DE102011006422A1

DE102011006422A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102011006422A1
Application number: DE201110006422
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: US20120248931A1; US9038466B2; DE102011006422B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat (12) mit mindestens einer in Bezug zu dem Substrat (12) fest angeordneten Stator-Elektrode (22, 24), einer beweglichen Masse (14) mit mindestens einer in Bezug zu der beweglichen Masse fest angeordneten Aktor-Elektrode (20), und mindestens einer Feder (42), über welche die bewegliche Masse (14) verstellbar ist, wobei die bewegliche Masse (14) mittels mindestens eines Trenngrabens (16, 18) aus dem Substrat (12) herausstrukturiert ist, mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22) zumindest einen Abschnitt des mindestens einen Trenngrabens (16, 18) und/oder der beweglichen Masse (14) überspannt, die mindestens eine Aktor-Elektrode (20) zwischen die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22) und das Substrat (12) hineinragt, und mindestens eine innere Stator-Elektrode (24) zwischen die mindestens eine Aktor-Elektrode (20) und das Substrat (12) hineinragt. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
In der DE 10 2008 043 790 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement mit einer an einem Substrat angeordneten Stator-Elektrode und einer als Aktor-Elektrode ausgebildeten und in einem Abstand zu der Stator-Elektrode drehbar angeordneten Schwungmasse beschrieben. Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements wird eine isolierende Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Auf der isolierenden Schicht wird die mindestens eine Stator-Elektrode gebildet. Anschließend werden eine Opferschicht und eine Halbleiterschicht, wie beispielsweise eine EPI-Polysiliziumschicht, auf der mindestens einen Aktor-Elektrode abgeschieden. Die Schwungmasse wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in Form einer asymmetrischen Wippe aus der Halbleiterschicht herausstrukturiert.
Ein mikromechanisches 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.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gewährleistet ein Herausstrukturieren der beweglichen Masse (und der mindestens einen Feder) aus dem Substrat. Somit entfällt die Notwendigkeit eines Abscheidens/Bildens einer zusätzlichen Halbleiterschicht auf einer auf dem Substrat gebildeten Isolierschicht/Opferschicht, aus welcher die bewegliche Masse beim Stand der Technik gebildet wird. Somit entfallen bei der erfindungsgemäßen Technologie die herkömmlicher Weise häufig auftretenden Probleme beim Herstellen eines SOI-Aufbaus (Silicon an Isolator). Ebenso können gegenüber dem Stand der Technik Arbeitsschritte beim Herstellungsverfahren eingespart werden. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil gesenkt werden.
Des Weiteren gewährleistet die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte Anordnung von mindestens einer inneren Stator-Elektrode und mindestens einer äußeren Stator-Elektrode in einem vergleichsweise kleinen Abstand zu der mindestens einen Aktor-Elektrode, wobei die mindestens eine innere Stator-Elektrode an einer ersten Seite und die mindestens eine äußere Stator-Elektrode an einer gegenüberliegenden zweiten Seite der mindestens einen Aktor-Elektrode anordbar ist. Insbesondere ist der kleine Abstand sowohl zwischen der mindestens einen inneren Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode sowie der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode unabhängig von einer Ausdehnung der beweglichen Masse senkrecht zu den Elektroden gewährleistbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass mittels der erfindungsgemäßen Technologie auch alle Elektroden so anordbar sind, dass die mechanischen Eigenschaften der Elektroden keine/kaum mechanische Spannungen in dem Substrat oder in der beweglichen Masse bewirken können. Somit ist es nicht notwendig, das Substrat mittels eines Vorderseiten- und/oder Rückseiten-Ätzprozesses so zu strukturieren, dass unter einer MEMS-Metallschicht (Mikrosystemtechnikmetallschicht) noch Halbleiterstege ausgebildet werden, welche herkömmlicher Weise meistens mit einer größeren Breite als die mindestens eine Metallbahn zu bilden sind. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass man keine Rückseitenprozesse für das Herstellen der unterstützenden Halbleiterstege auszuführen hat.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die mindestens eine äußere Stator-Elektrode mittels mindestens einer in dem ersten Zwischenraum angeordneten Stator-Stützkomponente mit dem Substrat verbunden und/oder die mindestens eine Aktor-Elektrode mittels mindestens einer in dem zweiten Zwischenraum angeordneten Aktor-Stützkomponente mit der beweglichen Masse verbunden. Somit ist ein verlässlicher Halt der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode unabhängig von einer Bewegung der beweglichen Masse und der mindestens einen Aktor-Elektrode mit dem Substrat gewährleistbar. Ebenso ist die mindestens eine Aktor-Elektrode auf einfache Weise an die bewegliche Masse anbindbar.
Vorzugsweise ist ein Reihen-Spalten-Muster der Aktor-Stützkomponenten zu einem Reihen-Spalten-Muster der Stator-Stützkomponenten derart versetzt, dass in ein Rechteck aus vier Aktor-Stützkomponenten eine der Stator-Stützkomponenten äquidistant zu den vier Aktor-Stützkomponenten hineinragt und in ein Rechteck aus vier Stator-Stützkomponenten eine der Aktor-Stützkomponenten äquidistant zu den vier Stator-Stützkomponenten hineinragt. Der vorteilhafte Halt der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode an dem Substrat und der mindestens einen Aktor-Elektrode an der beweglichen Masse ist dadurch verbesserbar.
Bevorzugter Weise ist mindestens eine integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung in und/oder auf dem Substrat ausgebildet. Beispielsweise kann die integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung als CMOS-Schaltung innerhalb eines einzigen Chips mit MEMS-Strukturen realisiert werden. Dies gewährleistet eine kostengünstige und wenig Bauraum erfordernde Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit einer Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung.
Das mikromechanische Bauteil kann eine äußere Lage aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine äußere Stator-Elektrode, eine mittlere Lage aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine Aktor-Elektrode und eine innere Lage aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine innere Stator-Elektrode umfassen, wobei zwischen der äußeren Lage und der mittleren Lage und/oder zwischen der mittleren Lage und der inneren Lage mindestens ein Pufferbereich umfassend mindestens ein isolierendes Material und/oder ein leitfähiges Material ausgebildet ist. Dies gewährleistet eine einfache Herstellung des mikromechanischen Bauteils, beispielsweise mittels des unten genauer beschriebenen Verfahrens. Ein isolierender Pufferbereich verhindert einen Stromfluss zwischen zwei benachbarten Lagen. Als Alternative dazu kann über einen leitfähigen Pufferbereich auch ein elektrisches Signal und/oder ein Versorgungsstrom von einer ersten Lage zu einer benachbarten zweiten Lage übertragen werden. Ebenso ist über eine Ausbildung eines Pufferbereichs aus einem festen Material, wie beispielsweise einem Metall und/oder einem Halbleitermaterial, gewährleistbar, dass die die Zwischenlage kontaktierenden Bereiche der beiden benachbarten Lagen auch bei einem Einwirken einer Kraft ihre Stellung zueinander nicht ändern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die bewegliche Masse in Bezug zu dem Substrat um eine entlang der mindestens einen Feder verlaufende Drehachse verkippbar, wobei die Drehachse die bewegliche Masse in eine erste Teilmasse mit einem ersten Gewicht und in eine zweite Teilmasse mit einem zweiten Gewicht kleiner als dem ersten Gewicht unterteilt. Man kann dies auch so umschreiben, dass die bewegliche Masse als asymmetrische Wippe um eine entlang der mindestens einen Feder verlaufende Drehachse verkippbar ausgebildet ist. Eine derartige asymmetrische Wippe reagiert bereits auf eine geringe Beschleunigung und/oder eine leichte Druckänderung. Somit ist insbesondere bei einer derartigen Ausbildung der beweglichen Masse eine gute Verwendbarkeit des mikromechanischen Bauteils in einer Sensorvorrichtung gewährleistet.
