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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 195 37 814 A1 ein
Verfahren zur Herstellung von Sensoren, wie Beschleunigungs- und
Drehratensensoren, bekannt, bei dem auf einem Substrat eine Leitschicht, eine
zweite Isolationsschicht und eine Siliziumschicht aufgebracht wird,
wobei die Leitschicht und die zweite Isolationsschicht vor dem Abscheiden
der nachfolgenden Schicht strukturiert werden und wobei Gräben
in die Siliziumschicht eingebracht werden, die von der Oberseite
der Siliziumschicht bis zur zweiten Isolationsschicht reichen und
wobei durch die Gräben hindurch ein Ätzmedium
an die zweite Isolationsschicht herangebracht wird. Durch das Ätzverfahren durch
die Gräben der Siliziumschicht hindurch werden in der Siliziumschicht
bewegliche Siliziumstrukturen erzeugt, deren Bewegung über
Bestimmung von Kapazitätsänderungen messbar sind.
Zur hermetischen Versiegelung der beweglichen Siliziumstrukturen
wird auf die Siliziumschicht eine Glaslotschicht zur Verbindung
der Siliziumschicht mit einem Deckel aufgebracht. Nachteilig daran
ist, dass die Herstellung des Deckels vergleichsweise aufwändig ist
und zusätzlich auf dem Substrat eine vergleichsweise große
Fläche für die Glaslotverbindung zwischen der
Siliziumschicht und dem Deckel benötigt wird, welche nicht
für bewegliche Siliziumstrukturen nutzbar ist.
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Aus
der Druckschrift
DE 199 61 578 ist
ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer mikromechanischen
Struktur auf Siliziumbasis, die in einem Sensorraum eines Grundwafers
integriert ist, und einer den Grundwafer zumindest im Bereich des Sensorraums
abdeckenden Abdeckung, wobei die Abdeckung aus einer für
ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte durchlässigen
Abscheideschicht und einer darüber liegenden hermetisch
dichtenden Abdichtungsschicht besteht.
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Nachteilig
an dieser Abdeckung des Sensorraums ist, dass keine Sensorstrukturen
mit vergleichsweise breiten Gräben auf diese Weise abdeckbar,
da die Gräben durch eine Oxidschicht unter der Abscheideschicht
verschlossen werden müssen. Zusätzlich besteht
ein vergleichsweise hohes Prozessrisiko, wenn die Siliziumstrukturen
nicht zuverlässig geschlossen werden. In den dann entstehenden
offenen Gräben und Kavernen können Hilfsmedien
im weiteren Prozessfortgang nicht sicher entfernt werden und damit
in weiteren Prozessschritt Kontaminationen verursachen. Dies gilt
insbesondere, wenn auf dem Wafer eine CMOS-Schaltung integriert
werden soll. Beim Abscheiden der transparenten Abscheideschicht
besteht weiterhin das Risiko, dass es bei hohen Prozesstemperaturen
zu Umlagerungen der bereits strukturierten Siliziumschicht kommt
und damit die Sensoreigenschaften verschlechtert werden.
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Aus
der Druckschrift
DE
42 41 045 C1 ist ferner ein Verfahren zum anisotropen Ätzen
von Silizium bekannt, wobei Gräben in einer Siliziumschicht mit
vergleichsweise hohem Aspektverhältnis hergestellt werden.
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Aus
der Druckschrift
DE
43 17 174 A1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von
Verbundsystemen mit mindestens zwei Schichten bekannt, wobei die
Herstellung einer Oxidschicht hervorgeht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
mikromechanischen Struktur und die erfindungsgemäße
mikromechanische Struktur gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik
den Vorteil, dass eine zuverlässige und hermetische Abdichtung
der Funktionsschicht mittels der Deckschicht in einem vergleichsweise
kostengünstigen und gut beherrschbaren Herstellungsverfahren
ermöglicht wird. Insbesondere wird eine Abdichtung der
Funktionsschicht ermöglicht, welche unabhängig
von der Strukturierung der Funktionsschicht ist, so dass im Gegensatz zum
Stand der Technik auch Funktionsschichten mit beliebig breiten Kavernen
in der Funktionsschicht durch die Deckschicht abdeckbar bzw. abdichtbar sind
und somit die Designfreiheit bei der Ausbildung der Funktionsschicht
in besonders vorteilhafter Weise gesteigert wird.
