DE102015213756A1 - Mikromechanische Struktur und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

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Abstract

Eine mikromechanische Struktur umfasst ein Substrat und eine funktionelle Struktur, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die funktionelle Struktur weist ein funktionelles Gebiet auf das ausgelegt ist, in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, ausgelenkt zu werden. Die funktionelle Struktur umfasst eine leitfähige Basisschicht und eine funktionelle Struktur, welche eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial umfasst, die auf der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist und die leitfähige Basisschicht in dem funktionellen Gebiet nur teilweise bedeckt. Das Versteifungsstrukturmaterial umfasst ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf mikromechanische Strukturen. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen leitfähigen und robusten mikroelektromechanischen Strukturdünnfilm über mehrschichtige Silicium-Kohlenstoff-Sauerstoff Stickstoff-Membranen.
  • HINTERGRUND
  • Der Ausdruck „mikroelektromechanisches System” (MEMS) oder „mikromechanisches System/mikromechanische Struktur” wird häufig verwendet, um auf kleine integrierte – Vorrichtungen oder -systeme Bezug zu nehmen, die elektrische und mechanische Komponenten kombinieren. Wenn das Hauptaugenmerk auf die mikromechanischen Teile gelegt wird, kann der Ausdruck „mikromechanisches System” verwendet werden, um kleine integrierte Vorrichtungen oder -systeme zu beschreiben, die ein oder mehrere mikromechanische Elemente umfassen und möglicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, elektrische Komponenten und/oder elektronische Komponenten.
  • Mikromechanische Systeme können beispielsweise als Betätiger, Wandler oder Sensoren, z. B. Drucksensoren, verwendet werden. Drucksensoren sind heutzutage Massenprodukte in der Automobilelektronik und Unterhaltungselektronik. Für viele dieser Anwendungen werden Systeme verwendet, bei denen der Sensor in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC, application-specific integrated circuit) integriert ist. Infineon Technologies AG bietet beispielsweise ein solches System als Seiten-Airbag-Sensor an.
  • Insbesondere können die mechanisch aktiven Elemente eines mikromechanischen Systems typischerweise relativ komplexe Strukturen erfordern, wie Vertiefungen, Balken, Ausleger, Unterschneidungen, Hohlräume, etc. Möglicherweise ist eine relativ hohe Anzahl von Herstellungsschritten notwendig. Ferner kann es nötig sein, dass der Prozess, der zur Vornahme des mikromechanischen Systems verwendet wird, mit möglichen nachfolgenden Herstellungsschritten kompatibel ist, die beispielsweise zur Erzeugung elektrischer und/oder elektronischer Komponenten verwendet werden.
  • Mikromechanische Systeme oder Strukturen (MMS) können auslenkbare Strukturen wie Membranen umfassen. Eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) kann eine oder mehrere mikromechanische Strukturen umfassen, deren auslenkbare Struktur elektrisch ausgelenkt werden kann (Betätiger). Alternativ dazu oder zusätzlich kann die MEMS ein elektrisches Signal ansprechend auf eine Auslenkung der auslenkbaren Struktur der MMS liefern (Sensor). Eine Bewegung der ausgelenkten Struktur kann zu mechanischem Stress führen. So besteht ein Bedarf, mikromechanische Strukturen mit verbesserter Haltbarkeit und/oder Auslenkleistung vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Erfinder haben gefunden, dass eine Haltbarkeit und/oder Auslenkleistung einer mikromechanischen Struktur verbessert werden kann, wenn eine Härte der auslenkbaren Struktur erhöht wird, indem die auslenkbare Struktur teilweise mit einem Versteifungsmaterial bedeckt wird, das Silicium-Material und Kohlenstoff-Material umfasst, und indem die auslenkbare Struktur wenigstens teilweise mit einer Versteifungsstruktur bedeckt wird, die eine variierende Konzentration des Silicium-Materials und/oder des Kohlenstoff-Materials umfasst. Eine Härte der Versteifungsstruktur kann höher sein als eine Härte der auslenkbaren Struktur, so dass eine Belastbarkeit der auslenkbaren Struktur erhöht werden kann und/oder so dass ein Volumen davon verringert werden kann.
  • Ausführungsformen sehen eine mikromechanische Struktur vor, welche ein Substrat und eine funktionelle Struktur umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die funktionelle Struktur umfasst ein funktionelles Gebiet, das ausgelegt ist, in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, ausgelenkt zu werden. Die funktionelle Struktur umfasst eine leitfähige Basisschicht und eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial, die auf der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist und die leitfähige Basisschicht im funktionellen Gebiet nur teilweise bedeckt. Das Versteifungsstrukturmaterial umfasst ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material.
  • Weitere Ausführungsformen sehen eine mikromechanische Struktur vor, welche ein Substrat und eine funktionelle Struktur umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die funktionelle Struktur umfasst ein funktionelles Gebiet, das in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist. Die funktionelle Struktur umfasst eine leitfähige Basisschicht und eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial, welche die leitfähige Basisschicht wenigstens teilweise bedeckt. Das Versteifungsstrukturmaterial umfasst ein Kohlenstoff-Material, das eine variierende Kohlenstoff-Konzentration entlang einer Dickenrichtung der Versteifungsstruktur umfasst.
  • Weitere Ausführungsformen sehen ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur vor. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen eines Substrats und ein Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Abscheiden einer Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial auf der leitfähigen Basisschicht, so dass die leitfähige Basisschicht das funktionelle Gebiet nur teilweise bedeckt, wobei das Versteifungsstrukturmaterial ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material umfasst.
  • Weitere Ausführungsformen sehen ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur vor. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen eines Substrats und ein Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat und ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Abscheiden eines Versteifungsstrukturmaterials, das ein Kohlenstoff Material umfasst, auf der funktionellen Struktur, um eine Versteifungsstruktur auf der funktionellen Struktur zu bilden, so dass das Kohlenstoff-Material eine variierende Kohlenstoff-Konzentration entlang einer Dickenrichtung umfasst, wobei die Versteifungsstruktur die leitfähige Basisschicht wenigstens teilweise bedeckt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur, welche ein Substrat und eine funktionelle Struktur umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist, welche funktionelle Struktur eine Versteifungsstruktur aufweist, wobei die funktionelle Struktur eine mehrschichtige Membran ist, gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur mit zwei Versteifungsstrukturen, die auf der leitfähigen Basisschicht angeordnet sind und dem Substrat zugewandt sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur, die das Substrat und die Versteifungsstruktur umfasst, wobei die Versteifungsstruktur zwei Filmstrukturen umfasst, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 4a–d zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht des funktionellen Gebiets gemäß weiteren Ausführungsformen;
  • 5a–i zeigen jeweils eine schematische Drauf- oder Unteransicht einer möglichen Implementierung des funktionellen Gebiets gemäß weiteren Ausführungsformen;
  • 6a–p zeigen jeweils eine schematische Drauf- oder Unteransicht funktioneller Strukturen, welche eine quadratische leitfähige Basisschicht umfassen, die in Klemmgebieten eingeklemmt ist, gemäß weiteren Ausführungsformen;
  • 7a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die in einem inneren Gebiet der leitfähigen Basisschicht auf der ersten Seite angeordnet ist, in einem zentralen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf der zweiten Seite angeordnet ist, und in einem unteren Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf beiden Seiten angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 7b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Simulationsergebnisses, das die Biegekurve simuliert, die durch eines der funktionellen Gebiete von 7a erhalten werden kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 8a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die in äußeren Gebieten der leitfähigen Basisschicht auf der ersten Seite angeordnet ist, in einem zentralen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf der zweiten Seite angeordnet ist, und in einem unteren Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf beiden Seiten angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 8b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Simulationsergebnisses, das eine Auslenkung des funktionellen Gebiets von 8a simuliert, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 9a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht einer Mehrzahl von Versteifungsstrukturen, die in einem Abstand voneinander auf der leitfähigen Basisschicht auf der ersten Seite angeordnet sind, in einem zentralen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf der zweiten Seite angeordnet ist, und in einem unteren Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur, die auf beiden Seiten angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 9b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets, das in 9a gezeigt ist, wobei das funktionelle Gebiet ansprechend auf die Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, ausgelenkt ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 10a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets, wobei Vertiefungen als Sechsecke gebildet sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 10b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets, wobei die Vertiefungen eine runde Form umfassen, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 11 zeigt eine schematische Schnittansicht einer mikromechanischen Struktur, welche das Substrat und eine funktionelle Struktur umfasst, das auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die funktionelle Struktur eine Gradientenmembran ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 12a–d zeigen schematische Seitenansichten der funktionellen Struktur, die wenigstens eine leitfähige Basisschicht und wenigstens eine Versteifungsstruktur umfasst. 12a–d zeigen ferner mögliche Variationen einer Konzentration des Silicium-Materials der funktionellen Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 13 zeigt eine schematische Schnittansicht einer mikromechanischen Struktur, welche die funktionelle Struktur und eine Gegenelektrode umfasst, gemäß einer Ausführungsform;
  • 14a zeigt ein schematisches Blockbild eines mikromechanischen Schallwandlers, der die in 1 beschriebene mikromechanische Struktur umfasst, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 14b zeigt ein schematisches Blockbild eines mikromechanischen Schallwandlers, der die in 11 beschriebene mikromechanische Struktur umfasst, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 15 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, die eine mehrschichtige Membran umfasst, gemäß einer Ausführungsform; und
  • 16 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, die eine Gradientenmembran umfasst, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der beigeschlossenen Figuren detailliert beschrieben werden, sei darauf hingewiesen, dass dieselben oder funktionell gleichen Elemente in den Figuren dieselben Bezugszahlen erhalten und dass eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben oder ähnlichen Bezugszahlen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Daher sind Beschreibungen, die für Elemente mit denselben Bezugszahlen gegeben werden, gegenseitig austauschbar und anwendbar.
  • Üblicherweise werden Mikrofone und/oder Mikrolautsprecher, die als MEMS realisiert werden, in der Silicium-Technologie hergestellt. Mikromaschinell bearbeitete Silicium-Mikrofone sind kapazitive Wandler mit einer flexiblen Membran, die sich im Schallfeld bewegt, und mit einer statischen perforierten Elektrode, die als Rückplatte bezeichnet wird. Gemäß dem Konzept des Überdrucks kann die Membran Druckunterschieden von bis zu 10 bar ausgesetzt werden. In solchen Fällen versagen typische Membranen, da ihre Bruchfestigkeit bzw. eine maximale mechanische Belastung, welcher die Membran standhalten kann (Bruchwiderstand), überschritten wird.
  • Der komplementäre Wandler ist ein Mikrolautsprecher, der betätigt werden muss, so dass eine große Hubverschiebung erzielt wird, beispielsweise durch eine kapazitive Betätigung, um eine größere Luftverschiebung und daher einen akzeptablen Schalldruck zu bewirken.
  • Eine auslenkbare Komponente einer mikromechanischen Struktur, wie eine Membran eines Schallwandlers, kann eingeklemmt werden, d. h. an einem fixierten (eingeklemmten) Bereich fixiert und ausgekragt werden oder d. h. in einem auslenkbaren Bereich vibrierbar oder auslenkbar sein. Die Membran kann so als ausgekragte Struktur bezeichnet werden.
  • Die auslenkbare Komponente kann während der Auslenkung unter mechanischen Stress gesetzt werden. Mechanischer Stress kann beispielsweise aufgrund von Materialbelastungen entstehen. Beispielsweise kann der mechanische Stress eines Auslegerbalkens am Ende des Auslegerbalkens angrenzend an den eingeklemmten Bereich davon maximal sein. Ferner kann mechanischer Stress beispielsweise in Bereichen der auslenkbaren Komponente entstehen, die an anderen Komponenten oder einem Substrat anliegen. Solche anliegenden Bereiche können in Gebieten oder Bereichen der auslenkbaren Komponente angeordnet sein, die eine hohe Amplitudenverformung aufweisen, wie ein auslenkbares Ende des Auslegerbalkens, in Gebieten, wo eine Distanz zu anderen Komponenten klein ist und/oder in Gebieten, wo die Klemmbereiche enden.
  • Es können auch andere Parameter der auslenkbaren Komponenten angepasst werden müssen. Beispielsweise umfasst Silicium eine Leitfähigkeit für elektrische Ströme. Die Leitfähigkeit kann sektional oder insgesamt, d. h. an der vollständigen Struktur, erhöht (weniger elektrischer Widerstand) oder verringert (höherer elektrischer Widerstand) werden müssen.
  • Parameter des Silicium-Materials können durch das Aufbringen anderer Materialien angepasst werden, die eine Verbindung mit dem Silicium-Material bilden. Beispielsweise kann Silicium-Material dotiert werden, um die Generierung von Löchern und/oder Elektronen anzupassen.
  • Mikromechanische Systeme (MMS) können allgemein als Betätiger verwendet werden, um Komponenten davon abzulenken, beispielsweise um andere Komponenten zu betätigen. Andere MMS-Systeme können als Sensor verwendet werden und ausgelegt sein, eine mechanische Auslenkung von Teilen davon abzufühlen. So können MMS-Sensoren und/oder -Betätiger Silicium-Komponenten, wie Membranen, umfassen, die sehr zerbrechlich sind und während der Handhabung und durch mechanische Stöße im Betrieb leicht zerstört werden können.