Zusätzlich können die erste Teilmasse und die zweite Teilmasse jeweils einen Verbindungssteg und mehrer an dem zugehörigen Verbindungssteg angeordneten Zinkenstege umfassen, wobei die erste Teilmasse zusätzlich eine an den von ihrem Verbindungssteg weggerichtete Enden ihrer Zinkenstege angeordnete Zusatzmasse umfasst. Dies gewährleistet eine ausreichende asymmetrische Massenverteilung zwischen den beiden Teilmassen bereits bei einer vergleichsweise kleinen Gesamtmasse der beweglichen Masse. Somit ist das mikromechanische Bauteil mit einer geringen Gesamtmasse und mit einem kleinen Bauraumbedarf ausbildbar.
Als Ergänzung können die Zinkenstege in den Aktor-Kontaktbereichen der sie kontaktierenden mindestens zwei Aktor-Stützkomponenten Verbreiterungen aufweisen und zwischen zwei benachbarten Aktor-Kontaktbereichen eines Zinkenstegs schmäler ausgebildet sein. Somit lassen sich für die Bereiche zwischen den Verbreiterungen Materialeinsparungen realisieren, durch welche die mittlere Breite der Zinkenstege reduzierbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die mindestens eine äußere Stator-Elektrode und/oder die mindestens eine Aktor-Elektrode Netzbereiche aus gezackten, rechtwinklig abgeknickten und/oder gebogenen Strängen. Mittels einer derartigen Ausbildung der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode und/oder der mindestens einen Aktor-Elektrode kann einer Übertragung von mechanischem Stress entgegengewirkt werden.
In einer Weiterbildung kann das mikromechanische Bauteil eine in Bezug zu der beweglichen Masse fest angeordnete Spule umfassen. In diesem Fall ist das mikromechanische Bauteil auch für einen Magnetsensor verwendbar.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einer Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Als Ergänzung kann die Sensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Größe bezüglich einer ersten Kapazität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode und eine zweite Größe bezüglich einer zweiten Kapazität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen inneren Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten ersten Größe und der ermittelten zweiten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse ausgeübten Beschleunigung, eines auf die bewegliche Masse ausgeübten Drucks und/oder eines Magnetfelds in einem Bereich einer in Bezug zu der beweglichen Masse fest angeordneten Spule festzulegen und auszugeben. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung eine integrierte Auswerteschaltung umfassen. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung als CMOS-Schaltung innerhalb eines einzigen Chips mit den MEMS-Strukturen realisiert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist ein Beschleunigungssensor, mittels welchem eine Beschleunigung (des Beschleunigungssensors) mit einer senkrecht zu der Flächenausdehnung des Substrats ausgerichteten Komponente ungleich Null erkennbar/nachweisbar/messbar ist. Ein derartiger Beschleunigungssensor wird häufig auch als Z-Sensor bezeichnet.
Insbesondere kann mittels der erfindungsgemäßen Technologie ein Z-Sensor für sehr hohe Kapazitäten und/oder Kapazitätsänderungen hergestellt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass mittels der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Technologie auch Beschleunigungssensoren bildbar sind, welche als Alternative oder als Ergänzung zu der Funktionsfähigkeit eines Z-Sensors dazu geeignet sind, eine Beschleunigung (des Beschleunigungssensors) in eine parallel zu der Ausdehnungsfläche des Substrats ausgerichteten Richtung zu erkennen/messen (X- oder XY-Beschleunigungssensoren).
Aufgrund der vorteilhaften beidseitigen und der gering-beabstandeten Anordnung der Stator-Elektroden zu der mindestens einen Aktor-Elektrode kann selbst eine geringe Verstellbewegung der mindestens einen Aktor-Elektrode Anordnung der Stator-Elektroden verlässlich nachgewiesen und/oder ermittelt/gemessen werden. Vor allem kann das mikromechanische Bauteil für einen Sensor, insbesondere einen Z-Sensor, mit einer beidseitigen (differentiellen) Elektrodenanordnung verwendet werden. Ein mit dem mikromechanischen Bauteil ausgestatteter Sensor zeichnet sich durch ein sehr gutes Verhalten bezüglich äußerer Einflüsse aus, welches über die gesamte Lebensdauer des Sensors gewährleistet ist. Der an dem mikromechanischen Bauteil realisierbare symmetrische Aufbau kann zusätzlich dazu beitragen, Störeffekte herauszumitteln.
Die Sensoreinrichtung ist jedoch nicht auf eine Ausbildung als Beschleunigungssensor beschränkt. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung auch als Drucksensor ausgebildet sein, wobei eine Druckänderung zu einer Verstellbewegung der beweglichen Masse führen kann, welche nachweisbar ist.
In einer anderen Ausbildungsform ist es möglich, auf der beweglichen Masse eine Spule anzuordnen/auszubilden. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil als sensitives Element eines Magnetfeldsensors verwendet werden. Bei einer zeitlichen Änderung einer Magnetfeldstärke tritt aufgrund eines induzierten Stromflusses durch die Spule eine Auslenkung/Verstellbewegung der beweglichen Masse auf. Über eine kapazitive Messung kann somit auch eine Große bezüglich der Magnetfeldstärke festgelegt/bestimmt werden.
Die Verwendbarkeit des mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor und/oder einen Magnetfeldsensor beschränkt.
Die vorausgehend genannten Vorteile sind auch mittels des entsprechenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil gewährleistbar.
Gleichzeitig gewährleistet die unten genauer beschriebene erfindungsgemäße Technologie eine Möglichkeit zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer in Bezug zu einem Substrat beweglichen Masse und mindestens einer unverstellbar in Bezug zu dem Substrat angeordneten Stator-Elektrode, wobei die zum Herausstrukturieren der beweglichen Masse und der mindestens einen Feder aus dem Substrat auszuführenden Ätzschritte und die zum Bilden der mindestens einen Stator-Elektrode auszuführenden Abscheideschritte/Ätzschritte lediglich von einer Seite des Substrats auszuführen sind. Man kann dies auch so umschreiben, dass zum Herstellen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils lediglich Vorderseitenprozesse auszuführen sind, während ein Ausführen von Rückseitenprozessen nicht notwendig ist. Das Herstellungsverfahren ist somit ein reiner Vorderseitenprozess. Aufwändige Rückseitenprozessschritte müssen zum Ausführen des Herstellungsverfahrens nicht angewandt werden. Somit ist es ausreichend, die Sensorstrukturen lediglich auf der Vorderseite zu schützen.
