten Seite des Substrats angeordnet ist. Die Verkappungsschicht
fungiert besonders vorteilhaft zum Schutz der mikromechanischen
Funktionsschicht, wobei bevorzugt die Schwingfähigkeiten
der beweglichen Elemente durch den Einschluss einer speziellen Atmosphäre
in der mikromechanischen Funktionsschicht eingestellt werden. Besonders
vorteilhaft wird die mikromechanische Funktionsschicht auf einer
der Verkappungsschicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene gegenüberliegenden
Seite durch die weitere Schicht geschützt und/oder atmosphärisch
abgedichtet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat
eine Kaverne aufweist, wobei die Kaverne bevorzugt im Bereich der
beweglichen Elemente und/oder auf der ersten Seite ausgebildet ist.
Die Ausbildung der Kaverne ermöglicht in vorteilhafter
Weise eine vergleichsweise präzise Festlegung der Funktionsschichtdicke
senkrecht zur Haupterstreckungsebene.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen
dem Substrat und der weiteren Schicht zumindest teilweise eine Isolationsschicht
angeordnet ist und/oder dass die weitere Schicht Gräben
senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufweist und/oder dass die
weitere Schicht Kontaktpads aufweist. In vorteilhafter Weise ermöglichen
Kontaktpads die elektrische Kontaktierung des mikromechanischen
Bauelements, während durch die Gräben eine elektrische
Isolation Von Teilen der weiteren Schicht realisiert wird. Die Isolationsschicht
fungiert bevorzugt zur elektrischen Isolation der Funktionsschicht
und/oder des Substrats von der weiteren Schicht und/oder zur Befestigung
der weiteren Schicht an der Funktionsschicht und/oder dem Substrat.
Besonders bevorzugt ist die Isolationsschicht in den Gräben
angeordnet, während die Isolationsschicht in der Funktionsschicht
zumindest teilweise weggeätzt ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement
ein Inertialsensor ist. in vorteilhafter Weise wird durch das mikromechanische
Bauelement ein Inertialsensor mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis
realisiert.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Substrat
bereitgestellt wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt
auf dem Substrat eine weitere Schicht aufgebracht wird und wobei
ferner in einem dritten Verfahrensschritt das Substrat strukturiert wird.
Besonders vorteilhaft wird durch die Strukturierung des Substrats
selbst die Funktionsschicht aus dem Material des Substrats in dem
Substrat gebildet. Aufgrund der vergleichsweise großen
Substratdicken senkrecht zur Haupterstreckungsebene werden somit
im Vergleich zum Stand der Technik Funktionsschichten ermöglicht,
welche ein deutlich größeres Aspektverhältnis
aufweisen. Die weitere Schicht dient vorzugsweise zur elektrischen
Kontaktierung des Substrats und/oder der Funktionsschicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zeitlich vor dem
zweiten Verfahrensschritt das Substrat in einem vierten Verfahrensschritt
wenigstens einseitig mit einer Isolationsschicht beschichtet wird
und/oder vor dem dritten Verfahrensschritt die weitere Schicht in
einem fünften Verfahrensschritt mit einer weiteren Isolationsschicht beschichtet
wird. Besonders vorteilhaft werden somit Teil des Substrats, der
Funktionsschicht und/oder der weiteren Schicht voneinander elektrisch
isoliert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass vor dem
dritten Verfahrensschritt die weitere Schicht in einem sechsten
Verfahrensschritt strukturiert und/oder das Substrat in einem siebten
Verfahrensschritt geätzt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht
die Strukturierung der weiteren Schicht die elektrische Isolation
von Teilen der weiteren Schicht zur elektrischen Kontaktierung der Funktionsschicht
und/oder des Substrat und/oder zur Bildung von Leiterbahnen.
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Das Ätzen
des Substrats ermöglicht eine vergleichsweise präzise
Festlegung der Substrat- bzw. Funktionsschichtdicke.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem
vierten Verfahrensschritt die Isolationsschicht in einem achten Verfahrensschritt
strukturiert wird und/oder dass nach dem fünften Verfahrensschritt
die weitere Isolationsschicht in einem neunten Verfahrensschritt strukturiert
wird und/oder dass in einem zwölften Verfahrensschritt
die Isolationsschicht geätzt wird. Besonders vorteilhaft
ermöglicht die Strukturierung der Isolationsschicht und/oder
der weiteren Isolationsschicht sowohl die Definierung von mechanisch
festen Verbindungen zwischen den Isolationsschichten und des Substrats
und/oder der weiteren Schicht, als auch die Definition von wegätzbaren
Isolationsschichten, welche beispielsweise im Bereich der Funktionsschicht
durch einen Ätzvorgang die Bildung der beweglichen Elemente
ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem
dritten Verfahrensschritt das Substrat in einem zehnten Verfahrensschritt
zumindest teilweise von einer Verkappungsschicht bedeckt wird und/oder
auf der weiteren Schicht in einem elften Verfahrensschritt zumindest ein
Kontaktpad angeordnet wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht
die Anordnung von wenigstens einem Kontaktpad die elektrische Kontaktierung
des mikromechanischen Bauelements, während die Verkappungsschicht
zum Schutz und/oder zur atmosphärischen Abdichtung der
mikromechanischen Funktionsschicht fungiert.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1a eine
schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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1b eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform,
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1c eine
schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform,
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1d eine
schematische Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform,
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1e eine
schematische Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform,
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1f eine
schematische Seitenansicht einer sechsten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform,
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1g eine
schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten
Ausführungsform und
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2 eine
schematische Perspektivansicht eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal benannt.
