DE102018218056B3

DE102018218056B3 - Stressentkoppeltes MEMS-Bauteil mit ringförmiger Membran

Info

Publication number: DE102018218056B3
Application number: DE102018218056.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2038-10-23

Abstract

Offenbart ist ein Bauteil, aufweisend ein Substrat mit mindestens einer Membran, welche einen sich durch das Substrat vertikal verlaufenden Graben zumindest bereichsweise verdeckt, aufweisend eine auf einer Vorderseite des Substrats angeordnete Funktionsschicht, wobei die Funktionsschicht mindestens eine Wippenstruktur aufweist, welche in vertikaler oberhalb der Membran verläuft und entlang einer Achse schwenkbar ausgebildet ist, und aufweisend ein Kappensubstrat mit einer in Richtung des Substrats geöffneten Ausnehmung, wobei das Kappensubstrat zum Ausbilden einer Druckkammer auf der Funktionsschicht positioniert ist, wobei das Substrat einen Kernabschnitt aufweist, welcher von einem Rahmenabschnitt umschlossen ist, wobei der Kernabschnitt umfangsseitig durch den Graben von dem Rahmenabschnitt beabstandet ist und wobei die Membran entlang des Grabens umlaufend geformt ist und den Rahmenabschnitt mit dem Kernabschnitt verbindet. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einem Bauteil offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einem MEMS-Bauteil.
Stand der Technik
Aus der US 9 290 067 B2 ist ein Bauteil bzw. ein Drucksensor bekannt, bei dem die Durchbiegung einer Membran mechanisch auf eine Wippenstruktur übertragen wird und die Auslenkung der Wippenstruktur über eine Kapazitätsänderung der Wippe über feststehende Elektroden gemessen wird. Nachteilig an einem derartigen Konzept ist die asymmetrische Anordnung der Wippenstruktur und der Elektroden relativ zur beweglichen Membran. Hierdurch weist der Sensor einen relativ hohen Platzbedarf auf und ist somit relativ teuer in der Herstellung. Aufgrund der asymmetrischen Anordnung ist der Sensor empfindlich gegenüber mechanischem Stress, welcher durch das Substrat induziert werden kann. Liegt von außen eine mechanische Verspannung vor, beispielsweise durch Temperaturänderung und durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der im Sensor eingesetzten Materialien verursacht, so führt die Verbiegung des Substrats zu einem Fehlsignal des Sensors.
In der DE 10 2016 210 479 A1 ist ein Drucksensor beschrieben, bei dem die Durchbiegung einer Membran auf eine Hebelstruktur übertragen wird, die wiederum ihre Bewegung auf eine Wippenstruktur überträgt. Die Auslenkung der Wippenstruktur wird über eine Kapazitätsänderung der Wippe zu feststehende Elektroden gemessen. Die Membran kann in dieser Anordnung symmetrisch zur Wippe und damit gleichzeitig auch platzsparender umgesetzt werden. Ein derartiger Drucksensor kann zwar kompakter ausgeführt sein, ist jedoch empfindlich im Hinblick auf asymmetrische Verbiegungen des Substrats.
Aus der Schrift US 2014/0133685 A1 ist ein Mikrofonaufbau in mikromechanischer Bauweise bekannt. Dabei ist ein zentraler Bereich in einem Substrat vorgesehen, der Referenzelektroden in einer von einer Referenzmembran überdeckten Kavität aufweist. Die Referenzmembran ist seitlich mit einer primären Membran verbunden, die beabstandet über zwei in einem Graben des Substrats angeordnete konzentrische Elektroden angeordnet ist.
Aus der Schrift DE 10 2011 006 422 A1 ist ein mikromechanisches Bauteil bekannt, bei dem in einem Substrat derart von der Vorderseite her ein Trenngraben erzeugt wird, dass sich innerhalb des Trenngrabens eine bewegliche Masse herausbildet.
Aus der Schrift DE 10 2007 046 017 A1 ist ein mikromechanischer Sensoraufbau bekannt, bei dem ein kreisringförmiger Graben, der in einem Substrat eine seismische Masse umschließt, von einer funktionellen Schicht überdeckt wird.
