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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil, welcher in einem Substrat einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Miniaturisierte Sensoren spielen heutzutage eine wichtige Rolle in der Messtechnik. Dabei kommen häufig mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) als erste Aufnehmer für physikalische Messgrößen zur Anwendung. Insbesondere Beschleunigungssensoren oder Magnetfeldsensoren lassen sich in der Mikrosystemtechnik in integrierten Schaltungen realisieren.
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Bekannte Beschleunigungssensoren beruhen meist auf Feder-Masse-Systemen, bei denen schmale Siliziumarme als Federn dienen, deren Masse ebenfalls aus Silizium hergestellt ist. Durch eine Auslenkung bei einer Beschleunigung wird eine Kapazitätsänderung zwischen den Siliziumarmen und einer Bezugselektrode verursacht, deren Änderung ein Maß für die Beschleunigung ist und die über eine Auswerteelektronik in einer integrierten Schaltung gemessen und umgerechnet werden kann.
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Üblicherweise werden für die Herstellung von Beschleunigungssensoren photolithographische Verfahren und/oder Nass- oder Trockenätzverfahren zur Ausbildung der Feder-Masse-Systeme in einem Silizium-Substrat verwendet.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 043 524 A1 ist beispielsweise ein Beschleunigungssensor bekannt, der auf einem Basissubstrat eine Bezugselektrodenstruktur und ein bewegliches Sensorelement mit einem Elektrodenbereich aufweist, wobei bei einer Auslenkung des Sensorelements durch die Einwirkung einer Beschleunigung eine Kapazitätsänderung zwischen der Bezugselektrodenstruktur und dem Elektrodenbereich des Sensorelements auftritt.
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Ein mikro-elektromechanisches Bauelement mit mindestens einer an einem Substrat fest angeordneten Stator-Elektrode und einer beabstandet dazu drehbar angeordneten Schwungmasse in Form einer asymmetrischen Wippe, welche aus einer auf das Substrat aufgebrachten Halbleiterschicht herausstrukturiert und als mindestens eine Aktor-Elektrode ausgebildet ist, wird auch in der
DE 10 2008 043 788 A1 beschrieben
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1, ein mikromechanisches Bauteilzu schaffen, welcher in CMOS-Technologie in einfacher, kostengünstiger und platzsparender Art und Weise gefertigt werden kann, und welcher eine hohe Messgenauigkeit aufweist.
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Ein mikromechanisches Bauteilnach Anspruch 1 gemäß einer Ausführungsform weist ein Substrat mit einer Hauptoberfläche, eine erste Vielzahl von Gräben in dem Substrat, die ein erstes und ein zweites Massenelement des Substrats von einem ersten Stegelement des Substrats derart trennen, dass das erste und das zweite Massenelement entlang einer Erstreckungsrichtung der Hauptoberfläche das erste Stegelement einschließen, und gegenüber dem Substrat in Richtung einer Flächennormalen der Hauptoberfläche beweglich angeordnet sind, eine erste Elektrodenschicht, welche auf der Hauptoberfläche des Substrats aufgebracht ist und auf dem ersten Stegelement zwischen dem ersten und dem zweiten Massenelement eine erste Elektrode ausbildet, und eine zweite Elektrodenschicht auf, welche auf dem ersten und dem zweiten Massenelement aufgebracht ist und im Bereich des ersten Stegelements eine freitragende zweite Elektrode über der ersten Elektrode ausbildet, wobei die erste und die zweite Elektrode eine erste Kapazität ausbilden. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass ein Beschleunigungssensor für eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche in einem Substrat ausgebildet werden kann, der vollständig in CMOS-Technologie ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst das mikromechanisches Bauteil weiterhin eine zweite Vielzahl von Gräben in dem Substrat, die ein drittes und ein viertes Massenelement des Substrats von einem zweiten Stegelement des Substrats derart trennen, dass das dritte und das vierte Massenelement entlang einer Erstreckungsrichtung der Hauptoberfläche das zweite Stegelement einschließen, und gegenüber dem Substrat in Richtung einer Flächennormalen der Hauptoberfläche beweglich angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenschicht auf dem zweiten Stegelement zwischen dem dritten und dem vierten Massenelement eine dritte Elektrode ausbildet, und die zweite Elektrodenschicht auf dem dritten und dem vierten Massenelement aufgebracht ist und im Bereich des zweiten Stegelements eine freitragende vierte Elektrode über der dritten Elektrode ausbildet, wobei die dritte und die vierte Elektrode eine zweite Kapazität ausbilden. Dadurch kann insbesondere eine Kapazitätswippe hergestellt werden.