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Darüberhinaus
sind die technologischen Anforderungen an das Aufbringen der zweiten
Oxidschicht im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringer,
da keine Kavernen in der Funktionsschicht durch die zweite Oxidschicht
zuverlässig geschlossen werden müssen, da das
transparent machen der Deckschicht für das Ätzmittel
und das Strukturieren der Funktionsschicht gemeinsam im siebten Verfahrensschritt
durchgeführt werden. Ferner werden dadurch die Kontaminationsrisiken
durch eine mögliche undichte Oxidschicht ausgeschlossen.
Eine weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung einer mikromechanischen Struktur ist, dass eine thermische
Umlagerungen der Funktionsschicht bei der Abscheidung der Deckschicht ausgeschlossen
ist, da die Funktionsschicht erst im siebten Herstellungsschritt
vorzugsweise zeitlich nach dem Abscheiden der Deckschicht im vierten Herstellungsschritt
strukturiert wird. Durch die Reduzierung der Kontaminationsrisiken,
sowie der Risiken einer thermischen Umlagerung sind besonders vorteilhaft
CMOS-Schaltungen in der mikromechanischen Struktur ohne Einschränkungen
herstellbar. Die aufgeführten Vorteile werden dadurch erreicht, dass
die zweite Opferschicht im sechsten Herstellungsschritt insbesondere
zeitlich vor dem vierten Herstellungsschritt zum Aufbringen der
Deckschicht auf die zweite Opferschicht strukturiert wird, so dass die
zweite Opferschicht als Maske zur Strukturierung der Funktionsschicht
im siebten Herstellungsschritt fungiert. Somit ist es möglich,
die Kavernen in der Funktionsschicht erst nach dem Aufbringen der Deckschicht
durch den Ätzvorgang im siebten Herstellungsschritt zu
erzeugen, so dass beim Aufbringen der Deckschicht keine Kavernen
in der Funktionsschicht durch die Deckschicht überbrückt
werden müssen. Durch das Aufbringen der Maske auf die Deckschicht
im fünften Herstellungsschritt werden im siebten Herstellungsschritt
definierte Ätzzugänge in die Deckschicht geätzt,
durch welche das Ätzmittel auch in die Funktionsschicht
gelangt. Im siebten Verfahrensschritt wird somit besonders vorteilhaft
gleichzeitig die Deckschicht für das Ätzmittel
transparent gemacht und die Funktionsschicht strukturiert. Bevorzugt
werden die Ätzzugänge parallel zu einer Haupterstreckungsebene
des Substrats vergleichsweise schmal ausgebildet, so dass die Deckschicht
in späteren Herstellungsschritten mittels einer Abdeckschicht
bedeckbar und somit die Funktionsschicht hermetisch abdichtbar ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der sechste Herstellungsschritt zeitlich
vor dem fünften Herstellungsschritt durchgeführt
wird und/oder dass in einem vierzehnten Herstellungsschritt die
ersten und/oder die zweite Opferschicht geätzt wird, so
dass besonders vorteilhaft zwischen der Funktionsschicht und der
Deckschicht eine vergrabene Maskenschicht ausgebildet wird und somit
die Funktionsschicht in dem nachfolgenden siebten Herstellungsschritt
strukturierbar ist. Besonders vorteilhaft sind somit beliebig breite
Kavernen und unterätzte Bereiche in der Funktionsschicht
realisierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Funktionsschicht und/oder
die Deckschicht Silizium umfasst, wobei der vierte Herstellungsschritt
bevorzugt ein Aufbringen einer Polysiliziumstartschicht auf die
zweite Opferschicht und ein epitaktisches Abscheiden einer Polysiliziumschicht
auf der Polysiliziumstartschicht umfasst. Besonders vorteilhaft
sind somit mikromechanische Halbleiterstrukturen mit Standardherstellungsverfahren
in besonders einfacher und kostengünstig zu realisierender
Weise herstellbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Deckschicht
in einem achten Herstellungsschritt zumindest teilweise dotiert
und/oder insbesondere mittels eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens
planarisiert wird. Besonders vorteilhaft führt die Planarisierung der
Deckschicht zu einer Erhöhung der Auflösung bei möglichen
nachfolgenden fotolithographischen Herstellungsschritten. Eine Dotierung
der Deckschicht ermöglicht in späteren Herstellungsschritten
eine elektrische Kontaktierung der Funktionsschicht mittels der
Deckschicht, wobei auf der Deckschicht vorzugsweise Bondlands ausgebildet
sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
neunten Herstellungsschritt eine erste Leitschicht innerhalb der ersten
Opferschicht angeordnet wird und/oder dass im fünften Herstellungsschritt
die Maske durch Aufbringen einer zweiten Leitschicht auf die Deckschicht hergestellt
wird und/oder dass in einem zehnten Herstellungsschritt, insbesondere
zeitlich vor dem fünften Herstellungsschritt, eine dritte
Leitschicht auf die Deckschicht aufgebracht wird, wobei die erste,
zweite und/oder dritte Leitschicht vorzugsweise ein Metall umfassen.
