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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Beschleunigungs- und Drehratensensoren erläutert.
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Die
DE 195 37 814 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren, wie z.B. Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Es werden bewegliche Siliziumstrukturen erzeugt, deren Bewegungen über die Bestimmung von Kapazitätsänderungen quantitativ erfasst werden. Die beweglichen Siliziumstrukturen werden in einem Ätzschritt erzeugt, wobei Gräben in der Siliziumschicht mit hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. In einem zweiten Schritt wird eine Opferschicht, beispielsweise eine Oxidschicht, unter der mikromechanischen Funktionsschicht aus Silizium entfernt. In einem Folgeprozess werden die so gewonnenen beweglichen Siliziumstrukturen hermetisch verschlossen, beispielsweise durch einen Kappenwafer, der über einen Seal-Glaslotprozess aufgebracht wird.
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Die
DE 199 61 578 A1 offenbart, auf einem Grundwafer direkt durch weitere Prozessschritte eine Kappe über den beweglichen Sensorflächen zu erzeugen. Dazu wird auf dem Grundwafer, bei dem schon die beweglichen Siliziumstrukturen geätzt sind, die Opferschicht aber noch nicht entfernt ist, eine Schicht aus Oxid aufgebracht. Die Dicke dieser Oxidschicht ist im Vergleich zur Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht gering. Die Oxidschicht muss aber die Gräben verschließen, weshalb es nur möglich ist, schmale Gräben vorzusehen. Auf die Oxidschicht wird eine für das Medium des Opferschichtätzens transparente Schicht aufgebracht, beispielsweise eine dicke Polysiliziumschicht, in die sehr schmale Löcher geätzt werden. Danach werden durch die so transparent gemachte Deckschicht alle darunterliegenden Opferschichten entfernt, um die Siliziumstrukturen beweglich zu machen. In einem letzten Schritt wird die Deckschicht mit einer weiteren Oxid- oder Metall- oder Polysiliziumschicht hermetisch abgeschlossen. Unterhalb der Deckschicht können nur bewegliche Strukturen mit relativ geringer Bewegungsfreiheit angeordnet werden.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung.
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In 4 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat in Form eines Siliziumwafers. Eine dünne Polysilizium-Funktionsschicht 3a ist in eine Oxid-Opferschicht 2 oberhalb des Substrats 1 als Leiterbahnebene eingebettet. In einer darüberliegenden Ebene befindet sich eine weitere Polysilizium-Funktionsschicht 3b mit einer durch teilweises Ätzen in einen Grabenätzprozess durch Gräben 8 der Opferschicht 2 freigelegten, d.h. beweglich gemachten, mikromechanischen Funktionsstruktur 4, welche beispielsweise eine Sensorstruktur umfasst. Bezugszeichen KS bezeichnet einen Polysilizium-Kontaktsockel, auf dem ein elektrischer Anschlussbereich A aus Metall vorgesehen ist. Der Kontaktsockel KS kontaktiert die mikromechanische Funktionsschicht 3a.
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Die mikromechanische Funktionsstruktur 4 ist mit einem Kappenwafer 5 versiegelt. Das Verkappungsverfahren ist relativ teuer und aufwendig, und ein großer Bondrahmen 6 muss bereitgestellt werden, um die Verbindung mit dem Kappenwafer 6 herzustellen.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines weiteren beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung.
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In 5 bezeichnet Bezugszeichen 1' ein SOI-Substrat, welches ein Siliziumwafersubstrat 1a, eine Siliziumoxidschicht 1b und ein weiteres Siliziumwafersubstrat 1c aufweist. In dem Siliziumwafersubstrat 1c ist analog zu 4 eine mikromechanische Funktionsstruktur 4' mit einer Sensorstruktur vorgesehen. Das Freistellen der mikromechanischen Funktionsstruktur 4' ist ebenfalls über Gräben 8 in einem Opferschichtätzprozess erfolgt.
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Das Verkappen bei der Anordnung gemäß 5 basiert darauf, dass die Gräben 8 zunächst mit einer weiteren Oxidschicht 9 verfüllt werden und darüber eine epitaxiale Polysiliziumschicht 10 als Deckschicht abgeschieden wird. In der Polysiliziumschicht 10 werden kleine Zugangslöcher 11 geätzt, wonach der Opferschichtätzprozess durch die Löcher 11 und die Gräben 8 erfolgt. Nach Durchführung der Opferschichtätzung wird eine weitere epitaxiale Polysiliziumschicht 12 vorgesehen, welche die Löcher 11 verschließt.