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Wenn die Masse der dritten und vierten Massenelemente größer als die Masse der ersten und zweiten Massenelemente ist, kann ferner vorteilhafterweise eine Massenasymmetrie geschaffen werden, durch die eine Beschleunigung entlang der Flächennormalen der Hauptoberfläche über eine Differenz der Kapazitätsänderungen der ersten und der zweiten Kapazität messbar ist. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass die freitragende zweite bzw. vierte Elektrode als bewegliche Elektroden nicht mit Substratmaterial belastet sind und somit eine Massenasymmetrie in der Kapazitätswippe leichter und auf kleinerem Raum zu realisieren ist.
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Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 einen Beschleunigungssensor in Querschnittsansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 den Beschleunigungssensor aus 1 in einer Draufsicht.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
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1 zeigt einen Beschleunigungssensor 10 in Querschnittsansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor 10 beinhaltet ein Substrat 1 mit einer Hauptoberfläche 1a. Das Substrat 1 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. In dem Substrat 1 sind eine Vielzahl von Gräben 8a eingebracht, die Massenelemente 4 von einem Stegelement 4a innerhalb des Substrats 1 räumlich trennen. Die Gräben 8a sind dabei durch Hohlräume 8 innerhalb des Substrats 1 verbunden, so dass die Massenelemente 4, wie durch die Pfeile angedeutet, in Richtung einer Flächennormalen der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 beweglich angeordnet sind. Die Gräben 8a haben eine typische Breite von etwa 0,5 bis 5 μm. Die Hohlräume haben typische Ausdehnungen von 1–10 μm. Die Gräben 8a können über einen gerichteten/isotropen Plasmaätzprozess in das Substrat 1 eingebracht werden. Die Hohlräume 8 können beispielsweise über einen ungerichteten/isotropen Ätzprozess bei niedrigem Gasdruck eingebracht werden. Vor dem Ätzprozess können die senkrechten Seitewände der Gräben passiviert werden, so dass der isotrope Ätzangriff nur an den Bodenflächen der Gräben startet. Dies kann beispielweise durch eine konforme Oxidabscheidung an der gesamten Oberfläche geschehen und einer anschließend gerichteten Oxidätzung (RIE, ”reactive ion etching”), bei der nur das Oxid an den horizontalen Flächen geöffnet wird. Wichtig ist hierbei, dass die Massenelemente 4 durch die Hohlräume 8 beweglich freigestellt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Massenelemente 4 eine genügend geringe Breite aufweisen, so dass der isotrope Ätzprozess am Boden der Gräben 8a jeweils Hohlräume ausbilden kann, die während des Ätzprozesses aufeinanderstoßen und einen gemeinsamen Hohlraum 8 unter dem jeweiligen Massenelement 4 ausbilden können.
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Auf der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 ist auf dem Stegelement 4a eine erste Elektrodenschicht 9 aufgebracht, welche im Bereich des Stegelements 4a eine erste Elektrode 6a ausbildet. Die erste Elektrodenschicht 9 ist dabei vorzugsweise eine Metallschicht. Die erste Elektrodenschicht 9 kann sich auch über weitere Bereiche der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 erstrecken, beispielsweise über die Massenelemente 4 oder Bereiche außerhalb der Massenelemente 4 und des Stegelements 4a. Die Metallschicht kann in diesen Bereichen als Ätzmaske zur Herstellung der Gräben 8a verwendet werden. Weiterhin kann diese Schicht zur Herstellung von CMOS-Schaltelementen verwendet werden, oder auch als Schutzschicht für CMOS-Schaltelemente, die eventuell schon vorhandene CMOS-Elemente während der Herstellung der speziellen MEMS-Elemente schützt. Gleiches gilt für die weiteren Metalllagen.
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Auf der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1a können unter der ersten Elektrodenschicht 9 auch ein oder mehrere dielektrische Schichten, insbesondere Oxidschichten aufgebracht werden. Die dielektrischen Schichten können dabei ebenfalls als Maskenschichten für die Ätzprozesse der Gräben 8a und/oder der Hohlräume 8 eingesetzt werden.
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Auf den Massenelementen 4 ist eine zweite Elektrodenschicht 7 aufgebracht. Zwischen der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 und der zweiten Elektrodenschicht 7 können im Bereich der Massenelemente 4 ein oder mehrere dielektrische Schichten angeordnet sein. Ebenso können in diesem Bereich weitere Metalllagen unterhalb der zweiten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Die Metalllagen können durch weiter dielektrische Schichten getrennt sein und es können auch Kontaktbereich zwischen den Metalllagen vorgesehen sein. Die Elektrodenschicht kann perforiert sein und die erste Elektrodenschicht 9 im Bereich des Stegelements 4a überspannen. Die dielektrischen Schichten zwischen der zweiten Elektrodenschicht 7 und der ersten Elektrodenschicht 9 im Bereich des Stegelements 4a können entfernt werden. Durch die Wahl der dielektrischen Schichten zwischen den beiden Elektrodenschichten 7 und 9 kann der Grundabstand zwischen Elektroden definiert eingestellt werden.