Bei dem Herstellungsverfahren können die Herstellungsschritte CMOS-Herstellung (Complementary Metall Oxide Semiconductor, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) und MEMS-Herstellung getrennt ablaufen, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen. Insbesondere können sämtliche Verfahrensschritte zum Herstellen der MEMS-Strukturen erst nach dem eigentlichen CMOS-Herstellungsprozess ausgeführt werden. Die bekannten guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Silizium-MEMS-Sensoren können ohne Nachteile mit den guten Eigenschaften von metallbasierten MEMS-Sensoren kombiniert werden, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
In einer Weiterbildung kann das Herstellungsverfahren Bestandteil eines Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung sein. Die oben schon genannten Vorteile sind somit auch zum Herstellen einer Sensorvorrichtung, beispielsweise eines Beschleunigungssensors, eines Drucksensors und/oder eines Magnetsensors, realisierbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1e Querschnitte durch ein Substrat und Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2a bis 2e Querschnitte durch ein Substrat und Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3a und 3b Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 ein Flussdiagramm zu darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens; und
5 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1e zeigen Querschnitte durch ein Substrat und Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In 1a ist ein Querschnitt durch das schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil gezeigt.
Der dargestellte Querschnitt verläuft senkrecht zu einer Vorderseite 10 eines Substrats 12 des mikromechanischen Bauteils. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Anstelle oder als Ergänzung zu Silizium kann das Substrat 12 jedoch auch mindestens ein anderes Halbleitermaterial und/oder mindestens ein Metall umfassen. Bevorzugter Weise ist das Substrat 12 ein CMOS-Wafer. Bereiche des Substrats 12, die nicht als MEMS-Strukturen benötigt werden, wie beispielsweise ein CMOS-Schaltungsbereich, können während der Herstellung der nachfolgend beschriebenen Komponenten des mikromechanischen Bauteils von einer Schutzschicht bedeckt sein, welche nachfolgend entfernbar ist. Die Ausführbarkeit des mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf die Verwendung eines CMOS-Wafers beschränkt.
Das mikromechanische Bauteil weist auch eine bewegliche Masse 14 auf, welche über mindestens eine (in 1a nicht dargestellte) Feder derart mit dem Substrat 12 verbunden ist, dass die bewegliche Masse 14 in Bezug zu dem Substrat zumindest aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verstellbar ist (Pfeil 13). Die bewegliche Masse 14 ist mittels mindestens eines Trenngrabens 16 und 18 aus dem Substrat 12 herausstrukturiert. Beispielsweise können erste Trenngräben 16 senkrecht von der Vorderseite 10 wegverlaufen. Isotrop geätzte zweite Trenngräben 18 können mindestens eine von der Vorderseite 10 weggerichtete Bodenseite der beweglichen Masse 14 von dem Substrat 12 freistellen. Auf ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Bilden der Trenngräben 14 und 18 wird unten noch genauer eingegangen.
Das mikromechanische Bauteil weist auch mindestens eine Aktor-Elektrode 20, mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22 und mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 auf. Die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 ist derart angeordnet, dass sie in Bezug zu der beweglichen Masse 14 fest ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 mit der beweglichen Masse 14 mitverstellbar ist. Demgegenüber sind die mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22 und die mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 in Bezug zu dem Substrat 12 fest angeordnet. Eine Bewegung der beweglichen Masse 14 (und der mindestens einen Aktor-Elektrode 20) beeinflusst somit die Stellungen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 und der mindestens einen inneren Stator-Elektrode 24 in Bezug zu dem Substrat 12 nicht.
Die mindestens äußere Stator-Elektrode 22 überspannt zumindest einen Abschnitt des mindestens einen Trenngrabens 16 und 18 und/oder der beweglichen Masse 14 (genauer gezeigt in den nachfolgenden Figuren). Somit ist ein erster Zwischenraum zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 und der Vorderseite 10 des Substrats 12 definierbar. Die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 ragt in den ersten Zwischenraum zumindest hinein. Man kann dies auch so umschreiben, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 zumindest teilweise zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 und dem Substrat 12 angeordnet ist. Die mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 ragt in einen zweiten Zwischenraum zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und dem Substrat 12 zumindest hinein, bwz. ist zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und dem Substrat 12 angeordnet. Dies ist beispielsweise auf einfache Weise realisierbar, indem eine Isolierschicht 26 auf die Vorderseite 10 aufgebracht wird, auf welcher die mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 gebildet wird. Die Isolierschicht 26 kann beispielsweise eine Oxidschicht, insbesondere eine thermisch gebildete Siliziumoxidschicht, sein. Die Elektroden 20 bis 24 können mindestens ein Metall und/oder mindestens ein dotiertes Halbleitermaterial umfassen.
Vorzugsweise weist das mikromechanische Bauteil einen Schichtaufbau aus mindestens einer äußeren Lage 28 aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22, einer mittleren Lage aus leitfähigem Material 30 umfassend die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 und einer inneren Lage 32 aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 auf. Die Lagen 28 bis 32 können die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen, insbesondere aus demselben Material bestehen. Ebenso können die Lagen 28 bis 32 aus verschiedenen leitfähigen Materialien oder aus unterschiedlichen Zusammensetzungen von mindestens zwei leitfähigen Materialien gebildet sein.
Zwischen der äußeren Lage 28 und der mittleren Lage 30 und/oder zwischen der mittleren Lage 30 und der inneren Lage 32 kann mindestens ein Pufferbereich 34 umfassend mindestens ein isolierendes Material und/oder ein leitfähiges Material ausgebildet sein. Mittels des mindestens einen Pufferbereichs 34 können Teilbereiche verschiedener Lagen 28 bis 32 miteinander zumindest mechanisch verbunden werden. Eine Verwendung mindestens eines Metalls oder mindestens eines (dotierten) Halbleitermaterials in einem Pufferbereich 34 verbessert den mechanischen Halt von Teilbereichen verschiedener Lagen 28 bis 32 und kann ebenso zur elektrischen Verbindung von Teilbereichen verschiedener Lagen 28 bis 32 genutzt werden. Ein derartiger Pufferbereich 34 kann insbesondere einen Kernbereich 34a aus mindestens einem Metall oder mindestens einem Halbleitermaterial und einen den Kernbereich 34a umhüllenden Rahmenbereich 34b aus mindestens einem isolierenden Material umfassen. Demgegenüber kann über einen ausschließlich aus einem isolierenden Material gebildete Pufferbereich, wie er in einer nachfolgenden Figur gezeigt ist, auch ohne eine elektrische Verbindung eine mechanische Verbindung zwischen Teilbereichen verschiedener Lagen 28 bis 32 gewährleistet werden.