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Im Anschluss daran werden Kontaktsockel KS1, KS2 gebildet, welche durch Gräben 11' elektrisch von ihrer Umgebung isoliert sind und welche über entsprechende Vias mit der Polysilizium-Funktionsschicht 1c in elektrischem Kontakt stehen. Elektrische Anschlussflächen A1, A2 sind über den Kontaktsockeln KS1, KS2 isoliert durch eine zwischenliegende weitere Oxidschicht 9' vorgesehen.
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Bei diesem bekannten Verfahren können einkristalline mikromechanische Funktionsstrukturen hergestellt werden, allerdings keine vergrabenen Leiterbahnen. Die epitaxiale Abscheidung erfolgt nämlich bei sehr hohen Temperaturen, und bei diesen Temperaturen würden sich freigestellte polykristalline Strukturen umlagern und ihre ursprüngliche Form verlieren. Ein Verschluss mit einer LPCVD-Polyabscheidung bei geringeren Temperaturen ist nicht realisierbar, da diese Schicht sich auch auf den in der mikromechanischen Funktionsstruktur freiliegenden Oxidschichten abscheiden würde und damit elektrische Kurzschlüsse verursachen würde. In einer epitaxialen Abscheidung hingegen ist gewährleistet, dass die Oxidoberflächen nicht beschichtet werden.
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Ein Verschluss mit einer isolierenden Schicht ist ebenfalls nicht realisierbar, da die mikromechanische Funktionsstruktur ebenfalls von einer derartigen Schicht beschichtet werden würde und so die bewegliche Sensorstruktur verkleben würde, wenn eine Berührung bei Überlast auftritt. Oxidschichten und andere Isolationsschichten verursachen prinzipiell hohe Klebekräfte.
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Die
US 2007/0042521 A1 beschreibt ein mikro-elektromechanische System (MEMS) und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung. In einer Ausführungsform des MEMS wird ein Ätzprozess durch eine durchlässige oder halbdurchlässige Verkapselungsschicht zum Ausbilden einer Kammer mit mikromechanischen Strukturen ausgeführt.
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Die
DE 199 61 578 A1 beschreibt einen Sensor mit einer mikromechanischen Struktur, bei welcher eine Abdeckung aus einer für ein Ätzmedium und deren Reaktionsprodukte transparenten ersten Schicht und einer hermetisch dichtenden zweiten Schicht besteht. Ein Sensorraum wird durch einen Ätzprozess durch die erste Schicht gebildet, indem ein darunterliegendes Oxid entfernt wird.
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Die
DE 10 2010 041 900 A1 beschreibt ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung. In dem Bauelement wird eine mikromechanische Schicht durch einen Ätzprozess unter Verwendung einer mit einer Ätzmaske strukturierten Maskenschicht strukturiert.
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Die
EP 2 327 658 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer versiegelten Kavität in einem mikroelektronischen Bauteil. Dabei wird die Kavität durch einen Ätzprozess unter Verwendung von HF-Gas durchgeführt, indem das HF-Gas eine mit Löchern versehene Membranschicht passiert.
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Die
DE 10 2007 019 647 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils. In dem Verfahren wird auf einer Rückseite eines Substratmaterials über einer Isolierschicht eine zusätzliche Schicht gebildet, wobei die zusätzliche Schicht eine Aluminium-Metallisierung oder eine Metallisierung sein kann, welche eine Flip-Chip Verbindung zu anderen Bauteilen ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung nach Anspruch 1 und eine mikromechanische Anordnung nach Anspruch 7.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein integriertes Ätz- bzw. Verkappungsverfahren, wodurch polykristalline mikromechanische Funktionsstrukturen einfach und sicher geätzt und verschlossen werden können.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, zunächst eine vorzugsweise polykristalline mikromechanische Funktionsstruktur zu erzeugen und diese mit einer dünnen Linerschicht, z.B. einer polykristallinen Siliziumschicht, zu überdecken und erst nach Abscheidung der Linerschicht durch diese Schicht hindurch einen Opferätzschritt, z.B. einen HF-Gasphasenätzschritt, vorzunehmen.