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Die dielektrischen Schichten können dabei beispielsweise über einen CVD-Prozess auf den Massenelementen 4, dem Substrat 1 und/oder dem Stegelement 4a aufgebracht werden.
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Durch die Übereinanderanordnung der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 6 wird eine Kapazität 5 ausgebildet. Der Wert der Kapazität 5 hängt dabei unter anderem von dem Abstand der ersten Elektrode 6a zur zweiten Elektrode 6 ab. Dieser Abstand kann variieren, da die Massenelemente 4 gegenüber dem Substrat 1 und damit insbesondere gegenüber dem Stegelement 4a in Richtung der Flächennormalen der Hauptoberfläche beweglich ausgestaltet sind. Wirkt beispielsweise eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor 10, so werden die Massenelemente 4 gegenüber dem Substrat 1 ausgelenkt und der Abstand zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 6 ändert sich. Dies führt zu einer Änderung der Kapazität 5.
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In 2 wird ein Beschleunigungssensor 20 in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Beschleunigungssensor 20 kann dabei insbesondere dem Beschleunigungssensor 10 ähnlich sein. Der Beschleunigungssensor 20 umfasst dabei ein Substrat 1, in welchem eine Vielzahl von Gräben ähnlich der Gräben 8a in 1 eingebracht sind. Eine erste Elektrodenschicht bedeckt ein erstes Stegelement 21, welches dem Stegelement 4a in 1 entsprechen kann. Das erste Stegelement 21 befindet sich in einer Erstreckungsrichtung der Hauptoberfläche des Substrats 1 zwischen zwei ersten Massenelementen 25a und 25b, die durch Gräben von dem ersten Stegelement 21 getrennt sind. Nicht sichtbar sind in 2 Hohlräume ähnlich der Hohlräume 8 in 1 die sich unterhalb der ersten Massenelemente 25a und 25b erstrecken und die ersten Massenelemente 25a und 25b gegenüber dem Substrat in Richtung einer Normalen zur Zeichenebene beweglich machen. Die ersten Massenelemente 25a und 25b können über einen Mittelsteg 31 mit dem restlichen Substrat verbunden bleiben.
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In 2 sind beispielhaft drei erste Massenelemente linksseitig des Mittelsteges 31 gezeigt, die zwei erste Stegelemente kammartig einschließen. Die ersten Massenelemente sind ebenso wie die ersten Stegelemente weiterhin beispielhaft in rechteckiger Form dargestellt. Es ist jedoch selbstverständlich, dass jede andere Anzahl an ersten Massenelementen und ersten Stegelementen sowie jede andere Form für die Massen- und Stegelemente ebenso möglich ist, um einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor zu realisieren. Eine typische Ausdehnung der ersten Massenelemente beträgt etwa 5 bis 50 μm in der Länge und etwa 0,5 bis 5 μm in der Breite. Die ersten Stegelemente können demgemäß dimensioniert werden. Es sollte jedoch klar sein, dass die Dimensionen für die Massen- und Stegelemente auch anders gewählt werden können.
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Das erste Stegelement 21 ist mit einer ersten Elektrodenschicht beschichtet, die ähnlich der ersten Elektrodenschicht 9 in 1 sein kann. Es kann vorgesehen sein, die erste Elektrodenschicht über Leitungen 22 mit einem ersten Elektrodenanschluss 28 in einem Randbereich des Substrats 1 zu verbinden.
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Die ersten Massenelemente 25a und 25b sind mit einer zweiten Elektrodenschicht beschichtet, die ähnlich der zweiten Elektrodenschicht 7 in 1 sein kann. Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrodenschicht, beispielsweise über den Mittelsteg 31 mit einer Leitung 27 verbunden ist, die einen Anschluss der zweiten Elektrodenschicht über einen zweiten Elektrodenanschluss 30 im Randbereich des Substrats 1 ermöglicht.
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Die zweite Elektrodenschicht ist derart ausgebildet, dass sie sich in einem Bereich über dem ersten Stegelement 21 zwischen den ersten Massenelementen 25a und 25b freitragend erstreckt. Hierzu ist ein Bereich der zweiten Elektrodenschicht über der ersten Elektrodenschicht über dünne Stege mit den Bereichen der zweiten Elektrodenschicht über den ersten Massenelementen 25a und 25b verbunden und bildet eine zweite Elektrode 6 über einem Bereich der ersten Elektrodenschicht, der eine erste Elektrode 6a bildet, aus. Die erste Elektrode 6a und die zweite Elektrode 6 bilden dabei eine Kapazität ähnlich der Kapazität 5 in 1 aus. Über die Elektrodenanschlüsse 28 und 30 können die erste Elektrode 6a bzw. die zweite Elektrode 6 mit einer Spannung beaufschlagt werden, um die Kapazität zu vermessen.