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In 1a ist
zur Veranschaulichung eines ersten, vierten und achten Verfahrensschrittes
eine schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in dem ersten
Verfahrensschritt das Substrat 2 bereitgestellt wird. Das
Substrat 2 wird in dem vierten Verfahrensschritt beidseitig
mit jeweils einer Isolationsschicht 8 beschichtet, wobei
eine der Isolationsschichten 8 in dem achten Verfahrensschritt
strukturiert wird. Das Substrat 2 umfasst bevorzugt einen
einkristallinen Siliziumwafer. Bei der Isolationsschicht 8 handelt
es sich vorzugsweise um ein thermisches Oxid, welches in einem Standardverfahren,
wie Tegal, LAM, strukturiert wird. Das Substrat 2 weist
eine Haupterstreckungsebene 11 auf.
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In 1b ist
zur Veranschaulichung eines zweiten und sechsten Verfahrensschrittes
eine schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in dem zweiten
Verfahrensschritt auf dem Substrat 2 bzw. der strukturierten
Isolationsschicht 8 eine weitere Schicht 3 aufgebracht
wird, welche bevorzugt ein polykristallines Silizium umfasst, welches
besonders bevorzugt durch ein Epitaxieverfahren abgeschieden wird.
In einem sechsten Verfahrensschritt wird die weitere Schicht 3 strukturiert,
wobei insbesondere Gräben 9 in der weiteren Schicht 3 mittels
Trenchverfahren gebildet werden. Bevorzugt wird die weitere Schicht 3 durch
ein Standardverfahren planarisiert.
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In 1c ist
zur Veranschaulichung eines fünften und neunten Verfahrensschrittes
eine schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im fünften
Verfahrensschritt die weitere Schicht 3 mit einer weiteren
Isolationsschicht 8' bedeckt wird, welche in einem nachfolgenden
neunten Verfahrensschritt strukturiert wird. Bevorzugt werden die
Gräben 9 durch weitere Isolationsschicht 8' vollständig
verfüllt, wobei die weitere Isolationsschicht 8' besonders
bevorzugt ein thermisches Oxid umfasst, welches ganz besonders bevorzugt
mittels eines MORI-Verfahrens zur Erzeugung leitfähiger
Strukturen in der weiteren Isolationsschicht 8' strukturiert wird.
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In 1d ist
zur Veranschaulichung eines elften Verfahrensschrittes eine schematische
Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines
mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im elften Verfahrensschritt
auf die weitere Isolationsschicht 8' Kontaktpads 12 angeordnet
werden, welche zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements 1 dienen.
Das Kontaktpad 12 umfasst vorzugsweise eine Metallfläche
und/oder eine metallische Leiterbahn.
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In 1e ist
zur Veranschaulichung eines siebten Verfahrensschrittes eine schematische
Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im siebten Verfahrensschritt
das Substrat 2 geätzt wird. Vor dem siebten Verfahrensschritt
wird die fünfte Vorläuferstruktur vorzugsweise
um 180 Grad gedreht, wobei die Drehachse in der Haupterstreckungsebene 11 liegt.
Besonders bevorzugt wird eine Kaverne 7 in das Substrat 2 geätzt,
sodass eine gewünschte Restdicke des Substrats senkrecht
zur Haupterstreckungsebene zwischen der Substratoberfläche
und der Isolationsschicht 8 eingestellt wird. Der Ätzvorgang
wird insbesondere auf einer ersten Seite 5 des Substrats 2 durchgeführt,
welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 11 auf der
gegenüberliegenden Seite einer zweiten Seite 6 mit
der weiteren Schicht 3 bezüglich des Substrats 2 angeordnet
ist.
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In 1f ist
zur Veranschaulichung eines dritten und zwölften Verfahrensschrittes
eine schematische Seitenansicht einer sechsten Vorläuferstruktur
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im sechsten Verfahrensschritt
das Substrat 2 strukturiert wird und in einem nachfolgenden
zwölften Verfahrensschritt die Isolationsschicht 8 geätzt
wird, vorzugsweise mittels eines Gasphasenätzprozesses.
Besonders bevorzugt wird das Substrat 2 im Bereich der
Kaverne 7 getrencht, so dass nach dem zwölften
Verfahrensschritt im Substrat 2 bewegliche Elemente 2' aus
dem Material des Substrats 2 gebildet werden
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In 1g ist
eine schematische Seitenansicht des mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in einem zehnten
Verfahrensschritt das mikromechanische Bauelement 1 mit
einer Verkappungsschicht 4 bedeckt wird. Vorzugsweise umfasst
die Verkappungsschicht 4 eine Dünnschichtkappe,
welche auf der ersten Seite 5 des Substrats 2 angeordnet
wird. Der Kappenwafer 4 wird besonders bevorzugt mittels einer
Seal-Glas Verbindung oder mittels eines anodischem Bondprozesses
an dem Substrat 2 befestigt.
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In 2 ist
eine schematische Perspektivansicht eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform dargestellt, wobei beispielhafte
eine Kammstruktur 20 von beweglichen Elektroden 21 und
festen Gegenelektroden 22 dargestellt ist, wobei die beweglichen
Elektroden 21 untereinander fest und über Federstrukturen 23 mit dem
Substrat 24 elastisch verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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