  • Eine Härte und/oder Steifigkeit des Silicium-Materials kann erhöht werden, indem weitere Materialien zugesetzt werden, wie Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und/oder Sauerstoff (O), und/oder Metallmaterialien, wie ein Tantal-(Ta-)Material, ein Molybdän-(Mo-)Material, ein Titan-(Ti-)Material und/oder eine oder mehrere tertiäre Verbindungen davon. Beispielsweise können tertiäre Verbindungen ein Tantalnitrid-(TaN-)Material, ein Molybdändisilicid(MoSi2), ein Tantaldisilicid (TaSi2) oder ein Titandisilicid (TiSi2) sein.
  • Die Materialien können beispielsweise während wenigstens eines Abscheidungsprozesses zugesetzt werden, wie ein Epitaxialwachstumsprozess, ein reaktiver physikalischer Dampfabscheidungsprozess (PVD, physical vapor deposition), ein chemischer Dampfabscheidungs-(CVD, chemical vapor deposition)prozess, eine Variation davon oder dgl. Beispielsweise kann ein Abscheidungsgas das Kohlenstoff-Material, das Stickstoff-Material und/oder das Sauerstoff-Material und/oder die Metallmaterialien umfassen, so dass das Silicium-Material und das/die weitere/n Material/ien ein oder mehrere Verbundmaterialien bildet/bilden. Das Verbundmaterial kann beispielsweise auf einer Basisschicht und/oder auf einem Substrat abgeschieden werden, die Silicium-Material umfassen können und leitfähig sein können. Beispielsweise kann eine Schicht auf der Basisschicht und/oder dem Substrat gebildet werden. Die Abscheidung kann wiederholt werden, so dass eine Mehrzahl von Schichten mit verschiedenen Materialien gebildet werden kann.
  • Die Abscheidung kann eine mechanisch feste Verbindung zwischen der Basisschicht oder dem Substrat und der/den abgeschiedenen Schicht/en ermöglichen. Das Silicium-Material und das Kohlenstoff-Material können ein Siliciumcarbid-(SiC-)Material bilden. Das Silicium-Material und das Sauerstoff-Material können ein Siliciumoxid-(SiO-)Material bilden. Das Silicium-Material und das Stickstoff-Material können ein Siliciumnitrid-(SiN-)Material bilden. Auf der Basis von Prozessparametern kann ein Konzentrationswert eines oder mehrerer Materialien variieren, so dass im Allgemeinen das Siliciumcarbid-(SiC-)Material als SixCa-Material erhalten werden kann, so dass das Siliciumoxid-(SiO-)Material als SixOb-Material erhalten werden kann, beispielsweise SiO und/oder SiO2, und/oder so dass das Siliciumnitrid-(SiN-)Material als SixNc-Material erhalten werden kann. Zusätzlich können weitere Materialien erhalten werden, wie eine Siliciumoxynitrid-(SixObNc-)Materialklasse, die ein oder mehrere SixObNc-Materialien umfasst, eine Siliciumkohlenstoffnitrid-(SixCaNc-)Materialklasse, die ein oder mehrere SixCaNc-Materialien umfasst, eine Materialklasse, die ein oder mehrere SixCaNb-Materialien mit einer Sauerstoff-Dotierung umfasst (SixCaObNc) und/oder eine Materialklasse, die eines oder mehrere von dem Tantal-Material, dem Molybdän-Material, dem Titan-Material und/oder wenigstens eine der tertiären Verbindungen umfasst, die durch den Ausdruck SixTadMoeTafTig zusammengefasst werden können.
  • Innerhalb einer Materialklasse können x, a, b, c, d, e, f und/oder g einen oder mehrere gleiche oder verschiedene Werte umfassen. Eine statische Verteilung von x, a, b, c, d, e, f und/oder g innerhalb jeder der Materialklassen kann beispielsweise eine Gaußsche Verteilung mit einem Zentrum zeigen, das von Prozessparametern abhängig sein kann, wie einer Temperatur, einem Druck, einer Menge an Si-Material und/oder den weiteren Materialien. Ein oder mehrere verschiedene Materialien (C, O, N, Ta, Mo, Ta und/oder Ti) kann oder können sequentiell abgeschieden werden, eines nach dem anderen oder gleichzeitig und in Kombination mit oder auf dem Silicium-Material, beispielsweise das Silicium-Material, das Kohlenstoff-Material und das Tantal-Material zu einer ersten Zeit, und das Silicium-Material und das Sauerstoff-Material zu einer zweiten Zeit. Wenn die Materialien sequentiell implantiert werden, können die Materialien auf teilweise oder vollständig überlappenden Bereichen in Bezug auf Bereiche aufgebracht werden, wo Material vorher abgeschieden wurde. Alternativ dazu können die Materialien auf verschiedenen Bereichen abgeschieden werden. Beispielsweise kann eine Abscheidung von Kohlenstoff und Silicium zu einer Abscheidung von SiC führen, das eine Härte des Strukturmaterials lokal in einem SiC-Bereich und in Bezug auf ein Substrat wie Silicium erhöhen kann. Eine Abscheidung von Silicium und Sauerstoff kann eine Abscheidung von SiO ermöglichen, das die Struktur lokal weicher machen kann, beispielsweise im SiC-Bereich und in Bezug auf auf das SiC-Material, und/oder die Härte in Bezug auf das Substrat, beispielsweise (Poly-)Silicium, erhöhen kann. Eine Abscheidung eines oder mehrerer der Metallmaterialien kann eine erhöhte Leitfähigkeit in Abscheidungsgebieten ermöglichen, so dass die Generierung eines elektrischen Felds, z. B. zur Generierung einer Auslenkkraft, in Bezug auf (Poly-)Silicium verbessert werden kann. Alternativ dazu oder zusätzlich können Schaltungsstrukturen durch die Abscheidung des Silicium-Materials und des Metallmaterials abgeschieden werden. Die Schaltungsstrukturen können beispielsweise in einem Bereich abgeschieden werden, wo vorher SiO abgeschieden wurde, so dass die Schaltungsstrukturen in Bezug auf eine leitfähige Basisschicht durch das SiO isoliert werden.
  • Im Folgenden wird auf Si-C-O-N-Verbundstoffe Bezug genommen, die, im wörtlichen Sinn, für eine Verbindung stehen, die das Silicium-(Si-)Material, das Kohlenstoff-(C-)Material, das Sauerstoff-(O-)Material und das Stickstoff-(N-)Material umfasst. Der Ausdruck Si-C-O-N soll nicht auf eine solche Verbindung von Materialien beschränkt sein und wird zur Bezeichnung eines Verbundstoffs (einer Verbindung) verwendet, der Silicium und wenigstens das Kohlenstoff-Material umfasst. Der Verbundstoff kann ferner gegebenenfalls das Sauerstoff-Material, das Stickstoff-Material und/oder ein oder mehrere der Metallmaterialien umfassen, die Verbindungen bilden können, wie die oben angegebenen, z. B. SixCaObNcTadMoeTafTig, wobei x und a einen Wert von wenigstens l umfassen, und b, c, d, e, f und g einen beliebigen Wert gleich oder größer als Null umfassen. Die angeordneten Materialien können entlang einer Dickenrichtung variieren, entlang welcher das Material (Schichten) abgeschieden (aufgewachsen) wird.
  • Effekte des mechanischen Stresses, wie Anzeichen von Ermüdungen (z. B. Ermüdungsbruch oder eine statische Verformung), der auslenkbaren Komponente aufgrund von Belastungen oder Stößen/einem Anliegen können reduziert werden, indem eine Versteifungsstruktur angeordnet wird, die das Si-C-O-N-Material (Versteifungsmaterial) im auslenkbaren Bereich in den Stress ausgesetzten Gebieten, wie belasteten Bereichen oder anliegenden Bereichen, umfasst. Eine Härte und/oder Versteifung der Versteifungsmaterialien, wie Siliciumcarbid (SixCy), Siliciumnitrid (SixNy) und/oder Siliciumoxid (SixOy), kann erhöht werden, verglichen mit einer Steifigkeit oder Härte von Silicium-(Si-)Materialien. So können hergestellte Komponenten, wie Silicium-Membranen oder Silicium-Balken einer MMS, in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Belastbarkeit verbessert werden.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer mikromechanischen Struktur 10, welche ein Substrat 12 und eine funktionelle Struktur 14 umfasst, die auf dem Substrat 12 angeordnet ist. Die funktionelle Struktur 14 umfasst ein funktionelles Gebiet 16, das ausgelegt ist, einen mechanischen aktiven Bereich vorzusehen und in Bezug auf das Substrat 12 ansprechend auf eine Kraft 18, die auf das funktionelle Gebiet 16 einwirkt, ausgelenkt zu werden. Die funktionelle Struktur 14 umfasst eine leitfähige Basisschicht 22 und eine Versteifungsstruktur 24. Die Versteifungsstruktur 24 umfasst ein Versteifungsstrukturmaterial, das auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet ist. Die funktionelle Struktur 24 bedeckt nur teilweise die leitfähige Basisschicht 22 im funktionellen Gebiet 16. Das Versteifungsstrukturmaterial umfasst ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff Material.
  • Die Versteifungsstruktur kann beispielsweise ein Siliciumcarbid-Material sein. Siliciumcarbid kann eine Härte umfassen, die höher ist als 3, 10 oder 20 GPa, wobei die Härte beispielsweise gemäß Knoop und/oder Vickers gemessen werden kann. Die leitfähige Basisschicht kann ein Silicium-Material umfassen. Das Silicium-Material kann ein monokristallines oder polykristallines Silicium-Material sein. Das Silicium-Material kann eine Härte umfassen, die höher ist als 5, 10 oder 12 GPa, wobei die Härte beispielsweise von der Struktur der kristallinen Struktur des Materials abhängig sein kann. Die Härte des Silicium-Materials und des Versteifungsstrukturmaterials kann auf der Basis von Prozessparametern, wie einer Temperatur, einem Druck und/oder einem Abscheidungsprozess, variiert werden. Der Abscheidungsprozess zum Abscheiden (Anordnen) der leitfähigen Basisschicht auf dem Substrat 12 und/oder des Versteifungsmaterials auf der leitfähigen Basisschicht kann beispielsweise eine reaktive physikalische Dampfabscheidung (PVA), ein chemischer Dampfabscheidungs-(CVD-)prozess oder dgl. sein, so dass die leitfähige Basisschicht 22 auf dem Substrat 12 durch eine starre Verbindung angeordnet ist, wobei an der starren Verbindung (eingeklemmtes Gebiet) der leitfähigen Basisschicht 22 eine Auslenkung der funktionellen Struktur 14 reduziert oder verhindert wird, verglichen mit einer Auslenkung einer funktionellen Struktur 14 im funktionellen Gebiet 16.
  • Die Härte kann entlang des leitfähigen Basisschichtmaterials beispielsweise auf der Basis einer inhomogenen kristallinen Struktur variieren. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Härte des Versteifungsstrukturmaterials entlang des Versteifungsstrukturmaterials variieren, z. B. durch eine Variation einer Konzentration des Kohlenstoff-Materials und/oder anderer Materialien der Si-C-O-N-Verbindung.
  • Um die leitfähige Basisschicht durch das Versteifungsmaterial zu versteifen, kann das Versteifungsmaterial eine Härte umfassen, die wenigstens das 1,5-, 2- oder 2,5-fache der Härte des leitfähigen Basisschichtmaterials beträgt.
  • Wie oben beschrieben, kann das Versteifungsstrukturmaterial ferner wenigstens eines von dem Stickstoff-Material, dem Sauerstoff-Material, dem Titan-Material, dem Molybdän-Material und/oder dem Titan-Material umfassen, wobei jedes der Materialien eine Materialkonzentration innerhalb des Versteifungsstrukturmaterials umfasst. Die Kohlenstoff-Konzentration des Kohlenstoff-Materials kann wenigstens 1% und höchstens 100%, wenigstens 3% und höchstens 80% oder wenigstens 10% und höchstens 500% der Konzentration des Silicium-Materials der Versteifungsstruktur betragen. Eine Konzentration des Kohlenstoff-Materials, die gleich ist der Konzentration des Silicium-Materials, kann einen sogenannten diamantähnlichen Kohlenstoff ermöglichen.
  • Ein Stickstoff-Material kann mit anderen Materialien in der Si-C-O-N-Verbindung beispielsweise zur Bildung von Siliciumnitrid kombiniert werden, was eine weitere Erhöhung der Härte gestatten kann. Siliciumnitrid (SiN) kann einen Young'schen Modul mit einem Wert umfassen, der größer ist als 100 GPa, größer als 150 GPa oder größer als 200 GPa. Das Silicium-Material kann beispielsweise Siliciumoxid (SiO/SiO2) bilden, was eine reduzierte (elektrische) Leitfähigkeit ermöglichen kann, verglichen mit Silicium-Material. SiO kann einen Young'schen Modul mit einem Wert umfassen, der größer ist als 40 GPa, größer als 70 GPa oder größer als 90 GPa. SiO/SiO2 kann eine Härte mit einem Wert umfassen, der größer ist als 14 GPa, größer als 16 GPa oder größer als 17 GPa. Die Versteifungsstruktur 24 kann so Isoiereigenschaften umfassen. Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 24 leitfähige Eigenschaften umfassen, falls z. B. die Si-C-O-N-Verbindung das Titan-Material und/oder das Tantal-Material umfasst. Alle der Materialkombinationen ermöglichen eine Anpassung des Verhaltens der funktionellen Struktur 14 in Bezug auf die Temperatur (wie Expansion, Auslenkung oder Druckrobustheit), d. h. in Abhängigkeit von den Anforderungen für ein System, das die mikromechanische Struktur 10 umfasst, können die Eigenschaften der mikromechanischen Struktur 10 angepasst werden.