Ein weiterer mikromechanischer Aufbau mit einem Graben in einem Substrat ist aus der Schrift JP 2008-005440 A bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein MEMS-Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauteils vorzuschlagen, welcher kompakt und stressunempfindlich ist sowie ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil, insbesondere ein MEMS-Bauteil, bereitgestellt. Das MEMS-Bauteil weist ein Substrat mit mindestens einer Membran auf, welche einen sich durch das Substrat vertikal verlaufenden Graben zumindest bereichsweise verdeckt. Des Weiteren weist das MEMS-Bauteil eine auf einer Vorderseite des Substrats angeordnete Funktionsschicht mit mindestens einer Wippenstruktur und mindestens einer Kavität, die die Wippenstruktur zumindest bereichsweise abschließt, auf. Das Substrat weist einen Kernabschnitt auf, welcher von einem Rahmenabschnitt umschlossen ist. Der Kernabschnitt ist umfangsseitig durch den Graben von dem Rahmenabschnitt beabstandet. Die Membran ist entlang des Grabens umlaufend geformt und verbindet den Rahmenabschnitt mit dem Kernabschnitt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einem MEMS-Bauteil bereitgestellt. In einem Schritt wird eine Membranschicht zumindest im Bereich des Teilgrabens direkt oder indirekt auf die Vorderseite des Substrats abgeschieden. Unter Zuhilfenahme von mindestens einer Opferschicht wird eine Funktionsschicht zum Ausbilden von mindestens einer Wippenstruktur vertikal oberhalb der Membranschicht positioniert. Die mindestens eine Opferschicht wird zum Ausbilden von einer freibeweglichen Wippenstruktur und eines freibeweglichen Kernabschnitts durch Materialabtrag zumindest bereichsweise entfernt. Ein Kappensubstrat wird zum Ausbilden einer Druckkammer auf der Funktionsschicht angeordnet. Eine Materialdicke des Substrats wird rückseitig reduziert und/oder mindestens ein rückseitiger Teilgraben wird derart in das Substrat eingebracht, sodass ein Graben ausgebildet wird, welcher sich vertikal durch das Substrat erstreckt und den Kernabschnitt von dem Rahmenabschnitt des Substrats beabstandet.
Das MEMS-Bauteil kann als ein Sensor und insbesondere als ein Drucksensor ausgestaltet sein.
Grundsätzlich ist bei jeder Art von kapazitiven MEMS-Bauteilen, beispielsweise Membransensoren oder Wippensensoren, wünschenswert einen möglichst geringen Abstand bzw. Gap-Abstand zwischen einem beweglichen Element und feststehender Gegenelektrode zu haben. Damit kann das Verhältnis von Signal zu Grundkapazität erhöht und gleichzeigt auch das Signal pro benötigte Elektrodenfläche gesteigert werden. Hierdurch können sowohl rauscharme als auch kompakte MEMS-Bauteile hergestellt werden. Diesem Vorteil wirken zwei Effekte, die mit abnehmendem Gap-Abstand zu nehmen, entgegen:

- Je kleiner der Gap-Abstand ist, umso größer wird ein Fehlsignal, das durch eine Verbiegung des Substrats verursacht wird. Derartige MEMS-Bauteile werden umso stressempfindlicher, je geringer der Gap-Abstand eingestellt wird.
- Um die Kapazitätsänderung zu messen, muss zwischen den Elektroden des MEMS-Bauteils eine Auswertespannung angelegt werden. Die Spannung erzeugt zwischen den Elektroden eine anziehende Kraft, die sich im Signal mit der Kraft des Drucks auf die Membran überlagert. Je kleiner das Gap-Abstand, umso größer wird die durch die angelegte Spannung verursachte Coulombkraft relativ zur mechanischen Kraft und umso größer wird das Fehlsignal. Es wird entsprechend schwieriger dieses Fehlsignal zu kompensieren. Bei Membransensoren übernimmt die Membran gleichzeigt auch die Rolle der Elektrodenfläche, daher kann man bei derartigen Sensoren, das Verhältnis von elektrischer zur mechanischen Kraft nur durch den Gap-Abstand beeinflussen. Bei Wippensensoren kann über die Auslegung des Sensors die Elektrodenfläche und die Membranflächen zueinander angepasst werden.