Die erste, zweite und/oder dritte Leitschicht dient vorteilhaft
zur späteren elektrischen Kontaktierung der mikromechanischen
Struktur und insbesondere von Strukturen in der Funktionsschicht, wobei
insbesondere die vergrabene erste Leitschicht in vorteilhafter Weise
eine Kontaktierung der Funktionsschicht von der Substratseite aus
ermöglicht. Durch die Realisierung der Maske mittels Aufbringen einer
zweiten Leiterschicht ist ein weiterer lithographischer Herstellungsschritt
zur Vorbereitung der Deckschichtstrukturierung einsparbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im fünften
Herstellungsschritt die Maske derart strukturiert wird, dass die Struktur
der Maske zumindest teilweise der Struktur der zweiten Opferschicht
entspricht, so dass die Deckschicht als im Wesentlichen strukturgleiches und
symmetrisches Übergitter zur Funktionsschicht ausgebildet
ist und somit besonders vorteilhaft ein vergleichsweise kritisches Ätzverhalten
an Kanten der Funktionsschicht nicht durch die darüberlegenden
Strukturen in der Deckschicht beeinflusst wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im siebten
und/oder vierzehnten Herstellungsschritt vollständig unterätzte Bereiche
der Deckschicht, Gräben in der Deckschicht, welche senkrecht
zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats zumindest teilweise
eine Querschnittsänderung aufweisen, und/oder bewegliche
Elemente in der Funktionsschicht erzeugt werden. Besonders vorteilhaft
werden somit mikromechanische Sensorstrukturen beispielsweise für
Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren in der Funktionsschicht
ausgebildet. Die Deckschicht ist im Bereich der beweglichen Elemente
in der Funktionsschicht vollständig unterätzt,
damit die im sechstens Herstellungsschritt strukturierte zweite Opferschicht
als Maskenschicht für die Funktionsschicht fungiert und
die beweglichen Elemente keine mechanische Anbindung an die Deckschicht
aufweisen. Die Gräben weisen insbesondere ein vergleichsweise
hohes Aspektverhältnis auf. Durch die Wahl geeigneter Ätzparameter
wird eine Verbeiterung des Querschnitts der Gräben in die
Tiefe, d. h. in Richtung des Substrats, erreicht. Insbesondere werden
das Ätzprofil beim Ätzen der Deckschicht, die Dicke
der Deckschicht und die Geometrie der Gräben derart gewählt,
dass im Bereich der beweglichen Strukturen eine Vereinigung benachbarter Ätzflanken vor
der zweiten Opferschicht, d. h. insbesondere vom Substrat aus gesehen
oberhalb der zweiten Opferschicht, realisiert wird. Bevorzugt werden
die Ätzparameter mit der Tiefe der Gräben variiert,
so dass zunächst eine möglich senkrechte Ätzflanke
erzeugt, wobei vergleichsweise schmale und später gut verschließbare
Gräben entstehen, und anschließend sich der Querschnitt
der Gräben verbreitert. Abschließend und insbesondere
kurz vor Erreichen der zweiten Opferschicht wird wieder eine möglichst senkrechte Ätzflanke
erzeugt, um die beweglichen Strukturen in der Funktionsschicht möglichst
senkrecht zu ätzen und somit vergleichsweise gute Sensoreigenschaften
zu erreichen. Das anschließende Freiätzen der
beweglichen Strukturen umfasst insbesondere ein Gasphaseätzverfahren.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im siebten
Herstellungsschritt Stützbereiche zum Abstützen
der Deckschicht auf der Funktionsschicht und/oder Anschlagsbereiche
zur Begrenzung einer Bewegung eines beweglichen Elements in Richtung
der Deckschicht erzeugt werden. Besonders vorteilhaft wird durch
den Stützbereich oder einer Vielzahl von Stützbereichen
die Überbrückung von beliebig großen
Bereichen in der Funktionsschicht durch die Deckschicht ermöglicht.
Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Deckschicht
im Bereich der Überbrückung und/oder einer mechanischen
Beschädigung der beweglichen Elemente durch zu große
Auslenkungen aus einer Ruhelage sind durch die Stütz- und/oder
Anschlagsbereich besonders vorteilhaft in erheblicher Weise reduzierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
elften Herstellungsschritt eine Abdeckschicht auf die Deckschicht aufgebracht
wird, wobei die Abdeckschicht bevorzugt zum hermetischen Verschluss
der Gräben vorgesehen ist und wobei besonders bevorzugt
ein definierter Innendruck im Bereich der beweglichen Elemente eingestellt
wird. Besonders vorteilhaft wird auch die Funktionsschicht und die
beweglichen Elemente durch den hermetischen Verschluss der Gräben
mittels der Abdeckschicht hermetisch abgeschlossen. Besonders vorteilhaft
wird ein Verfahren zur Abscheidung der Abdeckschicht auf der Deckschicht
verwendet, welches die Beimengung von Inertgasen während
der Abscheidung erlaubt, so dass der Innendruck gezielt einstellbar
ist. Vorzugsweise umfasst die Abdeckschicht eine Schichtfolge unterschiedlicher
Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien. Ein Teil des abgeschiedenen
Materials wird immer auch auf den freibeweglichen Strukturen kommen. Damit
ist es denkbar, in einer ersten Teilabscheidung einer ersten Teilschicht
ein Material zu verwenden, das Volumen bzw. Schichteigenschaften
hat, die für die beweglichen Elemente günstiger
oder zumindest nicht stark störend sind und in einer zweiten
Teilabscheidung zur Versieglung der Deckschicht eine zweite Teilschicht
mit einem Material abgeschieden wird, welches für die beweglichen
Elemente vergleichsweise günstige Oberflächeneigenschaften aufweist,
so dass mögliche schlechtere Volumeneigenschaften aufgrund
der reduzierten Dicke der zweiten Teilschicht vorteilhafter Weise
reduzierbar sind. Dieser vorteilhafte Effekt wird besonders bevorzugt
durch verschiedene Querschnitte der Gräben verstärkt,
wobei vergleichsweise schmale Gräben durch die erste Teilschicht
und breitere Gräben durch die zweite Teilschicht abgedeckt
werden. Die Beschichtung der beweglichen Elemente ist ganz besonders
bevorzugt durch ein entsprechenden Verhältnis von schmaleren
zu breiteren Gräben eingestellt werden. Insbesondere ist
eine Beschichtung der Abdeckschicht mit weiteren Teilschichten zur Streßreduzierung
und/oder zur Verlängerung der Lebensdauer vorgesehen. Die
Abdeckschicht bzw. die Teilschichten werden optional durch weitere
fotolithographische Herstellungsschritte an den Bondlands zur Erzeugung
elektrischer Kontakte geöffnet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
zwölften Herstellungsschritt auf der Deckschicht eine weitere zweite
Opferschicht und in einem dreizehnten Herstellungsschritt auf der
weiteren zweiten Opferschicht eine weitere Deckschicht aufgebracht
wird, wobei die weitere Deckschicht vorzugsweise im siebten Herstellungsschritt
zusammen mit der Deckschicht und der Funktionsschicht geätzt
wird. Besonders vorteilhaft ist somit die Herstellung von Z-Beschleunigungssensoren
möglich, welche parallel einer Z-Richtung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene sensitiv sind. Im Bereich der beweglichen
Elemente sind in der Deckschicht Elektrode zur Detektion einer Bewegung
der beweglichen Elemente parallel zur Z-Richtung ausgebildet, wobei
in diesem Fall die weitere Deckschicht zum Tragen der Abdeckschicht
zur hermetischen Abdichtung der mikromechanische Struktur bzw. der
Funktionsschicht fungiert. Die beweglichen Elemente fungieren sowohl als
seismische Masse, als auch als Elektroden. Die Deckschicht und/oder
die weiteren Deckschichten sind vorzugsweise als Elektroden- und/oder
Verdrahtungsebenen ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
Schaltungsbereich der mikromechanischen Struktur im zweiten und
vierten Herstellungsschritt epitaktisches Silizium aufgewachsen
wird, wobei in fünfzehnten Herstellungsschritten CMOS-Schaltungsstrukturen
im Schaltungsbereich erzeugt werden, wobei in einem sechzehnten
Herstellungsschritt die CMOS-Schaltungsstrukturen mit der ersten,
zweiten und/oder dritten Leitschicht elektrisch leitfähig
verbunden werden. Besonders vorteilhaft wird somit die gemeinsame Realisierung
eines mikromechanischen Funktionsbereichs, vorzugsweise mit der
Funktionsschicht, den Elektroden und/oder den beweglichen Elementen, und
einer mikroelektronischen Auswerteschaltung zur Auswertung und/oder
Ansteuerung des mikromechanischen Funktionsbereichs auf nur einem
einzigen Substrat ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
siebzehnten Herstellungsschritt auf die Deckschicht, die weitere Deckschicht
und/oder auf die Abdeckschicht eine Verkappungsschicht insbesondere
mittels eines Bondverfahrens aufgebracht wird. Besonders vorteilhaft
wird somit die Deckschicht nicht zum Tragen der Abdeckschicht verwendet,
sondern ist als weitere mikromechanische Funktionsschicht nutzbar,