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Anschließend wird die dünne Linerschicht, welche beispielsweise eine Dicke zwischen 20 und 500 nm aufweist, durch eine weitere Deckschicht, beispielsweise eine polykristalline Siliziumschicht, gasdicht verschlossen. Die Deckschicht kann zuvor durch eine Stabilisierungsschicht, beispielsweise ebenfalls aus epitaxialem Polysilizium, verstärkt werden, sodass auch große Bereiche stabil überdeckt werden können.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung von Beschleunigungs- und Drehratensensoren u.Ä. können die bekannten Prozesstechniken in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beibehalten werden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren kompatibel mit dem aus der
DE 10 2010 041 900 A1 bekannten Verfahren, breite Ätzgräben zu verschließen. Drehratensensoren erhalten dabei beispielsweise automatisch eine Vakuumverpackung. Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren kompatibel mit bekannten Verfahren, um Antiklebschichten und definierte Gasdrücke in einer mikromechanischen Kaverne einzuschließen.
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Eine erfindungsgemäße Dünnschichtkappe ermöglicht eine Flächenreduktion bei an sich bekannten Sensor- und Aufbaukonzepten, die flache Kontaktflächen benötigen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1a-f schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung; und
- 5 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines weiteren beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a-f sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumwafersubstrat. Auf dem Substrat 1 vorgesehen ist eine Oxid-Opferschicht 2, in die eine Polysilizium-Funktionsschicht 3a als Leiterbahnebene eingebettet ist. Auf der Opferschicht 2 vorgesehen ist eine weitere Polysilizium-Funktionsschicht 3b, welche eine mikromechanische Funktionsstruktur 4 aufweist, beispielsweise eine Beschleunigungssensorstruktur oder eine Drehratensensorstruktur.
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Bezugszeichen KS' und KS" bezeichnen elektrische Kontaktsockel in der Polysilizium-Funktionsschicht 3b, welche mit der Polysilizium-Funktionsschicht 3a in elektrischem Kontakt stehen. Die elektrischen Kontaktsockel KS', KS'' sind durch Gräben 11' von ihrer Umgebung elektrisch isoliert.
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Bezugszeichen 8 bezeichnet in der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 vorgesehene Ätzgräben, welche in einem späteren Opferschichtätzschritt zum Freilegen, d.h. Beweglichmachen, der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 verwendet werden.
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Auf der Polysilizium-Funktionsschicht 3d wird eine Oxidschicht 13 als Deckschicht vorgesehen, welche Kontaktlöcher 15a, 15b aufweist, die die Oberseite der Kontaktsockel KS' bzw. KS" freilegen.
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Derartige Kontaktlöcher können auch für die untere Polysilizium-Funktionsschicht 3a vorgesehen werden. Sie dienen später zur elektrischen Kontaktierung oder zur mechanischen Stabilisierung oder zu beiden Zwecken.
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Weiter mit Bezug auf 1b) wird auf die Oxid-Deckschicht 13 eine dünne LPCVD-Siliziumschicht 16 als Linerschicht abgeschieden. Vorteilhafterweise wird die Dicke der Linerschicht 16 möglichst gering gewählt, beispielsweise zwischen 20 und 500 nm, um später eine möglichst gute Transparenz für ein gasförmiges Ätzmedium, beispielsweise HF, zu gewährleisten, welches zum Opferschichtätzen verwendet wird.
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Die Linerschicht 16 aus Polysilizium kann auch dotiert werden, insbesondere mit P, der später eine gesteigerte Transparenz für das gasförmige Ätzmedium, vorzugsweise HF, bewirkt.
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Nach Ausbildung der Linerschicht 16 wird eine weitere Oxidschicht 17 abgeschieden und derart strukturiert, dass sie oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 Unterbrechungen 17a bzw. Löcher aufweist, welche die darunterliegende Linerschicht 16 freilegen. Die Oxidschicht 17 kann beispielsweise mittels CVD-TEOS oder thermisch gebildet werden. Das Strukturieren der Oxidschicht 17 erfolgt beispielsweise über eine Fotomaske und einen Ätzprozess.