Bevorzugter Weise ist die mindestens eine Aktor-Elektrode über mindestens eine Aktor-Stützkomponente 35 mit der beweglichen Masse 14 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Aktor-Stützkomponente 35 je einen Pufferbereich 34, je einen Verbindungsbereich 36 aus der inneren Lage 32 und je einen Bereich 37 der Isolierschicht 26. Der Verbindungsbereich 36 und der Bereich 37 der Isolierschicht 26 sind mittels jeweils eines sie vollständig umgebenden Zwischenspalts 38 aus der inneren Lage 32 oder der Isolierschicht 26 herausstrukturiert/herausgetrennt. Somit ist der Verbindungsbereich 36 von der mindestens einen inneren Elektrode 24 elektrisch isoliert. In diesem Fall kann über den mindestens einen Verbindungsbereich 36 eine feste Anbindung der Aktor-Elektrode 20 an die bewegliche Masse 14 realisiert werden, obwohl die mindestens eine innere Stator-Elektrode 24 zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und der Vorderseite 10 und der an der Vorderseite 10 liegenden Oberseite der beweglichen Masse 14 liegt. Es ist damit nicht notwendig, die bewegliche Masse 14 zwischen der Aktor-Elektrode 20 und der mindestens einen äußeren oder inneren Stator-Elektrode 22 oder 24 anzuordnen.
Stattdessen kann die bewegliche Masse 14 von der Vorderseite 10 aus in einem durch die Trenngräben 16 und 18 gebildeten Innenraum des Substrats 12 hineinragen, während die Elektroden 20 bis 24 eng benachbart zueinander an der Vorderseite 10 angeordnet sind. Das mikromechanische Bauteil kann somit sehr klein ausgebildet werden. Durch diese nahe Anordnung der Elektroden 20 bis 24 ist zusätzlich bereits eine geringe Verstellbewegung der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 verlässlich detektierbar. Insbesondere eine Beschleunigung der beweglichen Masse 14 oder eine auf die bewegliche Masse 14 wirkende Druckänderung bewirkt in diesem Fall eine vergleichsweise große Kapazitätsänderung, welche sich auch mit einer kostengünstigen Elektronik nachweisen/ermitteln lässt. Außerdem gewährleistet die Anordnung von mindestens zwei Stator-Elektroden 22 und 24 auf zwei unterschiedlichen Seiten der gleichen Aktor-Elektrode 20, was als differentielle Elektrodenanordnung umschreibbar ist, eine vorteilhafte Messsensibilität und eine vergleichsweise große Robustheit/Immunität der ermittelten Werte gegenüber äußeren Einflüssen.
Auch die mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22 kann mittels mindestens einer in dem ersten Zwischenraum angeordneten Stator-Stützkomponente mit dem Substrat 12 verbunden sein, wie unten noch genauer beschrieben ist.
Die Elektroden 20 bis 24 können von einem (nicht dargestellten) Seitenrand des mikromechanischen Bauteils kontaktiert werden. Eine derartige elektrische Kontaktierung ist einfach und kostengünstig herstellbar. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann eine elektrische Kontaktierung auch über die mindestens eine Aktor-Stützkomponente 35 und/oder über die mindestens eine Stator-Stützkomponente verlaufen.
1b zeigt eine Draufsicht auf die Vorderseite 10 des Substrats 12.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die bewegliche Masse 14 mittels zweier entlang einer Drehachse 40 verlaufender Federn 42 mit dem Substrat 12 verbunden. Die beiden Federn 42 sind so ausgebildet, dass die bewegliche Masse 14 in Bezug zu dem Substrat 12 um die Drehachse 40 verkippbar ist.
Die Drehachse 40 unterteilt die bewegliche Masse 14 in eine erste Teilmasse 14a mit einem ersten Gewicht und eine zweite Teilmasse 14b mit einem zweiten Gewicht kleiner als dem ersten Gewicht. Man kann dies auch so umschreiben, dass die bewegliche Masse 14 als asymmetrische Wippe, welche um die Drehachse 40 verstellbar ist, ausgebildet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauteil nicht auf eine Ausbildung der beweglichen Masse 14 als asymmetrische Wippe beschränkt ist. Die nachfolgenden Beschreibungen der asymmetrischen Wippe veranschaulichen lediglich eine vorteilhafte Ausführungsform der beweglichen Masse 14.
Insbesondere bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils wird die bewegliche Masse 14 in Bezug zu dem Substrat ausgelenkt, wie über den Pfeil 13 in 1a dargestellt ist. Diese Auslenkung kann über eine relative Kapazitätsänderung zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 und über eine relative Kapazitätsänderung zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und der mindestens einen inneren Stator-Elektrode 24, bwz. über den relativen Kapazitätsänderungen entsprechenden Größen, nachgewiesen, ermittelt oder gemessen werden.
In der dargestellten Ausführungsform weisen die erste Teilmasse 14a und die zweite Teilmasse 14b jeweils einen Verbindungssteg 44a oder 44b auf, von welchem mehrere an dem Verbindungssteg 44a oder 44b angeordnete Zinkenstege 46a oder 46b wegverlaufen. (Der Querschnitt der 1a ist ein Querschnitt durch die Zinkenstege 46a parallel zur Drehachse 40 entlang der Linie AA'.) Die erste Teilmasse 14a umfasst zusätzlich noch eine an dem von ihrem Verbindungssteg 44a weggerichteten Enden ihrer Zinkenstege 46a angeordnete Zusatzmasse 48. Die beiden Verbindungsstege 44a und 44b können über einen Wippensteg 50, welcher vorzugsweise senkrecht zu der Drehachse 40 ausgerichtet ist, miteinander verbunden sein.
Bevorzugter Weise sind der Verbindungssteg 44a und die Zinkenstege 46a der ersten Teilmasse 14a spiegelsymmetrisch zu der zweiten Teilmasse 14b ausgebildet, wobei die Symmetrieachse entlang der Drehachse 40 verläuft. In diesem Falle ist bei einer Anordnung der Elektroden 20 bis 24 über den spiegelsymmetrischen Bereichen der beweglichen Masse 14 gewährleistet, dass nur eine Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 um die Drehachse 40 zu einer Änderung der Kapazitäten der aus den Elektroden 20 bis 24 gebildeten Kondensatoren führt. Außerdem gewährleistet die kammförmige Ausbildung der spiegelsymmetrischen Teilbereiche der beweglichen Masse 14, dass bereits eine vergleichsweise kleine Zusatzmasse 28 zu einer ausreichenden Asymmetrie der Wippe führt.
Als Ergänzung zu den schon beschriebenen Komponenten kann auch mindestens eine (nicht-dargestellte) integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung in und/oder auf dem Substrat 12 ausgebildet sein.