  • So kann die Versteifungsstruktur 24 die leitfähige Basisschicht 22 wenigstens in Gebieten versteifen, die von der Versteifungsstruktur 24 bedeckt werden. Die Versteifung kann zu einer geänderten, d. h. angepassten, Biegelinie (Auslenkkurve) der funktionellen Struktur 14 bzw. des funktionellen Gebiets 16 führen. Beispielsweise kann die Versteifungsstruktur 24 auf Gebieten oder angrenzend an Gebiete des funktionellen Gebiets 16 angeordnet werden, die hohe oder maximale Belastungen während der Auslenkung zeigen, wie Fixierbereiche, die ausgelegt sind, die funktionelle Struktur 14 in Bezug auf das Substrat 12 einzuklemmen (zu fixieren).
  • Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 24 in Gebieten der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sein, die weniger oder sogar eine minimale Belastung umfassen, wenn die funktionelle Struktur 14 ausgelenkt wird. Ein derartiger Bereich kann beispielsweise ein Zentrum einer Membran eines Lautsprechers oder eines Mikrofons sein, wenn die Membran an Randbereichen eingeklemmt, fixiert oder montiert wird.
  • Die leitfähige Basisschicht 22 kann Silicium-Material umfassen und kann in Bezug auf einen elektrischen Strom leitfähig sein. Alternativ dazu kann die leitfähige Basisschicht 22 einen hohen elektrischen Widerstand umfassen. Die leitfähige Basisschicht 22 kann in Bezug auf eine thermische Energie wie Wärme leitfähig sein.
  • Die funktionelle Struktur kann beispielsweise eine Membran eines akustischen Wandlers sein. Der akustische Wandler kann ein Mikrofon oder ein Lautsprecher sein, so dass die funktionelle Struktur 14 eine Membran eines Mikrofons oder eines Lautsprechers sein kann. Die Kraft 18 kann beispielsweise durch ein elektrostatisches oder elektrodynamisches Feld generiert werden, das die funktionelle Struktur 14 in Bezug auf das Substrat 12 anziehen oder abstoßen kann. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Kraft 18 beispielsweise durch einen Umgebungsdruck oder eine Variation davon induziert werden, der die funktionelle Struktur 14 auslenkt, wobei die Auslenkung zum Generieren eines Mikrofonsignals messbar ist.
  • Die Versteifungsstruktur 24 kann in Gebieten des funktionellen Gebiets 16 angeordnet sein, die ausgelegt sein kann, mit anderen Komponenten, wie dem Substrat 12, in Eingriff zu gelangen oder an diesen anzuliegen, und so dass die Versteifungsstruktur 24 ausgelegt ist, mit der anderen Komponente (anstatt der leitfähigen Basisschicht) in Eingriff zu gelangen. Dies kann eine erhöhte Haltbarkeit der funktionellen Struktur 14 ermöglichen. Beispielsweise kann eine Membran eines digitalen Lautsprechers ausgelegt sein, an einem Substrat oder einer Gegenelektrode in ausgelenkten Bereichen der Membran anzuliegen. Durch das Anordnen der Versteifungsstruktur 24 in Gebieten, die ausgelegt sind, am Substrat 12 oder an der Gegenelektrode anzuliegen, kann die Haltbarkeit der Membran auf der Basis der erhöhten Härte des funktionellen Gebiets 16 erhöht werden.
  • Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 24 in Gebieten der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sein, die ausgelegt sind, hohe Belastungen zu zeigen, wenn das funktionelle Gebiet 16 ausgelenkt wird, wie Gebiete der funktionellen Struktur 16 angrenzend an Fixierpunkte.
  • Die Konzentration des Kohlenstoff-Materials oder anderer Materialien der Si-C-O-N-Verbindung und so des Versteifungsstrukturmaterials kann entlang einer Dickenrichtung 26 der Versteifungsstruktur variieren. Die Dickenrichtung kann eine (kürzeste) Richtung sein, die rechtwinklig zu lateralen Richtungen angeordnet ist, entlang welcher sich die funktionelle Struktur am meisten ausdehnt. Die Dickenrichtung 26 kann parallel zu einer Flächennormalen der funktionellen Struktur und/oder in Bezug auf eine Fläche angeordnet sein, auf welche die Kraft 18 einwirkt. Die Flächennormale kann parallel zur Dickenrichtung 26 sein, wenn die funktionelle Struktur 14 eine Ruheposition umfasst. In der Ruheposition kann die funktionelle Struktur 14 nicht ausgelenkt sein.
  • Eine variierende Konzentration des Kohlenstoff-Materials und/oder anderen Materials entlang der Dickenrichtung 26 ermöglicht das Variieren von Parametern der Versteifungsstruktur entlang der Dickenrichtung 26. Beispielsweise kann entlang der Dickenrichtung 26 die Härte des Versteifungsstrukturmaterials zunehmen oder abnehmen, um eine variierende mechanische Belastung zu kompensieren, die durch Belastungen entlang der Dickenrichtung 26 induziert wird.
  • Ein Vorteil der nur teilweisen Bedeckung der leitfähigen Basisschicht 22 ist beispielsweise, dass Eigenschaften, wie ein Biegen oder eine Härte der Fläche der funktionellen Struktur, lokal angepasst werden können.
  • Die Konzentration eines oder mehrerer Materialien der Si-C-O-N-Verbindung kann schrittweise entlang der Dickenrichtung 26 der Versteifungsstruktur 24 variieren. Beispielsweise kann die Materialkonzentration in Schritten von mehr als 0,05%, mehr als 0,1% oder mehr als 0,2% der Materialkonzentration entlang der Dickenrichtung 26 variieren. Die Variation kann eine Erhöhung und/oder Senkung der Materialkonzentration wenigstens eines der Materialien umfassen. So kann entlang der Dickenrichtung 26 die Konzentration wenigstens eines der Materialien zuerst abnehmen oder zunehmen und danach zunehmen oder abnehmen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann oder können eines oder mehrere der Materialien der funktionellen Struktur nur teilweise entlang der Dickenrichtung 26 angeordnet sein. Beispielsweise kann entlang der Dickenrichtung 26 die Versteifungsstruktur 24 das Silicium-Material und das Kohlenstoff-Material an einer Seite umfassen, die der leitfähigen Basisschicht 22 zugewandt ist. An einer gegenüberliegenden Flächenschicht oder einer Deckschicht der Versteifungsstruktur 24 kann das Versteifungsstrukturmaterial das Titan-Material umfassen, z. B. um die Leitfähigkeit des Versteifungsstrukturmaterials an der Flächenschicht zu erhöhen. Eine erhöhte Leitfähigkeit kann ein Modifizieren oder Anpassen eines elektrostatischen oder elektrodynamischen Felds ermöglichen, das zwischen der funktionellen Struktur 14, der leitfähigen Basisschicht 12 und/oder dem Substrat 12 generiert werden kann.
  • Mit anderen Worten können entscheidende mechanische Materialparameter, wie beispielsweise die Härte und der Elastizitätsmodul (Young'scher Modul), durch das Einbringen von Kohlenstoff (C) in Silicium (Si) optimiert werden. Die mechanische Belastbarkeit (Druck, Temperatur, ...) davon kann sich erheblich verbessern, wenn dieser Verbundstoff als Teil einer freistehenden Schicht verwendet wird. Es gibt einige Wege, Si-C-Verbindungen als Material aufzubringen. Durch den zusätzlichen und spezifischen Zusatz von Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und/oder einer beliebigen Kombination dieser Materialien können die erhaltenen Verbundstoffe zusätzlichen Spielraum bei der Auslegung der mechanischen Charakteristiken, wie Schichtstress, Young'scher Modul und dgl., ermöglichen.
  • Elektromechanische Charakteristiken der funktionellen Struktur können über einen sehr breiten Bereich durch das Einbringen anderer Materialien verbessert werden, wie beispielsweise Tantal, Molybdän, Titan und/oder tertiäre Verbindungen oder dgl., und/oder durch das Beschichten der funktionellen Struktur, beispielsweise einer poly-Si-Membran, mit den angegebenen Materialsystemen.
  • Mit Bezugnahme auf die funktionelle Struktur 14 kann eine Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit erzielt werden, indem beispielsweise eine leitfähige Basisschicht (wie beispielsweise dotiertes Polysilicium) mit dem Schichtsystem bzw. der angegebenen mehrschichtigen Membran (funktionellen Struktur 14) auf einer Seite oder beiden Seiten beschichtet wird.
  • 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur 20, wobei zwei Versteifungsstrukturen 24a und 24b auf der leitfähigen Basisschicht 22, dem Substrat 12 zugewandt, angeordnet sind. Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b sind im funktionellen Gebiet 16 angeordnet. Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b sind an anliegenden Bereichen 29a und 29b der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet. Die anliegenden Bereiche 29a und 29b sind ausgelegt, an dem Substrat 16 anzuliegen, wenn das funktionelle Gebiet 16 ausgelenkt wird. Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b können so angeordnet sein, dass die leitfähige Basisschicht daran gehindert wird, an dem Substrat 12 anzuliegen, und dass das funktionelle Gebiet 16 an dem Substrat 12 an den Versteifungsstrukturen 24a und 24b anliegt. Alternativ dazu oder zusätzlich können weitere Versteifungsstrukturen auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sein, wobei die weiteren Versteifungsstrukturen so angeordnet sein können, dass sie nicht an dem Substrat 12 anliegen, wenn das funktionelle Gebiet 16 ausgelenkt wird.
  • Die funktionelle Struktur 24a ist so angeordnet, dass sie an dem Substrat 12 angrenzend an ein eingeklemmtes Gebiet 28 an einem auskragenden Bereich der leitfähigen Basisschicht 22 anliegt. Der auskragende Bereich kann beispielsweise ein Bereich der funktionellen Struktur 14 oder der leitfähigen Basisschicht 22 sein, der nicht eingeklemmt ist.
  • An Übergängen zwischen dem eingeklemmten Gebiet 28 und dem auslenkbaren funktionellen Gebiet 16 können Kräfte, die von der Auslenkung stammen, aufgrund hoher Belastungen in der leitfähigen Basisschicht erhöht werden, so dass ein vorherbestimmter Bruchpunkt in der leitfähigen Basisschicht 22 entstehen kann. Durch das Anordnen der Versteifungsstruktur 24a am oder angrenzend an den vorherbestimmten Bruchpunkt anstelle der leitfähigen Basisschicht kann die Versteifungsstruktur 24a an dem Substrat 12 anliegen. So kann die Haltbarkeit der funktionellen Struktur 14 erhöht werden.
  • Die Versteifungsstruktur 24b ist im funktionellen Gebiet 16 angeordnet, wo das funktionelle Gebiet 16 ausgelegt wäre, an dem Substrat 12 anzuliegen, wenn es ausgelenkt wird. So liegt anstelle der leitfähigen Basisschicht 22 die funktionelle Struktur 24b an dem Substrat 12 an, so dass eine mechanische Belastung, die in die leitfähige Basisschicht 22 durch das Anliegen eingebracht wird, reduziert werden kann. Die Versteifungsstruktur 24b ist in einem Bereich der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet, der eine hohe Auslenkung und geringe Belastungen zeigen kann, wenn das funktionelle Gebiet 16 ausgelenkt wird.
  • 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer mikromechanischen Struktur 30, die das Substrat 12 und die Versteifungsstruktur 24 umfasst. Die funktionelle Struktur 14 ist ansprechend auf die Kraft 18 im funktionellen Gebiet auslenkbar. Die Versteifungsstruktur 24 umfasst zwei Filmstrukturen 32a und 32b, wobei die Filmstruktur 32b auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet ist und die Filmstruktur 32a auf der Filmstruktur 32b an einer Seite angeordnet ist, die einer der leitfähigen Basisschicht 22 zugewandten Seite gegenüberliegt.
  • Jede der Filmstrukturen 32a und 32b umfasst ein Versteifungsstrukturmaterial, d. h. eine Si-C-O-N-Verbindung, die voneinander verschieden sein können. Alternativ dazu kann eine der Filmstrukturen ohne das Kohlenstoff-Material gebildet sein. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Versteifungsstruktur 24 mehr als zwei Filmstrukturen umfassen, wobei wenigstens eine der Filmstrukturen das Kohlenstoff-Material umfasst. Eine oder mehrere Filmstrukturen kann oder können verschiedene Materialien umfassen, die von der Si-C-O-N-Verbindung verschieden sind, wie ein Aluminium-Material oder ein beliebiges anderes Material.
  • Die Versteifungsstruktur 24, welche die Filmstrukturen 32a und 32b umfasst, wobei die Filmstrukturen 32a und 32b nicht nur verschiedene Konzentrationen, sondern auch verschiedene Materialien umfassen, kann eine Realisierung einer Versteifungsstruktur ermöglichen, die ansprechend auf andere physikalische Effekte weiter funktionell ist. Beispielsweise können die Filmstrukturen 32a und 32b einen verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder verschiedene Leitfähigkeitsparameter umfassen, so dass eine Auslenkung der leitfähigen Basisschicht 22 ansprechend auf einen Wärmegradienten angepasst oder reduziert werden kann. Beispielsweise kann eine isolierende Bildung der Filmstruktur 32b eine Isolierschicht zwischen der leitfähigen Basisschicht 22 und der (leitfähigen) Filmstruktur 32a ermöglichen. Eine leitfähige Filmstruktur kann eine Kontaktfläche einer elektronischen Komponente oder eines elektronischen Systems sein, wie eines Source- und/oder Drain-Kontakts eines Transistors.