Durch das erfindungsgemäße MEMS-Bauteil kann eine neue Anordnung mit einem Membranbereich bereitgestellt werden, welcher um einen Substratbereich verläuft, auf dem die eigentlichen Detektionselektroden angeordnet sind.
Hierdurch kann das MEMS-Bauteil eine volldifferenzielle Auswertung ermöglichen sowie ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleisten.
Hierzu ist die Membran vorzugsweise als ein Membranring ausgeformt. Liegt ein äußerer Druck an, so wird sowohl die Membran als auch der in ihr liegender Substratbereich bzw. Kernabschnitt vertikal ausgelenkt. Eine oder mehrere Wippenstrukturen, welche vertikal über dem Kernabschnitt angeordnet und fixiert sind, können durch den Kernabschnitt ebenfalls ausgelenkt werden.
Die Fläche, auf die der Druck wirkt, umfasst somit die Membranfläche und die Fläche des Kernabschnitts. Hierdurch kann näherungsweise die gesamte Fläche des MEMS-Bauteils, insbesondere eine Sensorfläche, aktiv zu Druckmessung eingesetzt werden. Das Verhältnis von mechanischer Kraft zu elektrischer Kraft wird damit maximal.
Die Wippenstruktur ist im Bereich des Kernabschnitts des Substrats angeordnet, der mechanisch nur über die umlaufende Membran an den Rahmenabschnitt gekoppelt ist. Hierdurch kann eine optimale Stressentkopplung hergestellt werden, sodass eine Verbiegung des Substrats durch die weiche Anbindung über den Membranring nur in sehr geringen Maßen auf den Kernabschnitt des Substrats übertragbar ist.
Es kann somit ein kompaktes und damit kostengünstiges MEMS-Bauteil realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Membran als ein Membranring ausgestaltet, wobei der Membranring eine rechteckige, vieleckige, runde oder ovale Form aufweist. Hierdurch kann abhängig von Anwendungsgebiet ein MEMS-Bauteil mit einem flexibel anpassbar ausgestalteten Membranring aufgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Funktionsschicht einen Abschnitt zum Begrenzen einer vertikalen Auslenkung des Kernabschnitts des Substrats auf, welcher zumindest bereichsweise vertikal oberhalb der Membran angeordnet ist. Der Abschnitt der Funktionsschicht kann vorzugsweise über die Membran hinausragen und somit als Anschlag dienen. Hierdurch kann eine Überlast der Membran verhindert werden. Insbesondere kann durch den Abschnitt eine maximale vertikale Auslenkung des Kernabschnitts definiert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform weisen der Kernabschnitt und der Rahmenabschnitt des Substrats im Bereich des Grabens randseitig angeordnete Kontaktbereiche auf, welche durch die Membran miteinander verbunden werden. Hierdurch kann eine besonders robuste Verbindung zwischen der Membran und den Abschnitten des Substrats hergestellt werden. Durch die Kontaktbereiche kann die Membran vertikal von dem Substrat beanstandet werden. Vorzugsweise sind die Kontaktbereiche zu beiden Seiten des Grabens ununterbrochen positioniert, so dass die Membran den Graben gasdicht abschließen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wippenstruktur einen Hebel auf, welcher die Wippenstruktur mit der Schwenkachse verbindet. Insbesondere kann der Hebel einseitig mit dem Rahmenabschnitt des Substrats verankert sein. Hierdurch kann die Wippenstruktur bei einer Auslenkung des Kernabschnitts relativ zum Rahmenabschnitt gekippt werden. Darüber