1c zeigt eine Draufsicht auf die äußeren Stator-Elektroden 22a und 22b und die Aktor-Elektroden 20a und 20b des mikromechanischen Bauteils. Auf ein Einzeichnen der inneren Stator-Elektroden ist der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.
Die äußeren Stator-Elektroden 22a und 22b sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer parallel zu der Drehachse 40 verlaufenden Symmetrieachse ausgebildet. Demgegenüber sind die Formen der darunter liegenden Aktor-Elektroden 20a und 20b an die (nicht dargestellte) bewegliche Masse angepasst. Zur Kontaktierung der Aktor-Elektroden 20a und 20b können insbesondere entlang der darunter liegenden Federn verlaufende Leiterbahnen 52 verwendet werden. Zur Anordnung der äußeren Stator-Elektroden 22a und 22b umfasst die dargestellte Ausführungsform mindestens eine Stator-Stützkomponente 54, welche in dem ersten Zwischenraum zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22a und 22b und der (nicht dargestellten) Vorderseite des Substrats ausgebildet ist. Mehrere Stator-Stützkomponenten 54 können als gleichmäßiges Muster angeordnet sein, wie unten genauer beschrieben ist.
Die mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22a und 22b und/oder die mindestens eine Aktor-Elektrode 20a und 20b können in ihren den mindestens einen Trenngräben 16 überspannenden Bereichen als feingliedriges (transparentes) Gitter ausgebildet sein. Dies ermöglicht ein Ätzen des mindestens einen Trenngrabens 16 nach dem Bilden der Elektroden 20 bis 24. (Die innere Lage kann in ihren den mindestens einen Trenngräben 16 überspannenden Bereichen den schon beschriebenen Spalt 38 aufweisen.) Demgegenüber können die die Stator-Stützkomponenten 54 überdeckenden Abdeckbereiche 55 keine Aussparung aufweisen, was einen guten Kontakt zwischen den Abdeckbereichen 55 und den Stator-Stützkomponenten 54 gewährleistet.
1d zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie BB' der 1c parallel zur Drehachse 40 und durch mehrere Stator-Stützkomponenten 54.
Jede der Stator-Stützkomponenten 54 umfasst je einen Pufferbereich 56 zwischen der äußeren Lage 28 und der mittleren Lage 30, je einen Verbindungsbereich 58 aus der mittleren Lage 30 und je einen Pufferbereich 60 zwischen der mittleren Lage 30 und der inneren Lage 32. Der Pufferbereich 60 zwischen der mittleren Lage 30 und der inneren Lage 32 ist an einer von der Vorderseite 10 weggerichteten Oberfläche der inneren Lage 32 angeordnet. Somit ist eine verlässliche und feste Anbindung der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 an die Vorderseite des Substrats 12 realisierbar, ohne dass eine äußere Aufhängung der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 notwendig ist. Die Verbindungsbereiche 58 sind mittels jeweils eines sie vollständig umgebenden Zwischenspalts 38 aus der mittleren Lage 30 herausstrukturiert/herausgetrennt. Damit ist jeder der Verbindungsbereiche 58 von der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 elektrisch isoliert. Somit ist gewährteistet, dass die mindestens eine äußere Stator-Elektrode 22 mechanisch und elektrisch von den anderen Elektroden 20 und 24 getrennt ist. Zur Gewährleistung eines besonders vorteilhaften festen Halts der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 kann der Pufferbereich 56 zwischen der äußeren Lage 28 und der mittleren Lage 30 einen Kernbereich 56a aus mindestens einem Metall und/oder mindestens einem Halbleitermaterial und einen den Kernbereich 56a umhüllenden Rahmenbereich 56b aus mindestens einem isolierenden Material umfassen. Der Pufferbereich 60 zwischen der mittleren Lage 30 und der inneren Lage 32 kann aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
1e zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie CC' der 1c parallel zur Drehachse 40 und durch mehrere Aktor-Stützkomponenten 35 (zum Vergleich).
2a bis 2e zeigen Querschnitte durch ein Substrat und Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in den 2a bis 2e schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform lediglich durch die vorteilhafte Ausbildung der Zinkenstege 62 der beweglichen Masse 14. Auf die weiteren Komponenten 12 bis 44b und 48 bis 60 des mikromechanischen Bauteils wird deshalb hier nicht eingegangen.
2a zeigt eine (Teil-)Draufsicht auf einige aus dem Substrat 14 herausstrukturierte Zinkenstege 62.
Die schematisch wiedergegebenen Zinkenstege 62 weisen in den Aktor-Kontaktbereichen 64 der sie kontaktierenden mindestens einen Aktor-Stützkomponente 35 Verbreiterungen auf. Zwischen zwei benachbarten Aktor-Kontaktbereichen 64 eines Zinkenstegs 62 ist dieser deutlich schmäler ausgebildet. Auf diese Weise sind die Zinkenstege 62 mit einer vergleichsweise kleinen mittleren Breite realisierbar, wobei gleichzeitig eine verlässliche Verankerung der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 an den Aktor-Kontaktbereichen 64 gewährleistet ist. Somit die Masse der spiegelsymmetrischen Bereiche der beweglichen Masse 14 kann mittels der schmäleren Ausbildung der Zinkenstege 62 zwischen den Aktor-Kontaktbereichen 64 zusätzlich reduziert werden. Bereits eine vergleichsweise geringe Zusatzmasse 48 bewirkt somit eine vorteilhafte Asymmetrie bezüglich der Drehachse 50. Dies gewährleistet eine Reduzierung der Ausdehnung und/oder der Gesamtmasse der beweglichen Masse 14.
In die Ebene der 2a sind auch die Lagen der Stator-Kontaktbereiche 66 der Stator-Stützkomponenten 54 (senkrecht zur Vorderseite 10) hineinprojiziert. Die Aktor-Kontaktbereiche 64 und die Stator-Kontaktbereiche 66 sind bevorzugter Weise in der Projektionsebene als zwei versetzte Muster aus Reihen und Spalten derart angeordnet, dass in einem Rechteck aus vier Aktor-Kontaktbereichen 64 ein Stator-Kontaktbereich 66 äquidistant zu den vier Aktor-Kontaktbereichen 64 liegt und in einem Rechteck aus vier Stator-Kontaktbereichen 66 ein Aktor-Kontaktbereich 64 äquidistant zu den vier Stator-Kontaktbereichen 66 liegt. Man kann dies auch als Anordnung der Aktor-Stützkomponenten 35 und der Stator-Stützkomponenten 54 jeweils in einem Reihen-Spalten-Muster umschreiben, wobei in ein Rechteck aus vier Aktor-Stützkomponenten 35 eine Stator-Stützkomponente 54 äquidistant zu den vier Aktor-Stützkomponenten 35 hineinragt und in ein Rechteck aus vier Stator-Stützkomponenten 54 eine Aktor-Stützkomponente 35 äquidistant zu den vier Stator-Stützkomponenten 54 hineinragt. Eine derartige Anordnung der Kontaktbereiche 64 und 66, bzw. der Stützkomponenten 35 und 54 als versetzte Reihen-Spalten-Muster gewährleistet einen verlässlichen Halt der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 an dem Substrat und der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 an der beweglichen Masse 14.