wie beispielsweise als Elektroden- und/oder Verdrahtungsebene bei
der Realisierung des Z-Beschleunigungssensors. Eine Versiegelung
der mikromechanischen Strukturen erfolgt in diesem Falle mittels
der Verkappungsschicht, welche beispielsweise durch ein eutektisches
Bondverfahren, Kalt-Verstemmung und/oder ein Direktbondverfahren
auf der Deckschicht angeordnet wird.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische
Struktur, wobei die mikromechanische Struktur ein Substrat, eine
auf dem Substrat angeordnete erste Opferschicht, eine auf der ersten
Opferschicht angeordnet Funktionsschicht, eine auf der Funktionsschicht
angeordnete zweite Opferschicht und eine auf der zweiten Opferschicht
angeordnete Deckschicht aufweist, wobei die Funktionsschicht bewegliche
Elemente aufweist. Besonders vorteilhaft ermöglicht dieser
Aufbau, wie oben bereits detailiert ausgeführt, die Realisierung von
beweglichen Elementen und beliebig ausgebildeten bzw. dimensionierten
Kavernen in der Funktionsschicht, wobei gleichzeitig eine zuverlässige
Abdeckung der Funktionsschicht mit den beweglichen Elementen durch
die Deckschicht realisiert wird. Besonders vorteilhaft werden somit
Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensor mit vergleichsweise
guten Sensoreigenschaften ermöglicht, welche im Vergleich
zum Stand der Technik wesentlich einfacher und damit kostengünstiger
herstellbar sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Deckschicht Gräben
aufweist, welche durch eine vorzugsweise auf der Deckschicht angeordnete
Abdeckschicht hermetisch verschlossen sind und/oder dass eine erste
Leitschicht in der ersten Opferschicht und/oder eine zweite und/oder dritte
Leitschicht auf der Deckschicht angeordnet ist. Besonders vorteilhaft
ermöglicht die Abdeckschicht eine hermetische Abdichtung
der mikromechanischen Struktur bzw. der Funktionsschicht trotz variabel
dimensionierter Kavernen in der Funktionsschicht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur
eine CMOS-Schaltungsstruktur aufweist, welche insbesondere zumindest
teilweise elektrisch leitfähig mit der ersten, der zweiten
und/oder der dritten Leitschicht verbunden ist und/oder dass die
mikromechanische Struktur einen mikromechanischen Sensor und insbesondere
einen Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor umfasst. Besonders
vorteilhaft wird somit die Realisierung sowohl eines mikromechanischen
Funktionsbereichs, als auch einer mikroelektronischen Auswerteschaltung
zur Auswertung und/oder Ansteuerung des mikromechanischen Funktionsbereichs
auf nur einem einzigen Substrat ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele
der 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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1 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanische Sensorstruktur
gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
schematische Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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8 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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9 eine
schematische Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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10 eine
schematische Seitenansicht einer sechstens Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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11 eine
schematische Seitenansicht einer siebten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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12 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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13 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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14 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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15 eine
schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
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In
den Figuren sind mit Bezugszeichen versehende gleiche Teile stets
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der
Regel auch jeweils nur einmal benannte bzw. erwähnt.
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht eine mikromechanische Sensorstruktur
gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei
die Sensorstruktur ein Substrat 101, eine erste Opferschicht 102 und eine
auf der ersten Opferschicht 102 angeordnet Funktionsschicht 103 mit
beweglichen Strukturen aufweist. Elektrisch kontaktiert wird die
Sensorstruktur mittels einer vergrabenen Leiterbahnen 106 und einer
auf der Funktionsschicht angeordneten Leiterschicht 108.
Die beweglichen Strukturen der Funktionsschicht 103 werden
mittels eines Kappenwafers 116 gegenüber einer
Außenatmosphäre der Sensorstruktur hermetisch
abgedichtet, wobei der Kappenwafer 116 mittels Glaslotverbindungen 117 mit
der Funktionsschicht 103 verbunden ist.