hinaus kann die Wippenstruktur durch den Hebel verlängert und somit ein größeres Übersetzungsverhältnis zwischen einem vertikalen Hub des Kernabschnitts und der Schwenkbewegung des Hebels umgesetzt werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die mindestens eine Wippenstruktur mindestens einen als eine Torsionsfeder ausgestalteten Abschnitt auf. Die Wippenstruktur ist über den Hebel mit der Torsionsfeder verbunden und ist über die Torsionsfeder schwenkbar mit dem Substrat und/oder mit einem Funktionsschichtrahmen verbunden. Vorzugsweise ist die Wippenstruktur über eine Schwenkachse schwenkbar, welche im Bereich des Rahmenabschnitts des Substrats angeordnet ist. Die Schwenkachse verläuft parallel zu einer horizontalen Ausdehnung einer Vorderseite des Substrats. Durch die Torsionsfeder kann die Wippenstruktur nach einer Ansteuerung bzw. Auslegung erneut in eine initiale Position gebracht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Funktionsschichtrahmen außerhalb des Kernabschnitts angeordnet sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Wippenstruktur mindestens einen als eine Torsionsfeder ausgestalteten Abschnitt auf, wobei die Wippenstruktur über die Torsionsfeder schwenkbar mit dem Kernabschnitt und/oder mit einer Funktionsschichtstruktur verbunden ist. Die Funktionsstruktur ist vorzugsweise mit dem Kernabschnitt verbunden. Hierdurch kann eine unmittelbare Kopplung zwischen dem Substrat und der Wippenstruktur über die zumindest eine Torsionsfeder erfolgen, wodurch der Aufbau der Struktur vereinfacht werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Wippenstruktur derart ausgestaltet, dass die Wippenstruktur eine geringere Auslenkung relativ zu einer vertikalen Auslenkung des Kernabschnitts aufweist.
Hierdurch kann der Hebel derart ausgelegt sein, dass die Auslenkung der Wippenstruktur gegenüber den feststehenden Elektroden geringer ist als die Auslenkung des Kernabschnitts zum Rahmenabschnitt. Das heißt der Membranring und der Substratbereich machen bei einem anliegenden Druck eine große bzw. längere Bewegung, während die Wippenstruktur dabei eine kleine Bewegung vollführt.
Die Untersetzung zwischen der der Bewegung zwischen Rahmenabschnitt und dem Kernabschnitt relativ zur Bewegung der Wippe ermöglichen eine starke Grundauslenkung der Membran und des Kernabschnitts. Dies ist vorteilhaft, weil eine derartige starke Grundauslenkung nur minimal durch Substratverbiegung bzw. thermische Verspannungen beeinflusst wird. Die Wippenstruktur bewegt sich somit bei der Grundauslenkung nur geringfügig, sodass man sie mit geringen Gap-Abständen auslegen und damit höchstmögliches Signal-Rausch-Verhältnis erreichen kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist das MEMS-Bauteil zumindest zwei Wippenstrukturen auf, welche entlang eines Schnittpunkts einer vertikalen Achse mit der Vorderseite des Substrats punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Wippenstrukturen gemeinsam von dem Kernabschnitt und/oder dem mindestens einen Hebel auslenkbar sind. Hierdurch können zwei zueinander symmetrische Wippen punktsymmetrisch zueinander auf dem Substratbereich eingeordnet werden. Insbesondere können die Wippen ihre Schwenkachsen auf entgegengesetzt gerichteten Rahmenabschnitten des Substrats angeordnet sein.