2b zeigt den über der 2a liegenden Teilbereich der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22. Die die Stator-Stützkomponenten 54 überdeckenden Abdeckbereiche 55 weisen bevorzugter Weise keine Aussparung auf. Demgegenüber können die die Abdeckbereiche 55 umgebenden Bereiche der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 als feines Gitter ausgebildet sein.
2c bis 2e zeigen Querschnitte entlang der Linien DD', EE' und FF' der 2a.
3a und 3b zeigen Draufsichten auf verschiedene Schichten des Substrats zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in den 3a und 3b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch die Ausbildung der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22.
In 3a ist eine (Teil-)Draufsicht auf die aus dem Substrat 12 herausstrukturierten Zinkenstege 62 gezeigt. 3b zeigt eine (Teil-)Draufsicht auf die über dem Teilbereich der 3a angeordnete äußere Stator-Elektrode 22.
Die wiedergegebene äußere Stator-Elektrode 22 weist mindestens einen Netzbereich aus rechtwinklig abgeknickten Strängen 68 auf. Als Alternative oder als Ergänzung zu einem derartigen Netzbereich aus rechtwinklig abgeknickten Strängen 68 kann die äußere Stator-Elektrode 22 auch (nicht gezeigte) Netzbereiche aus gezackten und/oder gebogenen Strängen umfassen. Die Breite b der gezackten, rechtwinklig abgeknickten und/oder gebogenen Stränge kann zwischen 0.1 μ bis 3 μ liegen. Auch die mindestens eine Aktor-Elektrode 20 kann Netzbereiche aus gezackten, rechtwinklig abgeknickten und/oder gebogenen Strängen umfassen. Mittels einer derartigen Netzstruktur/Gitterstruktur ist es möglich, einen mechanischen Stress in der mindestens einen Elektrode 20 und 22 entgegenzuwirken.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Abdeckbereiche 55 als kompakte Bereiche oder als feine Gitter ausgebildet, wobei die rechtwinklig abgeknickten Strängen 68 an den Ecken/äußeren Punkten der Abdeckbereiche 55 verankert sind. Jeder der rechtwinklig abgeknickten Stränge 68 weist mindestens einen von dem Abdeckbereich 55 weg verlaufenden ersten Teilstrang 70 und einen senkrecht zu dem ersten Teilstrang verlaufenden Teilstrang 72 auf. Die rechtwinklig abgeknickten Stränge 68 zweier benachbarter Abdeckbereiche 55 können spiegelsymmetrisch bezüglich einer zwischen den beiden benachbarten Abdeckbereichen 55 verlaufenden Symmetrieachse ausgebildet sein. Auf diese Weise ist es möglich, dass je ein rechtwinklig abgeknickter Strang 68 der beiden benachbarten Abdeckbereichen 55 (an den Teilsträngen 72) ineinander münden. Man kann diese Ausbildung der rechtwinklig abgeknickten Stränge 68 auch als eine Mäanderstruktur umschreiben, wobei die Einzelzelle des größten Mäanders in seinen Eckpunkten in den Abdeckbereichen 55 mündet, bwz. gerade auf die Stator-Stützkomponenten 54 fällt. Somit kann ein Zug- oder Druckstress durch eine Drehbewegung innerhalb der rechtwinklig abgeknickten Stränge 68, bzw. innerhalb des Mäanders ausgeglichen werden. Insbesondere ist eine Weiterleitung von mechanischem Stress durch die zweifache rechtwinklige Richtungsänderung entlang eines Verlaufs 74 eines rechtwinklig abgeknickten Strangs 68 verlässlich unterbunden.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen mikromechanischen Bauteile können beispielsweise für einen Beschleunigungssensor, wie insbesondere für einen Out-Of-Plane-Beschleunigungssensor (Z-Beschleunigungssensor), oder für einen Drucksensor verwendet werden. Die Verwendbarkeit der mikromechanischen Bauteile ist jedoch nicht auf einen Beschleunigungssensor oder auf einen Drucksensor beschränkt.
Beispielsweise kann das mikromechanische Bauteil als Ergänzung auch eine in Bezug zu der beweglichen Masse 14 fest angeordnete Spule umfassen. Bei einer Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit einer in Bezug zu der beweglichen Masse 14 fest angeordneten Spule kann auf eine asymmetrische Massenverteilung der beweglichen Masse 14 verzichtet werden. Fließt ein Strom durch die Spule kann über die gemessene Auslenkung der beweglichen Struktur neben der angelegten Beschleunigung auch ein äußeres Magnetfeld gemessen werden. Somit sind die oben vorgestellten Ausführungsformen auch für einen magnetischen Sensor verwendbar.
Für eine Realisierung einer Sensorvorrichtung mit dem mikromechanischen Bauteil kann eine kostengünstige Auswerteeinrichtung verwendet werden, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Größe bezüglich einer ersten Kapazität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode 22 und der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 und eine zweite Größe bezüglich einer zweiten Kapazität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen inneren Stator-Elektrode 24 und der mindestens einen Aktor-Elektrode 20 zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten ersten Große und der ermittelten zweiten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse 14 ausgeübten Beschleunigung, eines auf die bewegliche Masse 14 ausgeübten Drucks und/oder eines Magnetfelds in einem Bereich einer in Bezug zu der beweglichen Masse 14 fest angeordneten Spule festzulegen und auszugeben.
4 zeigt ein Flussdiagramm zu darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
In einem Verfahrensschritt S1 wird eine bewegliche Masse über mindestens eine Feder mit einem Substrat so verbunden, dass die bewegliche Masse in Bezug zu dem Substrat zumindest aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verstellbar ist. Die bewegliche Masse wird mittels mindestens eines Trenngrabens aus dem Substrat herausstrukturiert. Bevorzugter Weise wird bei dem Bilden der beweglichen Masse auch die mindestens eine Feder mit aus dem Substrat herausstrukturiert. Somit ist der Verfahrensschritt S1 auf einfache Weise und kostengünstig ausführbar.
In einem Verfahrensschritt S2 wird mindestens eine Aktor-Elektrode fest in Bezug zu der beweglichen Masse angeordnet. Die mindestens eine Aktor-Elektrode wird bevorzugter Weise über Stützkomponenten punktuell an die bewegliche Masse angebunden. Zwischen den Stützkomponenten kann die mindestens eine Aktor-Elektrode frei aufgespannt werden.