  • 4a–d zeigen als Beispiel jeweils eine schematische Seitenansicht des funktionellen Gebiets 16.
  • Mit Bezugnahme auf 4a ist die leitfähige Basisschicht 22, die eine Dicke h1 umfasst, teilweise von einer ersten Versteifungsstruktur 24a und einer zweiten Versteifungsstruktur 24b bedeckt, die beide eine Dicke h2 umfassen, wobei sich die Dicke h1 und h2 jeweils auf eine Ausdehnung der leitfähigen Basisschicht 22, der Versteifungsstruktur 24a und/oder 24b entlang der Dickenrichtung 26 beziehen. Die funktionelle Struktur 16 umfasst eine Gesamtdicke htotal, wobei die Gesamtdicke htotal als Summe von h1 und h2 gebildet werden kann.
  • Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b sind an einer ersten Seite der leitfähigen Basisschicht 22, z. B. einer unteren Seite, angeordnet, wobei die untere Seite eine Seite der leitfähigen Basisschicht 22 sein kann, die dem Substrat zugewandt ist.
  • Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b können jeweils eine Dicke umfassen, die voneinander verschieden ist. In diesem Fall kann die Gesamtdicke htotal eine Summe der Dicke h1 und der maximalen Dicke der Versteifungsstrukturen 24a und 24b sein. Ein Anteil der Dicken h1 und h2 an der Gesamtdicke htotal kann jeweils mehr als 0% und weniger als 100% sein. Normalisiert an die Gesamtdicke htotal können die Dicken h1 und h2 größer als 0 und kleiner als 1 sein.
  • Mit Bezugnahme auf 4b sind die Versteifungsstrukturen 24a und 24b an einer zweiten Seite der leitfähigen Basisschicht 22, z. B. einer oberen Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, angeordnet. Die obere Seite und die untere Seite können sich auf eine Anordnung der leitfähigen Basisschicht in Bezug auf das nicht gezeigte Substrat beziehen. Beispielsweise kann die untere Seite dem Substrat zugewandt angeordnet sein. Alternativ dazu kann die obere Seite dem Substrat zugewandt angeordnet sein. Die Versteifungsstrukturen 24a und 24b sind durch eine Vertiefung 34 getrennt.
  • Mit Bezugnahme auf 4c umfasst das funktionelle Gebiet 16 zwei leitfähige Basisschichten 22a und 22b und die Versteifungsstruktur 24, die sandwichartig zwischen den leitfähigen Basisschichten 22a und 22b angeordnet ist.
  • Die Versteifungsstruktur 24 bedeckt teilweise die leitfähigen Basisschichten 22a und 22b, so dass eine Vertiefung 34 zwischen den leitfähigen Basisschichten 22a und 22b in einem Gebiet gebildet wird, wo die Versteifungsstruktur 24 die leitfähigen Basisschichten 22a und 22b nicht bedeckt. Die leitfähige Basisschicht 22a umfasst die Dicke h1. Die leitfähige Basisschicht 22b umfasst eine Dicke h3, die gleich sein kann wie die Dicke h1 oder davon verschieden. Die Versteifungsstruktur 24 umfasst die Dicke h2. Die Dicken h1, h2 und h3 können zur Gesamtdicke htotal summiert werden. Normalisiert an die Gesamtdicke htotal kann die Dicke h1 größer oder gleich 0 und kleiner als 1 sein. Die Dicke h3 kann größer oder gleich 0 und kleiner als 1 sein. Die Dicke h2 kann größer als 0 und kleiner als 1 sein. Ein Wert einer Summe der Dicke h1 und h3, normalisiert an die Gesamtdicke htotal, kann größer als 0 und kleiner als 1 sein. Das bedeutet, dass wenigstens eine von den leitfähigen Basisschichten 22a und 22b auf der funktionellen Struktur 16 mit einer Dicke von größer als Null angeordnet ist, wobei die andere leitfähige Basisschicht 22b oder 22a optional ist. Falls die Dicke h1 einen Wert umfasst, der gleich 0 ist, d. h. die leitfähige Basisschicht 22a fehlt, kann die Dicke h3 einen Wert umfassen, der größer als 0 ist. Falls die Dicke h3 einen Wert umfasst, der gleich 0 ist, kann die Dicke h1 einen Wert umfassen, der größer als 0 ist. Beide Fälle können eine funktionelle Struktur bilden wie in 4a oder 4b gezeigt. Zusätzlich können weitere Vertiefungen 34 entlang der funktionellen Struktur 24 angeordnet sein, wie es für 4a und 4b dargestellt ist.
  • Mit Bezugnahme auf 4d ist die leitfähige Basisschicht 22, welche die Dicke h1 umfasst, teilweise auf der zweiten Seite von der Versteifungsstruktur 24a bedeckt, welche die Dicke h2 umfasst. Auf der ersten Seite ist die leitfähige Basisschicht 22 teilweise von der Versteifungsstruktur 24b und einer Versteifungsstruktur 24c bedeckt, die beide eine Dicke h4 umfassen. Von den Versteifungsstrukturen 24b und 24c wird beschrieben, dass sie beide die gleiche Dicke haben, wobei alternativ dazu die Versteifungsstruktur 24b eine andere Dicke haben kann als die Versteifungsstruktur 24c und/oder die Versteifungsstruktur 24a. Die Dicken h1, h2 und h4 können zur Gesamtdicke htotal summiert werden. Normalisiert an die Gesamtdicke htotal kann die Dicke h1 einen Wert umfassen, der größer als 0 und kleiner als 1 ist. Die Dicken h2 und h4 können beide einen Wert umfassen, der größer oder gleich 0 und kleiner als 1 ist, wobei wenigstens eine der Dicken h2 oder h4 einen Wert umfasst, der größer als 0 ist. So ist ein Wert einer Summe der Dicken h1 und h4, normalisiert an die Gesamtdicke htotal, größer als 0 und kleiner als 1.
  • Die höhere Härte der Versteifungsstrukturen 24a–c, verglichen mit der Härte der leitfähigen Basisschicht, kann eine reduzierte Gesamtdicke der funktionellen Struktur 16 und/oder eine höhere Haltbarkeit der funktionellen Struktur 16 verglichen mit bekannten Strukturen ermöglichen. Die Gesamtdicke htotal kann reduziert und/oder die Haltbarkeit kann erhöht werden. Zusätzlich können andere vorteilhafte Effekte erzielt werden. Die funktionelle Struktur, die das Silicium-Material und wenigstens das Kohlenstoff-Material umfasst, kann eine reduzierte Affinität für ein Benetzen verglichen mit reinen Silicium aufweisen. Dies kann ein reduziertes Haften einer Vorrichtung ermöglichen, das auftreten kann, wenn die funktionelle Struktur mit dem Substrat in Eingriff gelangt. Es können auch Hafteffekte reduziert werden, die während Ätzprozessen auftreten können. So ist ein Vorteil die deutliche Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit bei reduzierter Membrandicke. Alternativ dazu oder zusätzlich ermöglicht die erhöhte Härte eine erhöhte Abriebfestigkeit, eine erhöhte Bruchfestigkeit und/oder eine erhöhte elektrische Kapazität leitfähiger Strukturen.
  • Die erhöhte Robustheit führt einerseits zu einer Erhöhung der Belastbarkeit – mit einer konstanten Membrandicke – und andererseits zu einer Reduktion der Dicke und so der vibrierenden Masse in der Vorrichtung, was zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens und zusätzlich zu einer Erhöhung des Rauschverhältnisses – SNR – führen kann, wenn die funktionelle Struktur beispielsweise als Membran eines Lautsprechers oder als Mikrofon gebildet ist. Die funktionelle Struktur und die jeweilige mikromechanische Struktur können ein Teil einer Schallwandlerstruktur sein. Die Schallwandlerstruktur kann ausgelegt sein, als Mikrofon und/oder als Lautsprecher zu arbeiten.
  • 5a–i zeigen jeweils eine schematische Drauf- oder Unteransicht einer möglichen Implementierung des funktionellen Gebiets 16. Das funktionelle Gebiet 16 umfasst als Beispiel einen Basisbereich mit einer runden Form. Im funktionellen Gebiet 16 ist wenigstens eine Versteifungsstruktur auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet. Das funktionelle Gebiet 16, die leitfähigen Basisschichten 22, sind jeweils so gezeigt, dass sie eine runde Kreisform aufweisen. Eine runde Form kann vorteilhaft sein, wenn das funktionelle Gebiet 16 wenigstens ein Teil einer auslenkbaren Membran ist. Alternativ dazu kann das funktionelle Gebiet 16 und/oder die leitfähige Basisschicht 22 eine andere Form umfassen, beispielsweise eine Ellipsenform oder eine Polygonform. Alternativ dazu kann das funktionelle Gebiet 16 und/oder die leitfähige Basisschicht 22 als konvex oder konkav gebildete Krümmung gebildet sein.
  • Mit Bezugnahme auf 5a bedeckt die funktionelle Struktur 24 die leitfähige Basisschicht 22 mit Ausnahme eines Randbereichs 36 der leitfähigen Basisschicht 22. Beispielsweise kann eine Fläche der leitfähigen Basisschicht 22, die von der funktionellen Struktur 24 bedeckt ist, zu mehr als 90%, mehr als 95% oder mehr als 99% bedeckt sein.
  • Mit Bezugnahme auf 5b umfasst die funktionelle Struktur 24 eine runde Form und ist an einem Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 so angeordnet, dass die Versteifungsstruktur 24 konzentrisch in Bezug auf die leitfähige Basisschicht angeordnet ist. Ein Durchmesser der Versteifungsstruktur kann beispielsweise wenigstens 1%, wenigstens 20% oder wenigstens 50% des Durchmessers der leitfähigen Basisschicht betragen, wobei sich der Durchmesser auch auf eine längste und/oder kürzeste Ausdehnung des Basisbereichs der leitfähigen Basisschicht 22 beziehen kann, wenn dieselbe eine nicht-kreisförmige Gestalt hat.
  • Mit Bezugnahme auf 5c umfasst die funktionelle Struktur 24 eine Ringform, die konzentrisch in Bezug auf einen Basisbereich der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet ist. Alternativ dazu kann ein Zentrum der funktionellen Struktur 24 an einer anderen Position der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sein, so dass die Versteifungsstruktur 24 nicht konzentrisch in Bezug auf das Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 ist.
  • Mit Bezugnahme auf 5d umfasst die leitfähige Basisschicht 24 eine Honigwabenstruktur, die eine Mehrzahl von Honigwaben umfasst. Die Honigwabenstruktur bedeckt die leitfähige Basisschicht 22 vollständig, wobei sie gemäß alternativen Ausführungsformen die leitfähige Basisschicht 22 nur teilweise bedecken kann. Ein inneres Gebiet einer, mehrerer oder aller der Honigwaben ist als Vertiefung 34 gebildet, so dass die leitfähige Basisschicht 22 vom Versteifungsstrukturmaterial an den Vertiefungen 34 nicht bedeckt wird. Die Vertiefung 34 kann eine Polygonform, wie eine Sechseckform, aufweisen.
  • Eine als Honigwaben gebildete Versteifungsstruktur 24 kann zu einer höheren Steifigkeit der funktionellen Gebiete 16 führen, da Honigwabenstrukturen eine hohe Robustheit gegen ausgeübte Kräfte vorsehen können.
  • Mit Bezugnahme auf 5a umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Sternform, die sich vom Zentrum zu einem Außenumfang der leitfähigen Basisschicht 22 erstreckt. Beispielsweise kann das funktionelle Gebiet 16 am Substrat an Enden (Balken oder Strahlen) der Sternform oder in Gebieten der leitfähigen Basisschicht 22, die zwischen den Enden der Sternform liegen, eingeklemmt oder montiert sein.
  • Mit Bezugnahme auf 5f ist die leitfähige Basisschicht 22 teilweise durch eine Mehrzahl von Versteifungsstrukturen 24a–e bedeckt. Jede der Versteifungsstrukturen 24a–e ist als Ringstruktur mit einem Durchmesser gebildet, wobei eine Breite des jeweiligen Rings und ein Radius voneinander verschieden sind, und konzentrisch in Bezug aufeinander und zum Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet. So bilden die Versteifungsstrukturen 24a–e eine mehrfache Ringstruktur. Alternativ dazu kann ein Ring oder können mehrere Ringe eine gleiche Breite haben.
  • Mit Bezugnahme auf 5g ist die Versteifungsstruktur ähnlich der in 5d gezeigten Versteifungsstruktur gebildet, außer dass die Vertiefungen 34 als Kreise gebildet sind. Dies kann zu einer variierenden Ausdehnung des Materials der Versteifungsstruktur 24 entlang einer ersten und/oder zweiten lateralen Richtung (x1 und/oder x2) führen, die rechtwinklig zur Dickenrichtung 26 angeordnet sind. An Verbindungspunkten 37 zwischen zwei oder mehreren Vertiefungen 34 kann die Ausdehnung entlang der ersten lateralen Richtung x1 und/oder der zweiten lateralen Richtung x2 höher sein, was zu einer höheren Menge an Versteifungsstrukturmaterial an diesen Punkten führt. Dies kann zu einer höheren Stabilität der Versteifungsstruktur 24 führen.
  • Mit Bezugnahme auf 5h umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine umgekehrte Sternform verglichen mit der in 5e gezeigten Sternform. Die Versteifungsstruktur 24 bedeckt teilweise die leitfähige Basisschicht 22, wobei ein innerer sternförmiger Bereich ausgespart wird.