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Nach der Strukturierung der Oxidschicht 17 wird eine Stabilisierungsschicht 18 epitaxial aufgewachsen, wozu die Linerschicht 16, welche im vorliegenden Beispiel eine LPCVD-Polysiliziumschicht ist, als Startschicht dient.
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Die Stabilisierungsschicht 18 wird, wie in 1c) dargestellt, mittels einer (nicht gezeigten) Fotomaske bzw. Hartmaske über einen Trench-Prozess derart strukturiert, dass sie oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 Ätzgräben 19 aufweist. Bei dem Trench-Ätzprozess dient die strukturierte Oxidschicht 17 als Ätzstoppschicht. Dadurch, dass die Oxidschicht 17 Unterbrechungen aufweist, ist die Stabilisierungsschicht 18 in diesen Bereichen auf der Linerschicht 16 verankert.
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Weiter mit Bezug auf 1d) erfolgt ein Opferschichtätzschritt in gasförmigem HF, wobei die Oxidschicht 17, die Deckschicht 13 und die Opferschicht 2 geätzt werden, wodurch die mikromechanische Funktionsstruktur 4 freigelegt, d.h. beweglich gemacht, wird. Dabei wird die Oxidschicht 17 vollständig entfernt, und die Schichten 13 und 2 teilweise entfernt. Die Linerschicht 16 bleibt bei dem Opferschichtätzschritt unversehrt, da das Ätzmedium HF durch sie hindurchdringen kann und auch die Ätzprodukte durch sie wieder nach außen gelangen können.
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Wie in 1e) dargestellt, erfolgt nach Abschluss des Opferschichtätzschrittes eine weitere LPCVD-Polysiliziumabscheidung zur Bildung einer Kappenschicht 21, welche die Struktur verschließt und insbesondere Stöpsel 21a in den Ätzgräben 19 bildet, sodass diese hermetisch verschlossen sind.
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Die Linerschicht 16 und die darüberliegende Kappenschicht 21 und Stabilisierungsschicht 18 überdecken die mikromechanische Funktionsstruktur 4 derart, dass ein Zwischenraum Z oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 vorgesehen ist.
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Im Anschluss an das Bilden der Kappenschicht 21 werden in der Stabilisierungsschicht 18 Kontaktstöpsel KS''' und KS'''' gebildet, die durch Gräben 11'' von ihrer Umgebung elektrisch isoliert sind und in Verbindung mit den Kontaktstöpseln KS' bzw. KS'' stehen.
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Schließlich werden elektrisch isoliert durch eine dazwischenliegende weitere Oxidschicht 25 elektrische Anschlussflächen A', A'' über den Kontaktsockeln KS''' bzw. KS'''' gebildet. Über die elektrischen Kontaktflächen A', A'' lässt sich die unterste Polysilizium-Funktionsschicht 3a elektrisch kontaktieren.
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Im Anschluss an den in 1f dargestellten Prozesszustand können weitere an sich bekannte Prozessschritte angewendet werden, um im Raum der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 einen definierten Gasdruck einzuschließen oder die mikromechanische Funktionsstruktur 4 geeignet, beispielsweise gegen Verkleben, zu konditionieren. Ein hierzu an sich bekanntes Verfahren besteht z.B. darin, einen Grabenzugang zur Opferschicht 2 außerhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 zu erstellen und in einem weiteren Opferschichtprozess einen Zugang zum Raum der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 zu schaffen, welcher nach dem Konditionieren wieder verschlossen wird.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform bezeichnet 1'' ein Siliziumwafersubstrat, welches eine Vorderseite VS'' und eine Rückseite RS'' aufweist. Im Siliziumwafersubstrat 1'' ist ein Kontaktstöpsel KS'''' gebildet, welcher durch einen Graben 11''' von seiner Umgebung elektrisch isoliert ist und welcher die Polysilizium-Funktionsschicht 3a von der Unterseite her kontaktiert. Ein elektrischer Kontaktbereich A''' ist an der Rückseite RS" isoliert über eine Oxidschicht 50 vorgesehen.