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In 2 ist
eine schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei anhand der ersten Vorläuferstruktur ein erster, zweiter
und neunter Herstellungsschritt zur Herstellung der mikromechanischen
Struktur veranschaulicht sind, wobei im ersten Herstellungsschritt ein
Substrat 1 in Form eines Grundwafers bereitgestellt wird
und auf dem Substrat 1 eine erste Opferschicht 2 abgeschieden
und strukturiert wird, wobei im neunten Verfahrensschritt in der
ersten Opferschicht 2 eine erste Leitschicht 2 insbesondere
zur späteren elektrischen Kontaktierung einer Funktionsschicht 3 angeordnet
wird. Anschließend wird im Rahmen des dritten Herstellungsschritts
auf der ersten Opferschicht 2 die Funktionsschicht 3 in
Form einer Siliziumschicht vorzugsweise durch ein Epitaxieverfahren
auf der ersten Opferschicht 2 abgeschieden.
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In 3 eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
anhand der zweiten Vorläuferstruktur ein dritter und sechster
Herstellungsschritt veranschaulicht wird, wobei im dritten Herstellungsschritt
auf der ersten Vorläuferstruktur bzw. auf der Funktionsschicht 3 der
ersten Vorläuferstruktur eine zweite Opferschicht 4 angeordnet
wird, welche in einem nachfolgenden sechsten Herstellungsschritt
insbesondere in einem lithographischen Verfahren strukturiert wird,
so dass die strukturierte zweite Opferschicht 4 als eine
Maskenschicht für die darunterliegende Funktionsschicht 3 in
späteren Ätzverfahren fungiert. Die zweite Opferschicht 4 umfasst
vorzugsweise eine Oxidschicht. In späteren Herstellungsschritten
fungiert die zweite Opferschicht 4 als vergrabene Maskenschicht,
als Opferschicht in späteren Ätzvorgängen
und/oder als Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der Funktionsschicht 3 von
einer auf der zweiten Opferschicht 4 angeordneten Deckschicht 5.
Die erste und/oder zweite Opferschicht 2, 4 umfassen
insbesondere Oxidschichten, Siliziumnitrid, verschiedene Gläser und/oder
keramische Schichten.
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In 4 ist
eine schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
anhand der dritten Vorläuferstruktur ein vierter, achter
und zehnter Herstellungsschritt veranschaulicht wird, wobei im vierten
Herstellungsschritt auf der zweiten Vorläuferstruktur bzw.
auf der zweiten Opferschicht 4 der zweiten Vorläuferstruktur
die Deckschicht 5 angeordnet wird. Die Deckschicht 5,
welche insbesondere eine Polysiliziumschicht umfasst, wird auf der
zweiten Opferschicht 4 abgeschieden. Vorzugsweise wird
im vierten Herstellungsschritt zunächst eine vergleichsweise
dünne Polysiliziumstartschicht auf der zweiten Opferschicht 4 abgeschieden,
auf die in einem Epi-Reaktor eine vergleichsweise dicke Polysiliziumschicht
abgeschieden wird. Die Deckschicht 5 wird in einem nachfolgenden
achten Herstellungsschritt wahlweise dotiert und/oder über ein
CMP-Verfahren planarisiert. Im zehnten Herstellungsschritt wird
auf der Deckschicht 5 eine dritte Leitschicht 8,
welche insbesondere ein Metall umfasst, zur späteren Kontaktierung
der Deckschicht 5 und/oder der Funktionsschicht 3 angeordnet.
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In 5 ist
eine schematische Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
anhand der vierten Vorläuferstruktur ein fünfter und
siebter Herstellungsschritt veranschaulicht wird, wobei im fünften
Herstellungsschritt auf der dritten Vorläuferstruktur bzw.
auf der Deckschicht 5 der dritten Vorläuferstruktur
eine insbesondere fotographische Maske 7 aufgebracht und
strukturiert wird. Die Maske 7 umfasst insbesondere eine
zweite Leitschicht, welche ein Metall zur späteren elektrischen Kontaktierung
der Funktionsschicht 3 umfasst. In dem nachfolgenden achten
Verfahrensschritt werden die Deckschicht 5 und die Funktionsschicht 3 geätzt, wobei
die Maske 7 als Maskenschicht für die Deckschicht 5 und
die zweite Opferschicht 4 als Maskenschicht für
die Funktionsschicht 3 fungiert, so dass in der Deckschicht 5 vergleichsweise
schmale Gräben 5'' und vollständig unterätzte
Bereiche 5''' erzeugt werden. Die Gräben 5'' weisen
jeweils insbesondere eine Querschnittsänderung 9 senkrecht
zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 1 auf, wobei
der Querschnitt 9 an einer dem Substrat 1 abgewandten
Seite der Deckschicht 5 vergleichsweise schmal ist und
zu einer dem Substrat 1 zugewandten anderen Seite der Deckschicht 5 breiter
wird. Vorzugsweise vereinigen sich die Ätzflanken zweier
benachbarter Gräben 5'' miteinander, so dass die
vollständig unterätzten Bereiche 5''' entstehen.