  • Obwohl die in 5e und 5h gezeigten Sternformen so gezeigt sind, dass sie sich vom Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 zum äußeren Gebiet erstrecken, können sich die Sternformen alternativ dazu nur bis zu einem Wert von weniger als 50%, weniger als 75% oder weniger als 95% des Radius erstrecken oder sich entlang der ersten und/oder zweiten lateralen Richtung x1, x2 der leitfähigen Basisschicht 22 erstrecken.
  • Mit Bezugnahme auf 5i sind die Versteifungsstrukturen 24a–e in einer umgekehrten mehrfachen Ringform auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet, verglichen mit den in 5f gezeigten Versteifungsstrukturen 24a–e. Verglichen mit den in 5f gezeigten funktionellen Strukturen 24a–d können die in 5i gezeigten funktionellen Strukturen 24a–e so angeordnet sein, dass das äußere Gebiet 36 und das Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 von den funktionellen Strukturen 24a–e bedeckt sind, während in 5f ein vergleichbares äußeres Gebiet 36 und das Zentrum von den funktionellen Strukturen 24a–e ausgespart sind.
  • 6a–p zeigen schematische Drauf oder Unteransichten funktioneller Strukturen 14, welche eine quadratische leitfähige Basisschicht 22 umfassen, die in Klemmgebieten 42a–d eingeklemmt ist. Die funktionelle Struktur 14 kann beispielsweise eine Membran einer Schallwandlervorrichtung sein, beispielsweise eines Mikrofons oder eines Lautsprechers. Obwohl 6a–p die leitfähige Basisschicht als quadratisch gebildet zeigen, kann die leitfähige Basisschicht 22 andere Formen umfassen, wie eine runde, eine Ellipsen-, eine Polygonform oder eine Kombination davon.
  • Mit Bezugnahme auf 6a umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, welche durch eine Überlagerung von zwei elliptischen Strukturen gebildet werden kann, die diagonal zwischen den Klemmgebieten 42a und 42d bzw. zwischen den Klemmgebieten 42b und 42c angeordnet sind. In zentralen Bereichen, wo die beiden elliptischen Strukturen einander überlappen, kann eine kreisförmige Struktur angeordnet sein. So kann die Form der Versteifungsstruktur 24 erhalten werden, indem zwei oder mehrere geometrische Strukturen oder Formen überlappt werden.
  • Mit Bezugnahme auf 6b kann eine Form der Versteifungsstruktur 24 erhalten werden, indem zwei elliptische Strukturen überlappt werden, die diagonal auf der leitfähigen Basisschicht 22 zwischen zwei diagonal angeordneten Klemmgebieten 42a–d, d. h. zwischen den Klemmgebieten 42a und 42d und zwischen den Klemmgebieten 42b und 42c, angeordnet sind.
  • Mit Bezugnahme auf 6c umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die geometrisch der Form der leitfähigen Basisschicht 22 ähnlich ist, so dass die Versteifungsstruktur 24 quadratisch mit einer Randlänge gebildet ist, die kleiner ist als eine entsprechende Randlänge der leitfähigen Basisschicht 22, wobei die Ränder der leitfähigen Basisschicht und die Ränder der Versteifungsstruktur 24 im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die Versteifungsstruktur 24 ist im Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet.
  • Mit Bezugnahme auf 6d umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine runde Form, wobei ein Zentrum der Versteifungsstruktur 24 ein Zentrum der leitfähigen Basisschicht 22 überlappt. Mit Bezugnahme auf 6e umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die erhalten werden kann, indem Formgebiete der leitfähigen Basisschicht 22 ausgespart werden, die durch Kreise oder eine oder mehrere Ellipsen oder Teile von diesen gebildet werden können, wobei beispielsweise ein Zentrum eines Kreises oder ein spezieller Punkt einer Ellipse außerhalb der Fläche der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet ist.
  • Mit Bezugnahme auf 6f umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die erhalten werden kann, indem zwei diagonal angeordnete Ellipsen überlappt werden, wobei die Ellipsen einen erhöhten konjugierten Durchmesser umfassen, verglichen mit den in 6b gezeigten Ellipsen. Die Ellipsen werden nur teilweise in die Fläche der leitfähigen Basisschicht 22 projiziert, so dass die Versteifungsstruktur 24 nur Teile der Ellipsen umfasst.
  • Mit Bezugnahme auf 6g umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die der Form der leitfähigen Basisschicht 22 geometrisch ähnlich ist, wobei die Form der Versteifungsstruktur 24 verglichen mit 6c gedreht ist, z. B. ist sie um einen Winkel von 45° gedreht. Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 24 um einen anderen Winkel gedreht werden, wie im Bereich zwischen 0° und 360°, 0° und 180° oder zwischen 0° und 90°.
  • Mit Bezugnahme auf 6h umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine sternfömige Fläche. Die sternförmige Fläche kann beispielsweise durch eine Kreisform oder vier Ellipsenformen erhalten werden, die um einen Winkel, wie 45° in Bezug aufeinander, gedreht werden, wobei eine Ellipsenform diagonal auf der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sein kann.
  • Mit Bezugnahme auf 6i zeigt die Versteifungsstruktur 24 eine umgekehrte Form verglichen mit der in 6a gezeigten Versteifungsstruktur. Umgekehrt bedeutet, dass Gebiete der leitfähigen Basisschicht 22, die in einer ersten Form von der Versteifungsstruktur bedeckt werden, durch die umgekehrte Versteifungsstruktur ausgespart werden, und umgekehrt.
  • Mit Bezugnahme auf 6j umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6b gezeigten Versteifungsstruktur umgekehrt ist.
  • Mit Bezugnahme auf 6k umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die verglichen mit der Form der in 6c gezeigten Versteifungsstruktur umgekehrt ist.
  • Mit Bezugnahme auf 6l umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6d gezeigten Versteifungsstruktur umgekehrt ist.
  • Mit Bezugnahme auf 6m umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6e gezeigten Versteifungsstruktur 24 umgekehrt ist
  • Mit Bezugnahme auf 6n umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6f gezeigten Versteifungsstruktur 24 umgekehrt ist.
  • Mit Bezugnahme auf 6o umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6g gezeigten Versteifungsstruktur 24 umgekehrt ist
  • Mit Bezugnahme auf 6p umfasst die Versteifungsstruktur 24 eine Form, die in Bezug auf die Form der in 6h gezeigten Versteifungsstruktur 24 umgekehrt ist
  • Ein Basisbereich der Versteifungsstruktur 24 kann wenigstens einen Teil einer Kreisform, einer Sternform, einer Polygonform, einer Ellipsenform, eine Honigwabenstruktur, einer beliebigen anderen Form und/oder einer Kombination umfassen.
  • 7a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der Versteifungsstruktur 24, die auf der ersten Seite und in einem inneren Gebiet 38 der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet ist. Das äußere Gebiet 36 wird nicht nur teilweise von der Versteifungsstruktur 24 bedeckt. In einem zentralen Abschnitt von 7a ist die Versteifungsstruktur 24 auf der zweiten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet. In einem unteren Abschnitt von 7a ist die Versteifungsstruktur 24a auf der ersten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet, und die Versteifungsstruktur 24b ist auf der zweiten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet.
  • So umfasst das funktionelle Gebiet 16 das innere Gebiet 38 und zwei äußere Gebiete 36a und 36b, wobei die funktionelle Struktur beispielsweise eine Balkenstruktur sein kann, die an beiden Enden am Substrat 12 eingeklemmt (fixiert) ist.
  • 7b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Simulationsergebnisses, das die Biegekurve simuliert, die durch eines der funktionellen Gebiete 16 von 7a erhalten werden kann, wenn das funktionelle Gebiet 16 ausgelenkt wird. Auf der Basis der Versteifungsstruktur 24 ist eine Biegekurve des funktionellen Gebiets 16 entlang des inneren Gebiets 38 abgeflacht. Auf der Basis der abgeflachten Biegekurve kann die Auslenkung des funktionellen Gebiets 16 homogener sein entlang des inneren Gebiets 38, verglichen mit einer Biegekurve eines vergleichbaren Biegebalkens, der die Versteifungsstruktur verfehlt. Wenn das funktionelle Gebiet 16 beispielsweise eine Membran eines Lautsprechers oder eines Mikrofons ist, kann eine homogene Auslenkung des funktionellen Gebiets 16 im inneren Gebiet 38 zu einer effizienteren Schallwandlung, d. h. Schallgenerierung oder Schallaufnahme, führen. Beispielsweise kann ein bewegtes Luftvolumen einer Lautsprechermembran erhöht werden. Da digitale Lautsprecher durch das Auslenken der Membran arbeiten können, bis sie an einem Substrat oder einer Elektrode anliegt, kann die Auslenkung effizienter vorgenommen werden. Zusätzlich kann die Membran am Substrat oder an der Elektrode in Gebieten anliegen, wo die Versteifungsstruktur angeordnet ist, so dass Schäden der Membran, die durch das Anliegen am Substrat oder an der Elektrode verursacht werden, reduziert oder vermieden werden können.
  • 8a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht der leitfähigen Basisschicht 22, die auf der ersten Seite teilweise von den Versteifungsstrukturen 24a und 24b bedeckt ist. Die Versteifungsstruktur 24a ist im äußeren Gebiet 36a und im eingeklemmten Gebiet 42a der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet, wobei das eingeklemmte Gebiet 42a angrenzend an das äußere Gebiet 36a auf einer dem inneren Gebiet 38 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  • So ist die funktionelle Struktur 14 an einem ersten Ende am eingeklemmten Gebiet 42a eingeklemmt. Die Versteifungsstruktur 24b ist im äußeren Gebiet 36b und in einem eingeklemmten Gebiet 42b angeordnet, das angrenzend an das äußere Gebiet 36b auf einer dem inneren Gebiet 38 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  • 8a zeigt in einem zentralen Abschnitt die funktionellen Strukturen 24a und 24b, die auf der ersten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sind. Im unteren Abschnitt von 8a sind funktionelle Strukturen 24a–d auf der ersten Seite und der zweiten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet, wobei die leitfähige Basisschicht in den äußeren Gebieten 36a und 36b und den Klemmgebieten 42a und 42b bedeckt wird.
  • 8b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Simulationsergebnisses, das eine Auslenkung des funktionellen Gebiets 16 von 8a zeigt. Eine Biegekurve des funktionellen Gebiets 16 ist in den äußeren Gebieten 36 auf der Basis der Versteifungsstrukturen 24a bzw. 24b, 24a–d abgeflacht. So können die Versteifungsstrukturen 24a bzw. 24b, 24a–d zu einer reduzierten Auslenkung der funktionellen Gebiete in Gebieten angrenzend an die eingeklemmten Gebiete führen.
  • Dies kann zu reduziertem mechanischen Stress an Grenzpunkten führen, wo das Substrat 12 endet, um das funktionelle Gebiet einzuklemmen. So können Schäden des funktionellen Gebiets 16 bzw. der funktionellen Struktur 14 aufgrund von mechanischem Stress reduziert werden.
  • Eine Länge der funktionellen Struktur 16 kann beispielsweise mehr als 50 μm, mehr als 100 μm oder mehr als 200 μm betragen, wobei die Länge durch das innere Gebiet 38 und die äußeren Gebiete 36a und 36b gebildet wird.
  • Eine Gesamtdicke der funktionellen Struktur kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 100 nm und 2 cm, 1 μm und 1 cm oder zwischen 2 μm und 10 μm oder einem beliebigen anderen Wert liegen. Eine Auslenkamplitude des Auslegerbalkens kann beispielsweise einen Wert von mehr als 10 μm, mehr als 50 μm oder mehr als 100 μm umfassen.
  • 9a zeigt in einem oberen Abschnitt eine schematische Seitenansicht einer leitfähigen Basisschicht 22, die teilweise auf der ersten Seite von einer Mehrzahl von Versteifungsstrukturen 24a– e bedeckt wird.
  • Die Versteifungsstrukturen 24a–g liegen in einer Distanz 44 voneinander vor, wobei die Distanz 44 gleich zwischen jeder der Versteifungsstrukturen 24a–g oder voneinander verschieden sein kann.
  • In einem zentralen Abschnitt zeigt 9a eine schematische Seitenansicht einer leitfähigen Basisschicht, wobei die Versteifungsstrukturen 24a–g auf der zweiten Seite der leitfähigen Basisschicht 22 angeordnet sind.
  • In einem unteren Abschnitt zeigt 9a eine schematische Seitenansicht einer leitfähigen Basisschicht, die teilweise auf der ersten Seite und der zweiten Seite von einer Mehrzahl von Versteifungsstrukturen 24a–n bedeckt wird.
  • Die leitfähige Basisschicht 22 kann eine Biegebalkenstruktur sein. Alternativ dazu kann die leitfähige Basisschicht 22 eine Form umfassen, die rund oder eine Polygonform sein kann. 9a kann so eine Schnittansicht der in 5i dargestellten leitfähigen Basisschicht zeigen.
  • 9b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets 16, das in 9a gezeigt ist, wobei das funktionelle Gebiet 16 ansprechend auf die Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, ausgelenkt wird.
  • Das funktionelle Gebiet 16 wird schrittweise ausgelenkt, d. h. unter Gebieten, in denen die Versteifungsstruktur 24 angeordnet ist, wird eine Biegung des funktionellen Gebiets 16 reduziert. In den Zwischenräumen 44 wird das Biegen erhöht, verglichen mit Gebieten, wo die Versteifungsstruktur 24 angeordnet ist.