Der Verfahrensschritt S3 umfasst das Anordnen mehrerer Stator-Elektroden fest in Bezug zu dem Substrat. Dabei wird in einem Unterverfahrensschritt S31 mindestens eine äußere Stator-Elektrode derart angeordnet, dass die mindestens eine äußere Stator-Elektrode zumindest einen Abschnitt des Trenngrabens und/oder der beweglichen Masse überspannt. Nach dem Ausführen der hier beschriebenen Verfahrensschritte ragt die mindestens eine Aktor-Elektrode in einen ersten Zwischenraum zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode und dem Substrat zumindest hinein. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die mindestens eine äußere Stator-Elektrode größtenteils als Gitter ausgebildet, welches die mindestens eine Aktor-Elektrode nahezu vollständig überdeckt. Mindestens eine innere Stator-Elektrode wird in einem Unterverfahrensschritt S32 zusätzlich derart angeordnet, dass die mindestens eine innere Stator-Elektrode in einem zweiten Zwischenraum zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode und dem Substrat zumindest hineinragt. Vorzugsweise wird die mindestens eine innere Stator-Elektrode großflächig mit dem Substrat verankert, während die mindestens eine äußere Stator-Elektrode über Stützkomponenten punktuell am Substrat verankert wird.
Die Bezeichnungen der Verfahrensschritte S1 bis S3, S31 und S32 legen keine zeitliche Reihenfolge zum Ausführen der Verfahrensschritte S1 bis S3, oder der Unterverfahrensschritte S31 und S32, fest. Stattdessen können die Verfahrensschritte S1 bis S3 und die Unterverfahrensschritte S31 und S32 auch in einer abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden, wie nachfolgend beispielhaft beschrieben wird.
Optimaler Weise kann in einem (nicht skizzierten) Verfahrensschritt mindestens eine integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung in und/oder auf dem Substrat ausgebildet werden. Das Ausbilden der integrierten Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung kann vor oder nach den Verfahrensschritten S1 bis S3 erfolgen.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
In einem Verfahrensschritt S10 wird zumindest eine Teiloberfläche eines Substrats mit einer Isolierschicht abgedeckt. Die Isolierschicht kann beispielsweise ein Oxid, insbesondere thermisches Siliziumoxid, umfassen.
Auf der Isolierschicht wird in einem Verfahrensschritt S11 eine innere Lage aus leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Metall und/oder einem dotierten Halbleitermaterial, gebildet. Die innere Lage umfasst die mindestens eine innere Stator-Elektrode. Der oben schon beschriebene Unterverfahrensschritt S32 ist somit als Unterschritt des Verfahrensschritts S11 ausführbar.
In einem Verfahrensschritt S12 wird die innere Lage zumindest teilweise mit einer ersten Opferschicht abgedeckt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S13 eine mittlere Lage aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine Aktor-Elektrode auf der ersten Opferschicht gebildet. Der oben schon beschriebene Verfahrensschritt S2 ist somit in den Verfahrensschritt S13 integrierbar. Für die mittlere Lage kann ebenfalls ein Metall und/oder ein dotiertes Halbleitermaterial verwendet werden.
Ein Verfahrensschritt S14 beinhaltet ein zumindest teilweises Abdecken der mittleren Lage mit einer zweiten Opferschicht. Auf der zweiten Opferschicht wird in einem Verfahrensschritt S15 eine äußere Lage aus leitfähigem Material, wie mindestens eine Metall und/oder einem dotierten Halbleitermaterial, gebildet. Dabei wird auch die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (Unterverfahrensschritt S31) als zumindest Teil der äußeren Lage gebildet.
Ein Verfahrensschritt S16 umfasst einen ersten Ätzschritt, in welchem zumindest Teilbereiche der zweiten Opferschicht, der ersten Opferschicht und der Isolierschicht entfernt werden.
In einem zweiten Ätzschritt (Verfahrensschritt S17) wird mindestens ein Graben in mindestens einem während des ersten Ätzschritts freigelegten Bereich des Substrats gebildet. Danach kann in einem Verfahrensschritt S18 mindestens eine Schutzschicht in dem mindestens einen gebildeten Graben gebildet werden. Bevorzugter Weise erfolgt dies so, dass die mindestens eine Seitenwand des mindestens einen Grabens von der mindestens einen Schutzschicht bedeckt wird, während die mindestens eine Schutzschicht von der mindestens einen Bodenfläche des mindestens einen Grabens entfernt wird.
Ein als Verfahrensschritt S19 ausgeführter isotroper dritter Ätzschritt gewährleistet somit ein Unterätzen der bereits aus dem Substrat herausstrukturierten Bereiche der beweglichen Masse, ohne dass diese angegriffen werden. Somit kann mittels des dritten isotropen Ätzschritts die bewegliche Masse auf einfache Weise in einer bevorzugten Form aus dem Substrat herausstrukturiert werden. Dies ist insbesondere gewährleistbar, ohne dass der dritte Ätzschritt aus einer anderen Ätzrichtung als die vorausgehenden zwei Ätzschritte durchgeführt werden muss. Die beschriebenen Verfahrensschritte sind somit mit einer kostengünstigen Anlage ausführbar. Insbesondere die Verfahrensschritte S17 bis S19 sind somit eine kostengünstige Ausbildung des oben schon beschriebenen Verfahrensschritts S1.
Die mindestens eine Aktor-Elektrode und die mindestens eine äußere Stator-Elektrode können über weite Flächenbereiche als feines Gitter ausgebildet werden. Dies gewährleistet ein einfaches und verlässliches Ausführen der drei Ätzschritte.