Werden zwei oder mehr symmetrisch angeordnete Wippen auf dem Substratbereich angeordnet und geeignet verschaltet, können auch Stresseffekte, die vom außen noch über die Membran auf den Kernabschnitt übertragen werden, größtenteils kompensiert werden. Die Wippenstruktur können beispielsweise durch eine Brückenschaltung elektrisch miteinander gekoppelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens zwei Wippenstrukturen über eine kapazitative Brückenschaltung miteinander elektrisch verbunden. Insbesondere können die beiden Wippen über eine kapazitive Brückenschaltung ausgewertet werden. Hierdurch können durch mechanischen Stress induzierte Effekte optimal kompensiert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine Schicht zum Ausbilden der Membran dazu ausgestaltet, mindestens eine Elektrode auf dem Kernabschnitt und mindestens eine Leiterbahn auf dem Kernabschnitt und/oder dem Rahmenabschnitt des Substrats auszubilden. Die Schicht, welche die Membran formt, kann gleichzeigt auch für die Herstellung der feststehenden Gegenelektroden auf dem Substartbereich und als Leiterbahnebene auf dem Substrat oder Substratbereich verwendet werden. Hierdurch können verschiedene Komponenten des MEMS-Bauteils gleichzeitig hergestellt und die Kosten des MEMS-Bauteils gesenkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform korrespondiert eine Form einer horizontalen Ausdehnung der mindestens einen Wippenstruktur zumindest bereichsweise mit einer Form einer horizontalen Ausdehnung der Membran. Hierdurch kann die effektive Sensorfläche optimal ausgenutzt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kavität durch ein Kappensubstrat mit einer in Richtung des Substrats geöffneten Ausnehmung auf der Funktionsschicht positioniert. Das Kappensubstrat kann somit eine Druckkammer ausbilden, die die Funktionsschickt hermetisch abdeckt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Wippenstruktur zumindest bereichsweise in vertikaler Richtung oberhalb der Membran angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung kann die Wippenstruktur durch das Betätigen bzw. Bewegen der Membran optimal ausgelenkt werden, wodurch beispielsweise ein Weg oder eine wirkende Kraft detektiert werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein Substrat bereitgestellt und ein Teilgraben in das Substrat zum Ausbilden von einem Kernabschnitt und einem Rahmenabschnitt des Substrats in eine Vorderseite des Substrats eingebracht. Hierdurch kann technisch einfach eine Grundlage für den Aufbau des MEMS-Bauteils bereitgestellt werden.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

1-8 schematische Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform,
9 einen schematischen Schnitt durch ein MEMS-Bauteil in einem durch Umgebungsdruck beanspruchten Zustand gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und
10 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Die 1-8 zeigen schematische Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Durch das Herstellungsverfahren kann beispielsweise ein schmaler und wohldefinierter Membranring mit geeigneter Anbindung an das Substrat bereitgestellt werden.
In einem ersten vorteilhaften Schritt, welcher in der 1 dargestellt ist, wird ein Substrat 1 bereitgestellt. In das Substrat 1 wird ein Teilgraben 2 von einer Vorderseite 4 des Substrats 1 ausgeätzt und verschlossen. Der Teilgraben 2 bildet eine geschlossene Bahn und umschließt einen Kernabschnitt 6 des Substrats 1. Der vorderseitige Teilgraben 2 beabstandet den Kernabschnitt 6 von einem Rahmenabschnitt 8 des Substrats 1.
Es wird bevorzugt eine erste Isolationsschicht 10, beispielsweise eine Oxidschicht, auf die Vorderseite 4 des Substrats 1abgeschieden und strukturiert. Es wird eine Gitterstruktur 12 in einem Bereich des Substrats 1 erstellt, in welchem der vorderseitige Teilgraben 2 entstehen soll. Mit einem Trenchprozess, der eine Unterätzung aufweist, die größer ist als die Gitterstege 12 sind, wird das Gitter 12 vollständig unterätzt und der Teilgraben 2 ausgebildet.
Anschließend wird das verbleibende Gitter 12 mit einer weiteren Schicht 14, bevorzugt mit einer Oxidschicht, verschlossen. Dieser Schritt ist in der 2 gezeigt. Die zweite Isolationsschicht 14 wird auf dem Substrat 1 strukturiert. Es werden Ausnehmungen 16 zum Ausbilden von Kontaktbereichen 17, 18 für eine Verbindung zwischen einer Membran und dem Substrat 1 erstellt. Die Ausnehmungen 16 verlaufen ohne Unterbrechungen jeweils an einem dem Teilgraben 2 zugewandten Rand des Kernabschnitts 6 und des Rahmenabschnitts 8.