In der Funktionsschicht 3 entstehen durch die strukturierte zweite
Opferschicht 4 Kavernen.
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In 6 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur
aus der vierten Vorläuferstruktur mittels eines vierzehnten und
elften Herstellungsschrittes hergestellt wird, wobei im vierzehnten
Herstellungsschritt die vierte Vorläuferstruktur bzw. die
erste und zweite Opferschicht 2, 4 der vierten
Vorläuferstruktur geätzt wird, so dass in der
Funktionsschicht 3 bewegliche Elemente 20 erzeugt
werden, welche relativ zum Substrat 1 und/oder zur Deckschicht 5 beweglich
ausgebildet sind, und wobei im darauffolgenden elften Herstellungsschritt
eine Abdeckschicht 10 auf der Deckschicht 5, der
Maske 7 und/oder der dritten Leitschicht 8 angeordnet
wird, wobei vorzugsweise ein definierter Innendruck im Bereich der
beweglichen Elemente 20 eingestellt wird. Anschließend
wird die Abdeckschicht 10 insbesondere in Bereich der dritten Leitschicht 8 in
einem lithographischen Verfahren geöffnet, um Bondlands
herzustellen.
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In 7 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im
Wesentlichen identisch der ersten Ausführungsform dargestellt
in 6 ist, wobei die mechanische Struktur einen Stützbereich 11 aufweist,
welcher ein Abstützen der Deckschicht 5 auf der
Funktionsschicht 3 und der Funktionsschicht 3 auf
dem Substrat 1 ermöglicht. Dazu weist die Deckschicht 3 im
Bereich des Stützbereichs 11 eine nicht-unterätzte Stützstruktur
auf, welche sich unmittelbar auf einem nicht-unterätzten
Bereich der Funktionsschicht 3 abstützt, so dass
insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 auf
die Deckschicht 3 oder die Abdeckschicht 10 wirkende
Kräfte durch den Stützbereich 11 aufgenommen
werden.
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In 8 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform
im Wesentlichen identisch der ersten Ausführungsform dargestellt
in 6 ist, wobei die mechanische Struktur einen Anschlagsbereich 12 aufweist,
welcher in der Deckschicht 5 ausgebildet ist und eine einem
beweglichen Element 20 zugewandte Anschlagsfläche
im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 aufweist.
Der Anschlagsbereich 12 begrenzt einen Ausschlag des beweglichen
Elements 20 in Richtung der Anschlagsfläche, d.
h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 in Richtung
der Deckschicht 5.
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In 9 ist
eine schematische Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die fünfte Vorläuferstruktur einen Schaltungsbereich 13 und
einen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 neben dem
Schaltungsbereich 13 angeordneten mikromechanischen Funktionsbereich aufweist,
wobei der mikromechanische Funktionsbereich im Wesentlichen identisch der
dritten Vorläuferstruktur illustriert in 4 ist.
Der Schaltungsbereich 13 wird genauso wie der mikromechanische
Funktionsbereich ebenfalls durch den ersten, zweiten, dritten, vierten,
sechsten, achten, neunten und zehnten Herstellungsschritt hergestellt
wird, wobei im Schaltungsbereich 13 keine erste und zweite
Opferschicht 2, 4 und keine erste und dritte Leitschicht 6, 8 angeordnet
ist. Die erste und zweite Opferschicht 2, 4 und die
erste und dritte Leitschicht 6, 8 wurden entweder im
Schaltungsbereich 13 nach dem Aufbringen wieder entfernt
oder gar nicht erst aufgebracht. Der Schaltungsbereich 13 weist
hingegen lediglich im zweiten und/oder im vierten Herstellungsschritt
aufgewachsenes epitaktisches Silizium 14 auf.
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In 10 ist
eine schematische Seitenansicht einer sechstens Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei anhand der sechsten Vorläuferstruktur ein fünfzehnter
Herstellungsschritt zur Erzeugung von CMOS-Schaltungsstrukturen 15 in
dem epitaktischen Silizium 14 des Schaltungsbereichs 13 der
fünften Vorläuferstruktur illustriert wird.
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In 11 ist
eine schematische Seitenansicht einer siebten Vorläuferstruktur
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei anhand der sechsten Vorläuferstruktur der fünfte,
siebte, elfte und vierzehnte Herstellungsschritt illustriert werden.