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Der Opferschichtätzprozess bzw. Verkappungsprozess beginnt auf der Vorderseite VS" nach Abscheiden der Deckschicht in Analogie zu 1a). Bei diesem Beispiel weist die (nicht dargestellte) Deckschicht allerdings keine Kontaktlöcher 15a, 15b auf, sondern überdeckt lediglich die mikromechanische Funktionsstruktur 4 sowie einen peripheren Bereich davon. Nach Abscheiden der Linerschicht 16', welche wie im vorhergehenden Beispiel eine LPCVD-Polysiliziumschicht geringer Dicke ist, wird bei der zweiten Ausführungsform keine Stabilisierungsschicht vorgesehen, sondern erfolgt der Opferschichtätzprozess unmittelbar nach Aufbringen der Linerschicht 16', um die Deckschicht zu entfernen und die mikromechanische Funktionsstruktur 4 beweglich zu machen.
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Nach dem Opferschichtätzprozess wird unmittelbar auf die Linerschicht 16' die Kappenschicht 21 aus Polysilizium epitaxial auf die Linerschicht 16' aufgewachsen, was zum Prozesszustand gemäß 2 führt. Die Linerschicht 16' und die darüberliegende Kappenschicht 21' überdecken die mikromechanische Funktionsstruktur 4 derart, dass ein Zwischenraum Z oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 vorgesehen ist.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass kein rückseitiger Kontaktstöpsel im Siliziumwafersubstrat 1 vorgesehen ist, sondern vorderseitige Kontaktstöpsel KSa' und KSa'', wobei der Kontaktstöpsel KSa' in der Polysilizium-Funktionsschicht 3b gebildet ist und der damit elektrisch verbundene Kontaktstöpsel KSa'' in der Kappenschicht 21'' gebildet ist. Wie bei den vorhergehenden Beispielen sind die Kontaktstöpsel KSa', KSa'' über einen Graben 11'''' elektrisch isoliert. Ebenfalls wie bei den vorhergehenden Beispielen ist ein elektrischer Anschlussbereich A'''' für die Kontaktstöpsel KSa', KSa'' isoliert durch eine Oxidschicht 25 vorgesehen.
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Die Linerschicht 16'' bei der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Linerschicht 16' bei der zweiten Ausführungsform dadurch, dass sie derart strukturiert ist, dass Verbindungsstege 22, 23 der Kappenschicht 21'' über die Linerschicht 16'' mit der mikromechanischen Funktionsstruktur 4 mechanisch verbunden sind. Dies bewirkt eine zusätzliche Stabilisierung der Kappenschicht 21''. Bezugszeichen 23a bezeichnet einen weiteren Verbindungssteg der Polysilizium-Funktionsschicht 3b, welcher diese an die Polysilizium-Funktionsschicht 3a anbindet, um in diesem Bereich eine weitere mechanische Stabilisierung von unten her zu bewirken.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt. Auch sind die Anwendungsgebiete breitgefächert und nicht auf Beschleunigungs- und Drehratensensoren beschränkt.
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Alternativ zu den oben erläuterten Ausführungsbeispielen kann es von Vorteil sein, die Linerschicht nicht mit einer weiteren Polysiliziumschicht zu stabilisieren bzw. zu verschließen, sondern mit einer Metallschicht oder einer Oxidschicht. Dies gilt insbesondere dann, wenn nach der Opferschichtätzung noch Konditionierschritte oder weitere Prozessschritte folgen, die es nicht mehr erlauben, Temperaturen bis zu 600°C anzuwenden, wie sie für eine LPCVD-Polysiliziumabscheidung benötigt werden, oder wenn die Kappenschicht noch eine zusätzliche Aufgabe erfüllen soll.
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Eine metallische Dickschicht ist beispielsweise sehr gut dazu geeignet, elektrischmagnetische Strahlungen abzuschirmen. Auch kann die Kappenschicht als Membran für einen Drucksensor verwendet werden, dessen Membrandurchbiegung z.B. kapazitiv zu einer darunterliegenden Schicht gemessen werden kann. Günstig ist hierbei die Möglichkeit des Verschlusses bei tiefer Temperatur und damit die Möglichkeit, den Schichtstress einer derartigen Membran sehr genau einstellen zu können.
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Bei einer weiteren nicht in den Figuren dargestellten Alternative kann die Linerschicht nach dem Opferschichtätzprozess beispielsweise trockenchemisch entfernt werden und eine alternative Art der Verkappung gewählt werden.