In einem weiteren Schritt wird eine Membranschicht 20 auf die zweite Isolationsschicht 14 abgeschieden und strukturiert. Dies ist in der 3 dargestellt. Bevorzugt wird hierfür eine dotierte Polysiliziumschicht verwendet. Die Membranschicht 20 kann gleichzeigt auch für die Herstellung der feststehenden Gegenelektroden 22 auf dem Kernabschnitt 6 und als Leiterbahnebene 24 auf dem Rahmenabschnitt 8 des Substrats 1 oder des Kernabschnitts 6 verwendet werden. Des Weiteren wird durch das Aufbringen der Membranschicht 20 die Ausnehmungen 16 gefüllt und die Kontaktbereiche 17, 18 ausgebildet. In vertikaler Richtung V auf den Kontaktbereichen 17, 18 wird anschließend eine Membran 26 hergestellt, welche den gesamten Teilgraben 2 verdeckt.
In einem weiteren Schritt, welcher in der 4 veranschaulicht ist, wird eine erste Opferschicht 28 oberhalb der Membranschicht 20 abgeschieden und strukturiert. Bevorzugt wird eine Oxidschicht abgeschieden.
Optional kann eine zweite Opferschicht abgeschieden und strukturiert werden. Damit können beispielsweise zwei unterschiedliche Gap-Abstände D eingestellt werden, um beispielsweise eine Vorauslenkung auf einer Seite der Wippe bei einem gegebenen Arbeitsdruck auszugleichen. Der Gap-Abstand D entspricht einem vertikalen Abstand zwischen einer Gegenelektrode 22 und der Wippenstruktur 30.
Die 5 zeigt, wie eine Funktionsschicht 32 in einem weiteren Verfahrensschritt abgeschieden und strukturiert wird. Bevorzugt wird eine Polysiliziumschicht hierfür eingesetzt. Es können Perforationen in der Funktionsschicht 32 eingebracht werden, damit die Opferschicht 28 unter der Funktionsschicht 32 in Bereichen, die später frei beweglich sein sollen, entfernt werden kann.
Anschließend kann eine Opferschichtätzung durchgeführt werden. Bevorzugt wird ein Gas-Phasen-Ätzverfahren, beispielsweisemit HF, verwendet. Die Opferschicht 28 kann unter der Hilfsschicht im beweglichen Membranbereich bevorzugt vollständig entfernt werden. Dieser Schritt ist in der 6 gezeigt.
Die Funktionsschicht 32 wird hier derart strukturiert, dass die Wippenstruktur 30 ausgebildet wird. Die Wippenstruktur 30 erstreckt sich oberhalb des Kernabschnitts 6. Die Wippenstruktur 30 ist über einen Hebel 34 mit dem Rahmenabschnitt 8 des Substrats 1 verbunden. Die Verbindungsstelle 36 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als eine Torsionsfeder 38 ausgeführt, welche die Wippenstruktur 30 nach einer Auslenkung in ihre Ursprungsposition lenkt. Des Weiteren erstreckt sich ein Abschnitt 33 der Funktionsschicht 32 bereichsweise über die Membran 26 hinaus und dient als ein Begrenzungselement 33 gegen eine zu große vertikale Auslenkung der Membran 26 und des Kernabschnitts 6.
In 7 ist ein weiterer Verfahrensschritt dargestellt, in welchem ein Kappensubstrat 40 auf die Funktionsschicht 32 aufgebracht wird. Hierdurch entstehen eine Verkapselung und ein Einschluss eines Referenzdrucks der Sensorvorderseite 4. Das Kappensubstrat 40 ist über ein Klebemittel 42 mit der Funktionsschicht 32 randseitig verbunden. Zum Gewährleisten einer Bewegungsfreiheit der Wippenstruktur 30, weist das Kappensubstrat 40 eine Ausnehmung auf, welche in Richtung der Vorderseite 4 des Substrats 1 geöffnet ist. Durch die Ausnehmung wird eine Kavität 44 zwischen dem Kappensubstrat 40 und dem Substrat 1 ausgebildet.