  • Eine schrittweise Auslenkung kann vorteilhaft sein, wenn das funktionelle Gebiet als Membran in einem digitalen Lautsprecher mit einer Membran verwendet wird, die mehrfache Auslenkzustände umfasst. Falls der digitale Lautsprecher eine Mehrzahl von Auslenkamplituden der Membranen umfasst, können diese schrittweisen Auslenkzustände mit höherer Präzision eingestellt werden.
  • Durch das Modifizieren der Biegekurve der Membran bzw. des funktionellen Gebiets können Schallwandlungscharakteristiken der mikromechanischen Struktur mit dem funktionellen Gebiet eingestellt werden. Durch das Modifizieren der Biege- und/oder Auslenkkurve, welche ansprechend auf die Kraft erhalten wird, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, z. B. Schall oder ein elektrostatisches oder elektrodynamisches Feld, kann das jeweilige Mikrofonsignal und/oder das jeweilige Schallsignal, das vom Lautsprecher generiert wird, eingestellt und/oder angepasst werden.
  • 10a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets 16, wobei die Vertiefungen 34 als Sechsecke gebildet sind, so dass die Versteifungsstruktur als Honigwabenstruktur gebildet ist, wie sie in 5d dargestellt ist.
  • 10b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des funktionellen Gebiets 16, wobei die Vertiefungen 34 eine runde Form umfassen, wie es in 5g gezeigt ist.
  • Eine lokal angeordnete Versteifungsstruktur kann eine lokales Einbringen oder Induzieren von mechanischem Stress in der funktionellen Struktur ermöglichen, beispielsweise in einer Auswölbungsstruktur, wie einer Auswölbungsplatte eines Lautsprechers. Alternativ dazu oder zusätzlich kann eine lokale Versteifung erhalten werden.
  • 11 zeigt eine schematische Schnittansicht einer mikromechanischen Struktur 110, welche das Substrat 12 und eine funktionelle Struktur 46 umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die funktionelle Struktur 46 umfasst ein funktionelles Gebiet 48, das in Bezug auf das Substrat 12 ansprechend auf die Kraft 18, die auf das funktionelle Gebiet 48 einwirkt, auslenkbar ist. Die funktionelle Struktur 46 umfasst die leitfähige Basisschicht 22 und eine Versteifungsstruktur 52. Die Versteifungsstruktur 52 umfasst ein Versteifungsstrukturmaterial, das die leitfähige Basisschicht 22 teilweise bedeckt. Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 52 auch die leitfähige Basisschicht 22 vollständig bedecken, z. B. um eine robuste funktionelle Struktur zu erhalten, die eine homogene Biegekurve umfasst.
  • Das Versteifungsstrukturmaterial umfasst wenigstens das Kohlenstoff-Material. Ein Konzentration des Kohlenstoff-Materials variiert entlang der Dickenrichtung 26 der Versteifungsstruktur 52. Die variierende Kohlenstoff-Konzentration kann zu einer variierenden Steifigkeit und/oder einer variierenden Härte des Versteifungsstrukturmaterials entlang der Dickenrichtung führen. Beispielsweise kann die Versteifungsstruktur 52 ferner das Silicium-Material und/oder das Stickstoff-Material, das Sauerstoff-Material, das Titan-Material, das Molybdän-Material, das Tantal-Material und/oder eine Kombination davon, wie Tantalnitrid, umfassen, d. h. die Versteifungsstruktur umfasst die Si-C-O-N-Verbindung, wie oben beschrieben wird.
  • Die Kohlenstoff-Konzentration kann schrittweise oder kontinuierlich variieren. Beispielsweise kann ein Material der Versteifungsstruktur 52 zwei oder mehrere verschiedene Materialkonzentrationswerte entlang der Dickenrichtung 26 umfassen. Alternativ dazu kann die Versteifungsstruktur 52 entlang der Dickenrichtung 26 eine Mehrzahl von Materialkonzentrationsschritten umfassen. Beispielsweise kann die Mehrzahl von Materialkonzentrationsschritten mehr als 5, mehr als 10 oder mehr als 20 Schritte umfassen.
  • Alternativ dazu kann die Materialkonzentration entlang der Dickenrichtung 26 kontinuierlich variieren, wobei in beiden Fällen eine schrittweise oder kontinuierliche Variation des Materialkonzentrationswerts monoton zunehmen oder abnehmen kann. Alternativ dazu kann der Materialkonzentrationswert zuerst entlang der Dickenrichtung 26 zunehmen oder abnehmen und danach abnehmen oder zunehmen.
  • Im Fall einer Auslenkung der funktionellen Struktur 46 kann ein erhaltener mechanischer Stress eine minimale Stärke an einer neutralen Faser der funktionellen Struktur 46 umfassen, die eine virtuelle Linie im Zentrum der Dicke der funktionellen Struktur 46 sein kann.
  • Mit einer erhöhten Distanz entlang der Dickenrichtung 26 von der neutralen Faser 54 kann mechanischer Stress aufgrund eines Biegens, Streckens, einer Kompression und/oder Auslenkung der funktionellen Struktur 46 zunehmen. Eine variierende Materialkonzentration der Materialien der Si-C-O-N-Verbindung kann eine Kompensation des zunehmenden mechanischen Stresses ermöglichen.
  • Eine höchste Härte der Versteifungsstruktur 52 kann beispielsweise 3, 10 oder 20 GPa betragen. Zusätzlich kann auch ein Young'scher Modul mit der variierenden Kohlenstoff-Konzentration und/oder der variierenden Materialkonzentration variieren. Der Young'sche Modul kann beispielsweise mit einer zunehmenden Materialkonzentration oder der erhöhten Kohlenstoff-Konzentration zunehmen und einen Wert von mehr als 100 GPa, mehr als 200 GPa oder mehr als 400 GPa umfassen. Ein Young'scher Modul der leitfähigen Basisschicht kann einen Wert von 60 GPa, mehr als 100 GPa oder mehr als 150 GPa umfassen. So kann der Young'sche Modul der Versteifungsstrukturschicht höher sein als der Young'sche Modul beispielsweise um einen Faktor von wenigstens 1,5 (z. B. 90/60 GPa), wenigstens 2 (z. B. 200/100 GPa) oder 2,5 (z. B. 400/100 GPa).
  • Die Versteifungsstruktur 52 kann eine höhere Härte umfassen als eine Härte der leitfähigen Basisschicht 22. Eine Härte der leitfähigen Basisschicht kann beispielsweise etwa 5 GPa, etwa 8 GPa oder etwa 10 GPa betragen. Die Härte der Versteifungsstruktur kann entlang der Dickenrichtung variieren, beispielsweise aufgrund der variierenden Materialkonzentration, und Werte von z. B. 3, 10 oder 20 GPa umfassen. Die variierende Härte kann ein Maximum und ein Minimum haben, wobei eine höchste Härte (Maximum) höher sein kann als die Härte der leitfähigen Basisschicht 22 um einen Faktor von 1,5, einen Faktor von 2 oder einen Faktor von 2,5, und wobei eine erhöhte Kohlenstoff-Konzentration zu einer höheren Härte führen kann.
  • 12a–d zeigen schematische Seitenansichten der funktionellen Struktur 46, die wenigstens eine leitfähige Basisschicht und wenigstens eine Versteifungsstruktur umfasst. 12a–d zeigen ferner mögliche Variationen einer Konzentration des Silicium-Materials der funktionellen Struktur 46. Die leitfähige Basisschicht kann Silicium-Material umfassen, wobei die Versteifungsstruktur beispielsweise das Kohlenstoff Material, das Sauerstoff-Material, das Stickstoff-Material und/oder weitere Materialien (so die Si-C-O-N-Verbindung) umfassen kann, wie in 11 beschrieben wird. Die Silicium-Konzentration wird an einen Anteil des Versteifungsstrukturmaterials normalisiert, das als Beispiel als Kohlenstoff-Material C bezeichnet wird. Ein Anteil des Silicium-Materials, normalisiert an eine Konzentration des Kohlenstoff-Materials, wird als Si/C bezeichnet. Ein Wert von 1 für die Silicium-Konzentration Si/C bezieht sich auf Gebiete, wo Silicium-Material vorhanden ist und kein oder nahezu kein Versteifungsstrukturmaterial vorhanden ist. Eine Silicium-Konzentration Si/C von 0 bezieht sich auf Gebiete, wo nur oder fast ausschließlich Versteifungsstrukturmaterial vorhanden ist.
  • Obwohl die in 12a–d gezeigten Kurven zwischen 0 und 1 variieren, ist es auch möglich, dass die Kurven zwischen anderen Werten variieren, wie 0,05 und 0,95, 0,1 und 0,9 oder beliebigen anderen Werten. Beispielsweise kann das Silicium-Material ein dotiertes Silicium-Material sein, welches ein Dotierungsmaterial, wie Phosphor, Bor oder dgl., umfasst, das den Anteil des Silicium-Materials reduziert, obwohl der Anteil der Si-C-O-N-Verbindung unverändert bleiben kann.
  • 12a zeigt eine schematische Seitenansicht der funktionellen Struktur 46, die eine erste leitfähige Basisschicht 22a und eine zweite leitfähige Basisschicht 22b umfasst, welche die Versteifungsstruktur 52 sandwichartig anordnen. Entlang der Dickenrichtung 26 ist die zweite leitfähige Basisschicht 22b angeordnet und wird von der Versteifungsstruktur 52 bedeckt. Die leitfähige Basisschicht 22a bedeckt die Versteifungsstruktur 52 an einer Fläche, welche einer Fläche gegenüberliegt, die der leitfähigen Basisschicht 22b zugewandt ist. Eine Dicke der leitfähigen Basisschicht kann einen Wert von weniger als 1 mm, weniger als 100 nm oder weniger als 10 nm umfassen und so einen Wert von nahezu 0 umfassen.
  • 12a zeigt ferner eine Kurve, die verschiedene Materialkonzentrationsvariationen entlang der Dickenrichtung 26 darstellt, welche als „1”, „2” und „3” bezeichnet werden. In der zweiten leitfähigen Basisschicht 22b ist eine Silicium-Konzentration, normalisiert an einen Wert der Kohlenstoff-Konzentration, 1, d. h. die leitfähige Basisschicht 22b umfasst das Silicium-Material mit einem Anteil von ungefähr 100%. Entlang der Dickenrichtung 26 wird ein Anteil des Silicium-Materials in Bezug auf das Kohlenstoff-Material, bzw. die Si-Co-O-N-Verbindung, auf einen Minimalwert reduziert. Der Minimalwert kann 0 oder ein Wert nahe bei 0 sein, wie 0,1, 0,15 oder 0,2. So wird die Materialkonzentration, d. h. die Kohlenstoff-Konzentration, entlang der Dickenrichtung erhöht. Ferner wird entlang der Dickenrichtung 26 die Silicium-Konzentration erhöht und die Materialkonzentration wird verringert, so dass die Kurven 1, 2 und 3 in die Richtung einer Silicium-Materialkonzentration (Si/C) mit einem Wert von 1 zeigen.
  • Wie von den Kurven 1, 2 und 3 dargestellt wird, kann die Konzentration linear (Kurve 1) oder nicht-linear (Kurven 2 und 3) variieren. Die Kurven 1, 2 und 3 zeigen eine kontinuierliche Variation der Materialkonzentration entlang der Dickenrichtung 26.
  • 12b zeigt eine schematische Seitenansicht der funktionellen Struktur 46, welche die leitfähige Basisschicht 22 umfasst, die sandwichartig zwischen einer ersten Versteifungsstruktur 52a und einer zweiten Versteifungsstruktur 52b angeordnet ist. Die leitfähige Basisschicht 22 umfasst eine minimale Kohlenstoff-Konzentration, so dass die Materialkonzentration Si/C einen Maximalwert in Gebieten umfasst, wo die leitfähige Basisschicht 22 angeordnet ist, wie durch die Kurven 1 und 2 angezeigt wird, die mögliche Konzentrationsvariationen darstellen. Die Kurve 1 zeigt eine kontinuierliche Variation der Materialkonzentration und kann der Kurve 2 von 12a entsprechen. Die Kurve 2 von 12b zeigt eine schrittweise Variation der Materialkonzentration, wobei die Silicium-Konzentration einen Maximalwert in Gebieten umfasst, wo die leitfähige Basisschicht 22 angeordnet ist.
  • In 12c wird die Versteifungsstruktur 52 auf einer ersten Seite der Versteifungsstruktur 52 von der leitfähigen Basisschicht 22 bedeckt. Auf einer zweiten Seite der Versteifungsstruktur 52, die der ersten Seite gegenüberliegt, welche der leitfähigen Basisschicht 22 zugewandt ist, umfasst die Silicium-Konzentration einen Wert von 0 oder nahe bei 0. Entlang der umgekehrten Dickenrichtung nimmt die Silicium-Konzentration zu, wobei die Zunahme verschiedene Variationsniveaus und lineare und/oder nicht-lineare Konzentrationsvariationen zeigen kann, wie es für die Kurven 1, 2 und 3 dargestellt wird.
  • 12d zeigt eine schematische Seitenansicht, wo die zweite Seite der leitfähigen Basisschicht 22 von der Versteifungsstruktur 52 bedeckt wird. Die Versteifungsstruktur 52 umfasst eine maximale Kohlenstoff-Konzentration an einer Seite, die der Seite gegenüberliegt, welche der leitfähigen Basisschicht 22 zugewandt ist.