Die oben beschriebenen Verfahrensschritte können auch zum Herstellen einer Sensorvorrichtung, beispielsweise eines Beschleunigungssensors, eines Drucksensors oder eines Magnetsensors, verwendet werden. Dazu muss lediglich die oben schon beschriebene Auswerteeinrichtung gebildet werden. Da die Herstellung einer Elektronik für die oben beschriebene Funktionalität der Auswerteeinrichtung sich aus dieser ergibt, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008043790 A1 [0002]
DE 102008043788 A1 [0003]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (12) mit mindestens einer in Bezug zu dem Substrat (12) fest angeordneten Stator-Elektrode (22, 22a, 22b, 24); einer beweglichen Masse (14) mit mindestens einer in Bezug zu der beweglichen Masse fest angeordneten Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b); und mindestens einer Feder (42), über welche die bewegliche Masse (14) derart mit dem Substrat (12) verbunden ist, dass die bewegliche Masse (14) in Bezug zu dem Substrat (12) zumindest aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Masse (14) mittels mindestens eines Trenngrabens (16, 18) aus dem Substrat (12) herausstrukturiert ist; wobei mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) zumindest einen Abschnitt des mindestens einen Trenngrabens (16, 18) und/oder der beweglichen Masse (14) überspannt; die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) in einen ersten Zwischenraum zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) und dem Substrat (12) zumindest hineinragt; und mindestens eine innere Stator-Elektrode (24) in einen zweiten Zwischenraum zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) und dem Substrat (12) zumindest hineinragt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) mittels mindestens einer in dem ersten Zwischenraum angeordneten Stator-Stützkomponente (54) mit dem Substrat (12) verbunden ist und/oder die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) mittels mindestens einer in dem zweiten Zwischenraum angeordneten Aktor-Stützkomponente (35) mit der beweglichen Masse (14) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei ein Reihen-Spalten-Muster der Aktor-Stützkomponenten (35) zu einem Reihen-Spalten-Muster der Stator-Stützkomponenten (54) derart versetzt ist, dass in ein Rechteck aus vier Aktor-Stützkomponenten (35) eine der Stator-Stützkomponenten (54) äquidistant zu den vier Aktor-Stützkomponenten (35) hineinragt und in ein Rechteck aus vier Stator-Stützkomponenten (54) eine der Aktor-Stützkomponenten (35) äquidistant zu den vier Stator-Stützkomponenten (54) hineinragt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung in und/oder auf dem Substrat (12) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil eine äußere Lage (28) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b), eine mittlere Lage (30) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) und eine innere Lage (32) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine innere Stator-Elektrode (24) umfasst, und wobei zwischen der äußeren Lage (28) und der mittleren Lage (30) und/oder zwischen der mittleren Lage (30) und der inneren Lage (32) mindestens ein Pufferbereich (34, 56, 60) umfassend mindestens ein isolierendes Material und/oder ein leitfähiges Material ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bewegliche Masse (14) in Bezug zu dem Substrat (12) um eine entlang der mindestens einen Feder verlaufende Drehachse (40) verkippbar ist, und wobei die Drehachse (40) die bewegliche Masse (14) in eine erste Teilmasse (14a) mit einem ersten Gewicht und in eine zweite Teilmasse (14b) mit einem zweiten Gewicht kleiner als dem ersten Gewicht unterteilt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die erste Teilmasse (14a) und die zweite Teilmasse (14b) jeweils einen Verbindungssteg (44a, 44b) und mehrere an dem zugehörigen Verbindungssteg angeordnete Zinkenstege (46a, 46b, 62) umfassen, und wobei die erste Teilmasse (14a) zusätzlich eine an den von ihrem Verbindungssteg (44a) weggerichteten Enden ihrer Zinkenstege (46a, 62) angeordnete Zusatzmasse (48) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, wobei die Zinkenstege (62) in den Aktor-Kontaktbereichen (64) der sie kontaktierenden mindestens zwei Aktor-Stützkomponenten (35) Verbreiterungen aufweisen und zwischen zwei benachbarten Aktor-Kontaktbereichen (64) eines Zinkenstegs (62) schmäler ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) und/oder die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) Netzbereiche aus gezackten, rechtwinklig abgeknickten und/oder gebogenen Strängen (68) umfassen.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil eine in Bezug zu der beweglichen Masse (14) fest angeordnete Spule umfasst.
Sensorvorrichtung mit einem mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Größe bezüglich einer ersten Kapazität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) und der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) und eine zweite Größe bezüglich einer zweiten Kapazität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen inneren Stator-Elektrode (24) und der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten ersten Größe und der ermittelten zweiten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse (14) ausgeübten Beschleunigung, eines auf die bewegliche Masse (14) ausgeübten Drucks und/oder eines Magnetfelds in einem Bereich einer in Bezug zu der beweglichen Masse (14) fest angeordneten Spule festzulegen und auszugeben.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Verbinden einer beweglichen Masse (14) über mindestens eine Feder (42) mit einem Substrat (12) so, dass die bewegliche Masse (14) in Bezug zu dem Substrat (12) zumindest aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verstellbar ist; Anordnen mindestens einer Stator-Elektrode (22, 22a, 22b, 24) fest in Bezug zu an dem Substrat (12); und Anordnen mindestens einer Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) fest in Bezug zu der beweglichen Masse (14); gekennzeichnet durch die Schritte: Herausstrukturieren zumindest der beweglichen Masse (14) mittels mindestens eines Trenngrabens (16, 18) aus dem Substrat (12); Anordnen mindestens einer äußeren Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) derart, dass die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) zumindest einen Abschnitt des Trenngrabens (16, 18) und/oder der beweglichen Masse (14) überspannt; Anordnen der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) derart, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) in einen ersten Zwischenraum zwischen der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) und dem Substrat (12) zumindest hineinragt; und Anordnen mindestens einer inneren Stator-Elektrode (24) derart, dass die mindestens eine innere Stator-Elektrode (24) in einen zweiten Zwischenraum zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) und dem Substrat (12) zumindest hineinragt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 mit den zusätzlichen Schritten vor dem Herausstrukturieren der beweglichen Masse (14) aus dem Substrat (12): Abdecken zumindest einer Teiloberfläche des Substrats (12) mit einer Isolierschicht (26) (S10); Bilden einer inneren Lage (32) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine innere Stator-Elektrode (24) auf der Isolierschicht (26) (S11); Zumindest teilweises Abdecken der inneren Lage (32) mit einer ersten Opferschicht (S12); Bilden einer mittleren Lage (30) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) auf der ersten Opferschicht (S13); Zumindest teilweises Abdecken der mittleren Lage (30) mit einer zweiten Opferschicht (S14); Bilden einer äußeren Lage (28) aus leitfähigem Material umfassend die mindestens eine äußere Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) auf der zweiten Opferschicht (S15).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13 mit den zusätzlichen Schritten: Ausführen eines ersten Ätzschritts zum Entfernen zumindest von Teilbereichen der zweiten Opferschicht, der ersten Opferschicht und der Isolierschicht (26) (S16); Ausführen eines zweiten Ätzschritts zum Bilden mindestens eines Grabens in mindestens einem in dem mindestens einen ersten Ätzschritt freigelegten Bereich des Substrats (12) (S17); Bilden mindestens einer Schutzschicht in dem mindestens einen gebildeten Graben, wobei die mindestens eine Seitenwand des mindestens einen Grabens von der mindestens einen Schutzschicht bedeckt wird und die mindestens eine Schutzschicht von der mindestens einen Bodenfläche des mindestens einen Grabens entfernt wird (S18); und Ausführen eines isotropen dritten Ätzschritts so, dass zumindest die bewegliche Masse (14) aus dem Substrat (12) herausstrukturiert wird (S19).
Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Schritten: Herstellen eines mikromechanischen Bauteils gemäß dem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14; und Bilden einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt wird, bei einem späteren Betrieb der Sensorvorrichtung eine erste Größe bezüglich einer ersten Kapazität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen äußeren Stator-Elektrode (22, 22a, 22b) und der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) und eine zweite Größe bezüglich einer zweiten Kapazität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen inneren Stator-Elektrode (24) und der mindestens einen Aktor-Elektrode (20, 20a, 20b) zu ermittelt und unter Berücksichtigung der ermittelten ersten Größe und der ermittelten zweiten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse (14) ausgeübten Beschleunigung, eines auf die bewegliche Masse (14) ausgeübten Drucks und/oder eines Magnetfelds in einem Bereich einer in Bezug zu der beweglichen Masse (14) fest angeordneten Spule festzulegen und auszugeben.