Die 8 zeigt einen weiteren Schritt, bei dem von einer Rückseite 5 des Substrats 1 ein rückseitiger Teilgraben 3 an der Position des Membranrings 26 geätzt wird. Bevorzugterweise kann ein Trenchverfahren eingesetzt werden. Der rückseitige Teilgraben 3 kann bis zur ersten Isolationsschicht 10 geätzt werden. Optional werden die Isolationsschichten 10, 14 zwischen dem Substrat 1 und der Membranschicht 20 entfernt. Wurde ein vorderseitiger Teilgraben 2 in das Substrat 1 geätzt, so wird der rückseitige Teilgraben 3 von der Rückseite 5 nicht vollständig durch das Substrat 1 geätzt, sondern nur soweit, dass er auf den vorderseitigen Teilgraben 2 trifft. Der vorderseitige Teilgraben 2 kann relativ zur Membran 26 präzise angelegt werden, daher kann in dieser Kombination auch mit einer geringeren Präzision eine Ätzung vor der Rückseite 5 erfolgen. Das vorderseitig und rückseitig geätzte Substrat 1 kann durch die Teilgräben 2, 3 einen Graben 46 ausbilden, welcher sich vollständig in vertikaler Richtung V durch das Substrat 1 hindurch erstreckt. Optional kann das Substrat 1 auf der Rückseite 5 in seiner vertikalen Ausdehnung reduziert werden. Die in 8 verdeutlichten Schritte bilden ein MEMS-Bauteil 48 aus. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das MEMS-Bauteil 48 als ein Drucksensor ausgebildet.
Das Verfahren ist der Einfachheit halber auf einen Drucksensor 48 beschrieben worden, ist jedoch nicht auf einen Drucksensor 48 beschränkt. Insbesondere wurde ein Abschnitt des Substrats 1 dargestellt. Das Substrat 1 kann ein waferförmiges Substrat sein, welches eine Vielzahl an Abschnitten aufweist. In jedem Abschnitt kann ein Drucksensor 48 ausgebildet werden, wobei nach der Fertigstellung die jeweiligen Drucksensoren 48 durch einen Separationsschritt voneinander gelöst werden, hierzu kann beispielsweise Waferdicing eingesetzt werden.
Die 9 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Drucksensor 48, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde in einem durch Umgebungsdruck beanspruchten Zustand. Die Pfeile veranschaulichen die Einwirkung des Umgebungsdrucks auf die Membran 26 und den Kernabschnitt 6 des Substrats 1. Der Umgebungsdruck ist derart hoch, dass er die Membran 26 und den Kernabschnitt 6 bis zum Begrenzungselement 33 durchdrückt. Die Wippenstruktur 30 wird entlang der Schwenkachse S durch die vertikale Bewegung des Kernabschnitts 6 ausgelenkt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Wippenstruktur 30 eine weitere Torsionsfeder 50 auf, welche die Schwenkbewegung zusätzlich zur ersten Torsionsfeder 38 stützt bzw. dämpft. Durch die zweite Torsionsfeder 50 kann die Wippenstruktur 30 schwenkbar mit dem Kernabschnitt 6 gekoppelt werden. Der Aufbau der Torsionsfedern 38, 50 wird in der 10 näher erläutert.
In der 10 ist eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 48 gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Das Bauteil 48 ist als ein Drucksensor ausgestaltet. Insbesondere ist eine Draufsicht auf die Funktionsschicht 32 dargestellt. Im Unterschied zum bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel, weist die Funktionsschicht 32 hier zwei Wippenstrukturen 30 auf, welche um eine Symmetrieachse A punktsymmetrisch angeordnet sind. Des Weiteren sind die Wippenstrukturen 30 gleich geformt.
Hierbei wird der Aufbau der Wippenstrukturen 30 verdeutlicht, welche jeweils aus zwei Wandabschnitten 52, einem Hebel 34 und zwei Wippenabschnitten 54 aufgebaut sind. Die Wippenabschnitte 54 und Wandabschnitte 52 sind rahmenförmig aufgebaut und bilden eine Ausnehmung 56 aus. In der Ausnehmung 56 ist zwischen den zwei Wandabschnitten 52 ist die Torsionsfeder 50 positioniert. Die zweite Torsionsfeder 50 ist zweiteilig aufgebaut und wir durch eine Verankerung 51 gleichmäßig geteilt. Die Verankerung 51 ist mittig in der Ausnehmung 56 angeordnet. Die Torsionsfedern 50 verbinden somit die Wandabschnitte 52 und damit die Wippenabschnitte 54 mit der Verankerung 51. Die Verankerung 51 kann beispielsweise mit dem Kernabschnitt 6 in vertikaler Richtung V verbunden sein.