  • Obwohl 12a–d zeigen, dass die funktionelle Struktur 46 aus zwei Schichten (12a, 12c und 12d) oder aus drei Schichten (12b) gebildet ist, kann alternativ dazu die Versteifungsstruktur 52 einteilig gebildet sein. Beispielsweise kann auf der leitfähigen Basisschicht 22 das Versteifungsstrukturmaterial mit einer variierenden Konzentration des Versteifungsstrukturmaterials angeordnet sein. Obwohl 12a–d zeigen, dass die Versteifungsstruktur 52 die leitfähige Basisschicht 22 oder die leitfähigen Basisschichten 22a und 22b vollständig bedeckt, kann alternativ dazu die Versteifungsstruktur 52 die leitfähige(n) Basisschicht(en) 22, 22a bzw. 22b nur teilweise bedecken.
  • Mit anderen Worten zeigen 12a–d eine grobe Übersicht über potenzielle Schichtaufbauten und Schichtzusammensetzungen, wobei dieses Konzept mit dem Konzept der funktionellen Struktur kombinierbar ist. In Abhängigkeit vom Typ der Abscheidung und vom Typ des Schichtaufbaus können variierende Einflüsse in Bezug auf die physikalischen Charakteristiken erzielt werden, wie ein Einfluss auf die Biegekurve, den mechanischen Stress aufgrund des Anliegens oder dgl.
  • 13 zeigt eine schematische Schnittansicht einer mikromechanischen Struktur 130, welche die funktionelle Struktur 46 und eine Gegenelektrode 54 umfasst. Mit Bezugnahme auf 11 kann die Gegenelektrode 54 ein Teil des Substrats 12 sein. Das Substrat 12 umfasst eine Basisschicht 56. Die Basisschicht 56 kann beispielsweise durch einen Silicium-Wafer gebildet werden. Auf der Basisschicht 56 ist eine mehrschichtige Struktur 58 angeordnet. Die mehrschichtige Struktur 58 kann beispielsweise eine Tetraethylorthosilicat-(TEOS-)Schicht oder einen Stapel umfassen. Die mikromechanische Struktur 130 umfasst Kontakte 62a–c, die ein Gold-Material, ein Kupfer-Material oder ein beliebiges anderes leitfähiges Material umfassen können.
  • Die Kontakte 62a–e sind als Durchgangslöcher gebildet und ausgelegt, jeweils die Basisschicht 56 (Kontakt 62a), die funktionelle Struktur 46 (Kontakt 62b), die Rückplatte 54 (Kontakt 62c) zu durchdringen. Die Rückplatte 54 kann beispielsweise aus einem Polysilicium-Material gebildet sein. So kann eine elektrische Spannung an die funktionelle Struktur 46, die Rückplatte 54 und/oder die Basisschicht 56 angelegt werden.
  • Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten 62b und 62c kann eine Anziehungskraft 18a zwischen der Rückplatte 54 und der funktionellen Struktur 46 generiert werden, wenn die funktionelle Struktur 46 und die Rückplatte 54 mit einer Ladung mit unterschiedlicher Polarität geladen werden. Wenn die funktionelle Struktur 46 und die Rückplatte 54 mit einer Ladung mit gleicher Polarität geladen werden, kann eine Abstoßungskraft 18b zwischen der Rückplatte 54 und der funktionellen Struktur 46 generiert werden.
  • Die funktionelle Struktur 46 kann ausgelegt sein, an der Rückplatte 54 an einem Anliegegebiet 64 der Rückplatte 54 anzuliegen. Die funktionelle Struktur 46 kann ausgelegt sein, am Substrat 12 an anliegenden Bereichen 66a und 66b des Substrats 12 anzuliegen, wo das Substrat 12 die funktionelle Struktur 46 einzuklemmen beginnt und/oder beendet. Alternativ dazu kann die Rückplatte 54 ein Teil des Substrats 12 sein, so dass die funktionelle Struktur 46 ausgelegt ist, am Substrat 12 im Anliegegebiet anzuliegen.
  • Die mikromechanische Struktur 130 kann ausgelegt sein, als Schallwandler zu arbeiten. Die funktionelle Struktur 46 kann so eine Membranstruktur sein, die ausgelegt ist, Schalldruckpegel und daher Schall zu emittieren, wenn die mikromechanische Struktur Teil eines Lautsprechers ist.
  • Alternativ dazu kann eine externe Kraft, wie ein Schalldruckpegel, die Anziehungskraft 18a und/oder die Abstoßungskraft 18b induzieren, so dass ein elektrisches Signal an den Kontakten 62b und 62c erfasst werden kann. Die mikromechanische Struktur 130 kann beispielsweise Teil einer Mikrofonstruktur sein.
  • Die Versteifungsstruktur, die von der funktionellen Struktur 46 umfasst wird, kann so ausgelegt sein, Schallwandlungscharakteristiken der mikromechanischen Struktur einzustellen, da eine Variation des Young'schen Moduls und/oder der Härte ausgelegt sein kann, eine Biegekurve der funktionellen Struktur 46 anzupassen, und so das elektrische Signal anpassen kann, das an den Kontakten 62b oder 62c erfasst wird, oder den Schall, der von einem Lautsprecher emittiert wird.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann die mikromechanische Struktur 130 eine oder mehrere weitere funktionelle Strukturen 46 (Gradientenmembran) und/oder 14 (mehrschichtige Membran) oder die funktionelle Struktur 14 umfassen. Die funktionelle Struktur 14 kann beispielsweise statt der funktionellen Struktur 46 angeordnet sein. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die funktionelle Struktur 14 auf einer Seite der Rückplatte 54 angeordnet sein, die der funktionellen Struktur 46 zugewandt ist, so dass zwei funktionelle Strukturen angeordnet sind, welche die Rückplatte 54 sandwichartig anordnen, wobei beide funktionellen Strukturen ausgelegt sind, ansprechend auf die Kraft 18a und/oder die Kraft 18b, die auf die jeweilige funktionelle Struktur einwirkt, ausgelenkt zu werden.
  • Ein Vorteil der funktionellen Strukturen 14 und/oder 46 ist, dass im Gegensatz zu bekannten Konzepten eine Spannung, bei der eine Membranstruktur angeregt werden kann zu vibrieren, soweit der Prozess betroffen ist, mittels der Materialkonzentration anstelle nur durch die Implantationsdosis und die Temperatur gesteuert werden kann.
  • Mit anderen Worten kann durch das Einbringen von C/N/O und/oder anderen Materialien ein zusätzlicher Spielraum für die Herstellung erzielt werden. Beispielsweise kann eine Operationsspannung oder eine Spannung des Mikrofonsignals in einem MEMS-Mikrofon z. B. eingestellt werden. Eine Idee der Erfindung ist das Aufbringen einer Schicht und/oder eines Schichtsystems mit Si-C-O-N auf mikrotechnologisch hergestellten Strukturen, um die elektrischen und mechanischen Charakteristiken davon zu verbessern.
  • Grundsätzlich kann es zwei fundamentale Ansätze zur Integration von Si-C und/oder anderen Materialien in den Herstellungsprozess in situ geben, d. h. während der Abscheidung. Innerhalb der Ansätze gibt es wiederum verschiedene Typen von Anordnungen, die oben diskutiert werden.
  • Die Schichten und/oder die Schichtsysteme, die oben beschrieben werden, können beispielsweise mittels herkömmlicher Abscheidungsprozesse, wie reaktiver PVD, CVD oder dgl., hergestellt werden.
  • Mit Bezugnahme auf die funktionelle Struktur 46 kann ein anderer Weg des Aufbringens von Schichten die Verwendung einer Gradientenmembran sein, die Silicium, das Kohlenstoff-Material, das Sauerstoff-Material und/oder das Stickstoff-Material oder verschiedenste Schichten enthält, wie oben beschrieben, was eine Variation des Materialkonzentrationsgehalts über die Schichtdicke schrittweise oder kontinuierlich ermöglicht. Dies kann eine Einstellung der Charakteristik der Schicht sogar noch spezifischer gestatten. Eine grobe Kurve dieses Herstellungsverfahrens ist in 12 gezeigt. Das Prinzip der Abscheidung und erzielbare Vorteile in einer Gradientenmembran, die das Silicium- und das Kohlenstoff-, das Sauerstoff- und/oder das Stickstoff-Material enthält, können ähnlich einer mehrschichtigen Membran sein, wie sie für die funktionelle Struktur 14 beschrieben wird.
  • Eine relative Position der funktionellen Struktur 46 in Bezug auf die Gegenelektrode 54 kann variiert werden. In Abhängigkeit davon, ob die Membran beispielsweise über, im Zentrum oder unter der auf der Rückplatte 54 angeordneten Gegenelektrode betrieben wird, können verschiedene Charakteristiken hinsichtlich der Druckstabilität erzielt werden. Die Beeinflussung der Charakteristiken des Systems der Abscheidung erhält weiteren Spielraum verglichen mit bestehenden Materialschichten, die bisher nur durch Implantation und das Temperaturbudget gesteuert werden konnten. Sowohl die funktionelle Struktur 14 als auch die funktionelle Struktur 46 ermöglichen die Verwendung der Vorteile eines Si-C-Materials und/oder eines potenziellen Schichtaufbaus, der aus einer Kombination dünner Filme besteht, die Si-C-O-N enthalten, in MMS- und/oder MEMS-Elementen und so die Entwicklung eines Vorteils in Bezug auf bekannte Konzepte.
  • Die Verwendung der Schichten und/oder Gradientenmembranen, wie sie beschrieben werden, kann eine Erhöhung des Widerstands und/oder der Stabilität der leitfähigen getrennten Strukturen ermöglichen, wie beispielsweise Membranen oder Biegebalken. Zusätzlich kann eine Verbesserung der Antihaft-Charakteristiken (verursacht durch die niedrigere Benetzbarkeit von Kohlenstoff) erzielt werden, was unter anderem zu verschiedenen, neuen und einfacheren Aufbauten der gesamten Vorrichtung führen kann. Dies kann das Einsparen weiterer Schutzschichten, wie Siliciumnitrid (SNIT) oder Oxid-Zwischenschichten, ermöglichen.
  • In bekannten poly-Si-Membranen, wie sie für MEMS-Elemente verwendet werden, insbesondere in D-Schallvorrichtungen, sind entscheidende Stabilitätsversuche, wie Fall- und Drucktests, üblich. Ein bekanntes Si-Mikrofon kann eine Grenze bei einer Druckdifferenz von ungefähr 2 bar aufweisen. Eine erhöhte Robustheit kann einerseits eine Erhöhung der Belastbarkeit – mit einer konstanten Membrandicke – und andererseits eine Verringerung der Membrandicke und so der vibrierenden Masse in der Vorrichtung ermöglichen, was zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens und zusätzlich zu einer Erhöhung des SNR führen kann. Bekannte Polysilicium-Schichten können beispielsweise eine Dicke zwischen 330 nm bis 2 μm umfassen und können spezielle Ausbildungen umfassen in dem Versuch, die Belastbarkeitseffekte von Membranstrukturen zu verbessern. Durch das Variieren der Steifigkeit und/oder der Härte einer Versteifungsstruktur können auch die Temperaturcharakteristiken der zusätzlich aufgebrachten Schichten, welche die Si-C-O-N-Materialien enthalten, zur Einstellung der Spannung verwendet werden.
  • Ferner kann eine maximale Druckbelastung erhöht werden, die in bekannten Konzepten ungefähr 2 bar beträgt.
  • 14a zeigt ein schematisches Blockbild eines mikromechanischen Schallwandlers 140a, wobei der mikromechanische Schallwandler 140a die mikromechanische Struktur 10 umfasst. Der mikromechanische Schallwandler 140a kann ausgelegt sein, Variationen im Umgebungsdruck, wie einen Schalldruckpegel, abzufühlen. Die Variationen im Schalldruckpegel können ermöglichen, dass das funktionelle Gebiet der mikromechanischen Struktur 10 ausgelenkt wird. So kann das funktionelle Gebiet ansprechend auf den Schalldruckpegel auslenkbar sein. Beispielsweise kann ein elektrostatisches Feld zwischen dem funktionellen Gebiet und dem Substrat oder einer Gegenelektrode angeordnet werden, die in der mikromechanischen Struktur 10 angeordnet ist. Eine Auslenkung des funktionellen Gebiets kann zu einer variierenden Ladung und/oder Spannung führen, die zwischen dem funktionellen Gebiet und dem Substrat bzw. der Gegenelektrode empfindlich ist.
  • Alternativ dazu kann der mikromechanische Schallwandler 140a ausgelegt sein, eine Kraft auf das funktionelle Gebiet auszuüben, beispielsweise durch das Anlegen eines elektrostatischen oder elektrodynamischen Felds, so dass das funktionelle Gebiet auf der Basis des elektrostatischen oder elektrodynamischen Felds ausgelenkt wird, so dass Schall vom mikromechanischen Schallwandler 140a emittiert werden kann. Der mikromechanische Schallwandler 140a kann so ausgelegt sein, als Mikrofon oder als Lautsprecher zu arbeiten.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann der mikromechanische Schallwandler eine mikromechanische Struktur 20, 30 oder 130 umfassen.
  • 14b zeigt ein schematisches Blockbild eines mikromechanischen Schallwandlers 140b, wobei der mikromechanische Schallwandler 140b die mikromechanische Struktur 110 anstatt der mikromechanischen Struktur 10 umfasst. Die mikromechanische Struktur 110 kann ausgelegt sein, wie es für die mikromechanische Struktur 10 in 14a beschrieben wird, so dass der mikromechanische Schallwandler 140b ausgelegt sein kann, als Mikrofon oder als Lautsprecher zu arbeiten.