Der fünfte, siebte, elfte und vierzehnte Herstellungsschritt
erzeugen im mikromechanischen Funktionsbereich eine mikromechanische
Sensorstruktur gemäß der ersten Ausführungsform
illustriert in 6, wobei zusätzlich
im elften Herstellungsschritt der Schaltungsbereich 13 mit
der Abdeckschicht 10 abgedeckt wird. In einem nachfolgenden
Schritt wird die Abdeckschicht 10 in Kontaktbereichen des
Schaltungsbereichs 13 und des mikromechanischen Funktionsbereichs
mittels eines lithographischen Verfahrens geöffnet.
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In 12 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß der vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur mittels
eines zehnten und sechzehnten Herstellungsschrittes aus der siebten
Vorläuferstruktur hergestellt ist, wobei im sechzehnten
Herstellungsschritt der mikromechanische Funktionsbereich elektrisch leitfähig mit
dem Schaltungsbereich 13 verbunden wird, indem im zehnten
Herstellungsschritt auf den mikromechanischen Funktionsbereich und
den Schaltungsberiech 13 eine dritte Leitschicht 8 aufgebracht wird,
welche vorzugsweise in den Kontaktbereichen die CMOS-Schaltungsstrukturen
und/oder die Deckschicht kontaktiert.
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In 13 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die fünfte
Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform ähnelt,
wobei in einem zwölften Herstellungsschritt auf der Deckschicht 5 eine
weitere zweite Opferschicht 4' angeordnet wird, vorzugsweise
in einem lithographischen Verfahren strukturiert wird und/oder vorzugsweise
im vierzehnten Verfahrensschritt zusammen mit der ersten und zweiten
Opferschicht 2, 4 geätzt wird und in einem
dreizehnten Verfahrensschritt auf der weiteren zweiten Opferschicht 4' eine
weitere Deckschicht 5' vorzugsweise in einem Epitaxieverfahren
aufgebracht wird, welche gemeinsam mit der Deckschicht 5 und
der Funktionsschicht 3 im siebten Verfahrensschritt geätzt
wird, so dass im elften Verfahrensschritt die Abdeckschicht 10 auf
der weiteren Deckschicht 5' an Stelle der Deckschicht 5 aufgebracht
wird, wobei die weitere Deckschicht 5 insbesondere baugleich zur
oben beschriebenen Deckschicht 5 ist. Die neue Deckschicht 5 zwischen
der weiteren Deckschicht 5' und der Funktionsschicht 3 umfasst
insbesondere eine Elektroden- und/oder Verdrahtungsebene, so dass
die mikromechanische Struktur gemäß der fünften
Ausführungsform vorzugsweise einen z-sensitiven Beschleunigungssensor
umfasst und eine Auslenkung der beweglichen Elemente 20 in
z-Richtung, d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100, von
Elektroden in dieser neuen Deckschicht 5 detektiert wird.
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In 14 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die sechste Ausführungsform identisch
der fünften Ausführungsform ist, wobei das Substrat 1,
die erste Opferschicht 2 und die Funktionsschicht 3 durch
einen SOI-Wafer gebildet werden, wobei die Oxidschicht des SOI-Wafers
als erste Opferschicht 2 und der einkristalline Bereich
des SOI-Wafers als Funktionsschicht 3 mit den beweglichen
Elementen 20 fungiert. Die Deckschicht 5 auf der
zweiten Opferschicht 3 fungiert vorzugsweise als Verdrahtungsebene,
während die weitere zweite Deckschicht 5' zur
Abstützung und Bildung der hermetischen Abdichtung der
beweglichen Elemente 20 mittels der Abdeckschicht 10 dient.
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In 15 ist
eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer siebten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die siebte Ausführungsform
im Wesentlichen der ersten Ausführungsform dargestellt
in 6 ist, wobei die Deckschicht 5 nicht
in einem elften Herstellungsschritt mit der Abdeckschicht 10 bedeckt
wurde, sondern alternativ dazu in einem siebzehnten Herstellungsschritt
eine Verkappungsschicht 16 auf der Deckschicht 3 mittels
einer Bondverbindung aufgebracht wird, so dass die Deckschicht 3 als weitere
Funktionsschicht und nicht als Teil einer Verkappungsschicht fungiert.
Die Deckschicht 3 weist dazu vorzugsweise andere Eigenschaften
und Parameter, wie beispielsweise Dotierung, Dicke und/oder Stressgradient,
als die Funktionsschicht 3 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19537814
A1 [0002]
- - DE 19961578 [0003]
- - DE 4241045 C1 [0005]
- - DE 4317174 A1 [0006]