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Die zweite Elektrodenschicht kann vorzugsweise perforiert sein, um durch die Perforationslöcher Gräben in das Substrat über anisotrope Ätzprozesse einzubringen. Dies erleichtert dann wiederum die Unterätzung der Massenelemente 25a und 25b über isotrope Ätzprozesse am Boden der in die Perforationslöcher eingebrachten Gräben. Ebenso ist die Perforation günstig, um über einen isotropen Ätzprozess die dielektrischen Schichten zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht im Bereich der Stegelemente 4a gezielt zu entfernen. Es ist weiterhin vorteilhaft, die Stege, welche die zweite Elektrode 6 mit der zweiten Elektrodenschicht über den ersten Massenelementen 25a und 25b verbinden, möglichst schmal zu halten, um eine vollständige Unterätzung und damit eine vollständige Trennung der ersten Massenelemente 25a und 25b von dem ersten Stegelement 21 in den Trenngräben zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, zweite Massenelemente 26a und 26b sowie ein zweites Stegelement 23 mit einer weiteren Vielzahl von Gräben und Hohlräumen in dem Substrat auszubilden. Dabei sind die zweiten Massenelemente 26a und 26b sowie das zweite Stegelement 23 ähnlich den ersten Massenelementen 25a und 25b bzw. dem ersten Stegelement 21 ausgebildet. Der Unterschied besteht darin, dass die zweiten Massenelemente 26a und 26b mehr Masse aufweisen als die ersten Massenelemente 25a und 25b, beispielsweise wie in 2 gezeigt durch eine größere Länge in dem Substrat 1. Es ist jedoch auch auf eine Vielzahl anderer Weisen möglich, die zweiten Massenelemente 26a und 26b mit einer größeren Masse als die ersten Massenelemente 25a und 25b zu versehen.
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Die erste und zweite Elektrodenschicht können in ähnlicher Weise wie oben erläutert auf die zweiten Massenelemente 26a und 26b sowie das zweite Stegelement 23 aufgebracht werden. Dadurch werden eine dritte und eine vierte Elektrode bereitgestellt, die eine zweite Kapazität bilden. Die zweite Kapazität kann über Elektrodenanschlüsse 29 und 30 und über Leitungen 24 und 27 mit einer Spannung beaufschlagt werden, um die zweite Kapazität zu vermessen. Die zweite Kapazität kann dabei ähnliche geometrische Abmessungen aufweisen wie die erste Kapazität.
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Wie in 2 beispielhaft gezeigt, können die zweiten Massenelemente 26a und 26b ebenso wie die ersten Massenelemente 25a und 25b über den Mittelsteg 31 mit dem Substrat verbunden sein. Auf diese Weise kann eine Kapazitätswippe mit den ersten Massenelementen 25a und 25b auf der einen und den zweiten Massenelementen 26a und 26b auf der anderen Seite ausgebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, die ersten Massenelemente 25a und 25b und die zweiten Massenelemente 26a und 26b in separaten Bereichen des Substrats 1 anzuordnen. Weiterhin ist es in diesem Fall möglich, eine separate Leitung und einen separaten Elektrodenanschluss für die zweiten Massenelemente 26a und 26b bzw. die zweite Kapazität bereitzustellen. Zweckmäßigerweise kann es jedoch vorteilhaft sein, beide freitragenden Elektroden über eine gemeinsame Leitung und einen gemeinsamen Anschluss anzusteuern.
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Dadurch, dass die zweiten Massenelemente 26a und 26b eine höhere Masse aufweisen als die ersten Massenelemente 25a und 25b, werden bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 20 in Richtung einer Flächennormalen der Hauptoberfläche des Substrats 1 die ersten Massenelemente 25a und 25b stärker als die zweiten Massenelemente 26a und 26b ausgelenkt. Das bedeutet, dass sich der Abstand der Elektroden in der ersten Kapazität stärker ändert als der Abstand der Elektroden in der zweiten Kapazität. Dies wiederum resultiert in einer Differenz der Kapazitätsänderungen in der ersten und der zweiten Kapazität, die sich an den Elektrodenanschlüssen 28, 29 und 30 über eine angelegte Spannung vermessen lässt. Damit kann auf einen Wert der Beschleunigung zurückgeschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043524 A1 [0005]
- DE 102008043788 A1 [0006]