  • Alternativ dazu kann der mikromechanische Schallwandler 110 die mikromechanische Struktur 10 zusätzlich zur mikromechanischen Struktur 110 umfassen.
  • 15 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1000 zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. Das Verfahren 1000 umfasst einen Schritt 1100, in dem ein Substrat vorgesehen wird. Das Verfahren 1000 umfasst ferner einen Schritt 1200. Der Schritt 1200 umfasst ein Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist. Das Verfahren 1000 umfasst einen Schritt 1300. Im Schritt 1300 wird eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial auf der leitfähigen Basisschicht so abgeschieden, dass die leitfähige Basisschicht das funktionelle Gebiet nur teilweise bedeckt, wobei das Versteifungsstrukturmaterial ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material umfasst.
  • In einem optionalen Schritt 1400 des Verfahrens 1000 wird die Abscheidung wiederholt, so dass die Versteifungsstruktur mit wenigstens zwei Filmstrukturen als Stapel auf der leitfähigen Basisschicht abgeschieden wird. Jede der wenigstens zwei Filmstrukturen umfasst ein Versteifungsstrukturmaterial, das wenigstens eines von dem Kohlenstoff-Material, dem Stickstoff-Material, dem Sauerstoff-Material, dem Titan-Material, dem Molybdän-Material und Tantal-Material mit einer jeweiligen Materialkonzentration umfasst. Wenigstens eine der Filmstrukturen umfasst das Kohlenstoff-Material. Das Verfahren umfasst ferner einen optionalen Schritt 1500. Im optionalen Schritt 1500 wird Material der Versteifungsstruktur außerhalb der vordefinierten Zielgebiete entfernt. Der Schritt 1500 kann beispielsweise ausgeführt werden, falls während der Abscheidung, beispielsweise während des Schritts 1300, Versteifungsstrukturmaterial außerhalb der vordefinierten Zielbereiche abgeschieden wird.
  • Das Verfahren 1000 kann beispielsweise zur Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung 10, 20, 30 oder der mikromechanischen Struktur 130, wenn die funktionelle Struktur 14 angeordnet ist, und/oder der funktionellen Struktur 14 ausgeführt werden.
  • 16 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 2000 zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. Das Verfahren 2000 umfasst einen Schritt 2100. Im Schritt 2100 wird ein Substrat vorgesehen. Das Verfahren 2100 umfasst einen Schritt 2200. Der Schritt 2200 umfasst ein Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist.
  • Das Verfahren 2000 umfasst ferner einen Schritt 2300. Der Schritt 2300 umfasst ein Abscheiden eines Versteifungsstrukturmaterials, das ein Kohlenstoff-Material umfasst, auf der funktionellen Struktur, um eine Versteifungsstruktur auf der funktionellen Struktur zu bilden, so dass das Kohlenstoff-Material eine variierende Kohlenstoff-Konzentration entlang einer Dickenrichtung umfasst. Die Versteifungsstruktur wird so abgeschieden, dass die Versteifungsstruktur die leitfähige Basisschicht wenigstens teilweise bedeckt.
  • Das Verfahren 2000 kann beispielsweise zur Herstellung der mikromechanischen Struktur 110, der mikromechanischen Struktur 130, wenn die funktionelle Struktur 46 angeordnet ist, und/oder der funktionellen Struktur 46 selbst ausgeführt werden.
  • Obwohl einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Darstellung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog repräsentieren Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Details, die hier beschrieben werden, für Fachleute klar sind. Daher soll eine Einschränkung nur durch den Umfang der folgenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details gegeben sein, die zur Beschreibung und Erläuterung der vorliegenden Ausführungsformen ausgeführt werden.

Claims (39)

  1. Mikromechanische Struktur, umfassend: ein Substrat; und eine funktionelle Struktur, die auf dem Substrat angeordnet ist; wobei die funktionelle Struktur ein funktionelles Gebiet umfasst, das ausgelegt ist, in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, ausgelenkt zu werden; wobei die funktionelle Struktur eine leitfähige Basisschicht umfasst; wobei die funktionelle Struktur eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial umfasst, die auf der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist und die leitfähige Basisschicht in dem funktionellen Gebiet nur teilweise bedeckt; und wobei das Versteifungsstrukturmaterial ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material umfasst.
  2. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei das Versteifungsstrukturmaterial das Kohlenstoff-Material mit einer Konzentration umfasst, die wenigstens 1% der Konzentration des Silicium-Materials beträgt.
  3. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Versteifungsstrukturmaterial zusätzlich wenigstens eines eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Materials und eines Tantal-Materials mit einer Materialkonzentration umfasst.
  4. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 3, wobei die Materialkonzentration entlang einer Dickenrichtung der Versteifungsstruktur variiert.
  5. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 4, wobei die Materialkonzentration schrittweise entlang der Dickenrichtung der Versteifungsstruktur variiert.
  6. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Versteifungsstruktur wenigstens zwei Filmstrukturen umfasst, die einen Stapel auf der leitfähigen Basisschicht bilden, wobei jede der wenigstens zwei Filmstrukturen ein Versteifungsstrukturmaterial aufweist, das wenigstens eines des Kohlenstoff-Materials, des Stickstoff-Materials, des Sauerstoff-Materials, des Titan-Materials, des Molybdän-Materials und des Tantal-Materials mit der jeweiligen Materialkonzentration umfasst, und wobei das wenigstens eine Filmstrukturmaterial das Kohlenstoff-Material umfasst.
  7. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Versteifungsstrukturmaterial eine Härte umfasst, die höher ist als eine Härte des leitfähigen Basisschichtmaterials.
  8. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine erste Versteifungsstruktur auf einem ersten Flächenbereich der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist, und wobei eine zweite Versteifungsstruktur auf einem zweiten Flächenbereich der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist, wobei die zweite Versteifungsstruktur die leitfähige Basisschicht auf dem zweiten Flächenbereich nur teilweise bedeckt, wobei der zweite Flächenbereich dem ersten Flächenbereich gegenüberliegt.
  9. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Basisbereich der Versteifungsstruktur wenigstens einen Teil einer Kreisform, einer Ringform, einer Sternform, einer Polygonform, einer Ellipsenform, einer Honigwaben-strukturierten Form oder einer Kombination davon umfasst.
  10. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Mehrzahl von Versteifungsstrukturen, die auf der leitfähigen Basisschicht angeordnet sind.
  11. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die funktionelle Struktur eine Membranstruktur ist, und wobei die mikromechanische Struktur ein Teil einer Schallwandlerstruktur ist.
  12. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Versteifungsstruktur an anliegenden Bereichen der funktionellen Struktur angeordnet und ausgelegt ist, an dem Substrat anzuliegen, wenn das funktionelle Gebiet ausgelenkt wird.
  13. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Versteifungsstruktur ausgelegt ist, Schallwandlungscharakteristiken der mikromechanischen Struktur einzustellen.
  14. Mikromechanischer Schallwandler, umfassend die mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Mikromechanischer Schallwandler nach Anspruch 14, wobei der mikromechanische Schallwandler ein Mikrofon ist.
  16. Mikromechanische Schallwandler nach Anspruch 14 oder 15, wobei der mikromechanische Schallwandler ein Lautsprecher ist.
  17. Mikromechanische Struktur, umfassend: ein Substrat; und eine funktionelle Struktur, die auf dem Substrat angeordnet ist; wobei die funktionelle Struktur ein funktionelles Gebiet umfasst, das in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist; wobei die funktionelle Struktur eine leitfähige Basisschicht umfasst; wobei die funktionelle Struktur eine Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial umfasst, welche die leitfähige Basisschicht wenigstens teilweise bedeckt; und wobei das Versteifungsstrukturmaterial ein Kohlenstoff-Material umfasst, das eine variierende Kohlenstoff-Konzentration entlang einer Dickenrichtung der Versteifungsstruktur umfasst.
  18. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 17, wobei das Versteifungsstrukturmaterial eine Mehrzahl von Konzentrationswerten in Bezug auf die Kohlenstoff-Konzentration entlang der Dickenrichtung umfasst.
  19. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Versteifungsstrukturmaterial zusätzlich eines eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Materials und eines Tantal-Materials mit einer Materialkonzentration umfasst.
  20. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Materialkonzentration entlang der Dickenrichtung variiert.
  21. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Materialkonzentration schrittweise mit einer Mehrzahl von Schritten variiert.
  22. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei eine höchste Härte des Versteifungsstrukturmaterials höher ist als eine Härte eines Materials der leitfähigen Basisschicht.
  23. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei ein Young'scher Modul des Versteifungsstrukturmaterials mit der variierenden Kohlenstoff-Konzentration variiert.
  24. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei eine erste Versteifungsstruktur auf einem ersten Flächenbereich der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist, und wobei eine zweite Versteifungsstruktur auf einem zweiten Flächenbereich der leitfähigen Basisschicht angeordnet ist, wobei die zweite Versteifungsstruktur die leitfähige Basisschicht nur teilweise bedeckt, wobei der erste Flächenbereich dem zweiten Flächenbereich gegenüberliegt.
  25. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die funktionelle Struktur wenigstens ein Teil einer Membranstruktur ist, und wobei die mikromechanische Struktur ein Teil einer Schallwandlerstruktur ist.
  26. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei die Versteifungsstruktur an anliegenden Bereichen der funktionellen Struktur angeordnet und ausgelegt ist, an dem Substrat anzuliegen, wenn das funktionelle Gebiet ausgelenkt wird
  27. Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei die Versteifungsstruktur ausgelegt ist, Schallwandlungscharakteristiken der mikromechanischen Struktur einzustellen.
  28. Mikromechanischer Schallwandler, umfassend die mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 17 bis 27.
  29. Mikromechanischer Schallwandler nach Anspruch 28, wobei der mikromechanische Schallwandler ein Mikrofon ist.
  30. Mikromechanischer Schallwandler nach Anspruch 28 oder 29, wobei der mikromechanische Schallwandler ein Lautsprecher ist.
  31. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Substrats; Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist; und Abscheiden einer Versteifungsstruktur mit einem Versteifungsstrukturmaterial auf der leitfähigen Basisschicht, so dass die leitfähige Basisschicht das funktionelle Gebiet nur teilweise bedeckt, wobei das Versteifungsstrukturmaterial ein Silicium-Material und wenigstens ein Kohlenstoff-Material umfasst.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Abscheiden der Versteifungsstruktur eine Anwendung eines physikalischen Dampfabscheidungs- oder eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses umfasst.
  33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei die Abscheidung eine Abscheidung eines Silicium-Materials und wenigstens eines eines Kohlenstoff-Materials, eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Materials und eines Tantal-Materials mit einer jeweiligen Konzentration auf der leitfähigen Basisschicht umfasst.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei die Abscheidung wiederholt wird, so dass die Versteifungsstruktur mit wenigstens zwei Filmstrukturen als Stapel auf der leitfähigen Basisschicht abgeschieden wird, wobei jede der wenigstens zwei Filmstrukturen ein jeweiliges Versteifungsstrukturmaterial aufweist, das wenigstens eines des Kohlenstoff-Materials, eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Materials und eines Tantal-Materials mit einer jeweiligen Konzentration umfasst, und wobei wenigstens ein Filmstrukturmaterial das Kohlenstoff-Material umfasst.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei das Versteifungsstrukturmaterial in Gebieten außerhalb vordefinierter Zielgebiete der Versteifungsstruktur abgeschieden wird, wobei das Verfahren ferner umfasst: Entfernen des Materials der Versteifungsstruktur außerhalb der vordefinierten Zielgebiete.
  36. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, umfassend: Vorsehen eines Substrats; Anordnen einer funktionellen Struktur, die eine leitfähige Basisschicht umfasst, auf dem Substrat, so dass die funktionelle Struktur in einem funktionellen Gebiet in Bezug auf das Substrat und ansprechend auf eine Kraft, die auf das funktionelle Gebiet einwirkt, auslenkbar ist; und Abscheiden eines Versteifungsstrukturmaterials, das ein Kohlenstoff-Material umfasst, auf der funktionellen Struktur, um eine Versteifungsstruktur auf der funktionellen Struktur zu bilden, so dass das Kohlenstoff-Material eine variierende Kohlenstoff-Konzentration entlang einer Dickenrichtung umfasst, wobei die Versteifungsstruktur die leitfähige Basisschicht wenigstens teilweise bedeckt.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Versteifungsstrukturmaterial durch einen physikalischen Dampfabscheidungsprozess oder einen chemischen Dampfabscheidungsprozess abgeschieden wird.
  38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, wobei während der Abscheidung des Versteifungsstrukturmaterials das Kohlenstoff-Material und wenigstens eines eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Materials und eines Tantal-Materials mit einer jeweiligen Konzentration abgeschieden wird, und wobei die jeweilige Konzentration entlang einer Dickenrichtung variiert, entlang welcher das funktionelle Gebiet auslenkbar ist.
  39. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei die Abscheidung eine Abscheidung von wenigstens zwei Filmstrukturen als Stapel auf der leitfähigen Basisschicht umfasst, wobei jede der wenigstens zwei Filmstrukturen ein jeweiliges Versteifungsstrukturmaterial aufweist, das wenigstens eines des Kohlenstoff-Materials, eines Stickstoff-Materials, eines Sauerstoff-Materials, eines Titan-Materials, eines Molybdän-Malerials und eines Tantal-Materials mit einer jeweiligen Konzentration umfasst, wobei wenigstens ein Filmstrukturmaterial das Kohlenstoff-Material umfasst, und wobei die jeweilige Konzentration zwischen den wenigstens zwei Filmstrukturen variiert.
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