An einem Wippenabschnitt 52 der Wippenstruktur 30 ist seitlich jeweils ein Hebel 34 angeordnet. Der Hebel 34 geht an der jeweils anderen Wippenstruktur 30 vorbei und mündet endseitig in der ersten Torsionsfeder 38. Die erste Torsionsfeder 38 ist substratseitig angeordnet und ist an einem substratseitigen Verbindungsabschnitt 36 federnd verbunden. Die Der Verbindungsabschnitt 36 ist vorzugsweise an dem Rahmenabschnitt 8 des Substrats 1 angeordnet.
Die beiden Torsionsfedern 38, 50 bilden somit zwei Drehpunkte, die an dem Substrat 1 über den Verbindungsabschnitt 36 und dem Kernabschnitt 6 an der Verankerung 51 drehbar befestigt sind. Die Torsionsfedern 38, 50 sind durch ihre Materialeigenschaften elastisch verformbar.

Claims

Bauteil (48), insbesondere ein MEMS-Bauteil, aufweisend ein Substrat (1) mit mindestens einer Membran (26), welche einen sich durch das Substrat (1) vertikal verlaufenden Graben (46) zumindest bereichsweise verdeckt, aufweisend eine auf einer Vorderseite (4) des Substrats (1) angeordnete Funktionsschicht (32), wobei die Funktionsschicht (32) mindestens eine schwenkbar ausgebildete Wippenstruktur (30) aufweist und aufweisend eine Kavität (44), die die Wippenstruktur (30) zumindest bereichsweise abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) einen Kernabschnitt (6) aufweist, welcher von einem Rahmenabschnitt (8) umschlossen ist, wobei der Kernabschnitt (6) umfangsseitig durch den Graben (46) von dem Rahmenabschnitt (8) beabstandet ist und wobei die Membran (26) entlang des Grabens (46) umlaufend geformt ist und den Rahmenabschnitt (8) mit dem Kernabschnitt (6) verbindet.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Membran (26) als ein Membranring ausgestaltet ist, wobei der Membranring eine rechteckige, vieleckige, runde oder ovale Form aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funktionsschicht (32) einen Abschnitt (33) zum Begrenzen einer vertikalen Auslenkung des Kernabschnitts (6) des Substrats (1) aufweist, welcher zumindest bereichsweise vertikal oberhalb der Membran (26) angeordnet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kernabschnitt (6) und der Rahmenabschnitt (8) des Substrats (1) im Bereich des Grabens (46) randseitig angeordnete Kontaktbereiche (17, 18) aufweisen, welche durch die Membran (26) miteinander verbunden werden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wippenstruktur (30) einen Hebel (34) aufweist, welcher die Wippenstruktur (30) mit der Schwenkachse (S) verbindet.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Wippenstruktur (30) mindestens einen als eine Torsionsfeder (38, 50) ausgestalteten Abschnitt aufweist, wobei die Wippenstruktur (30) über den Hebel (34) mit der Torsionsfeder (38) verbunden ist und über die Torsionsfeder (38, 50) schwenkbar mit dem Substrat (1) und/oder mit einem Funktionsschichtrahmen verbunden ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Wippenstruktur (30) mindestens einen als eine Torsionsfeder (38, 50) ausgestalteten Abschnitt aufweist, wobei die Wippenstruktur (30) über die Torsionsfeder (38, 50) schwenkbar mit dem Kernabschnitt (6) und/oder mit einer Funktionsschichtstruktur verbunden ist, wobei die Funktionsstruktur mit dem Kernabschnitt (6) verbunden ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Wippenstruktur (30) derart ausgestaltet ist, dass die Wippenstruktur (30) eine geringere Auslenkung relativ zu einer vertikalen Auslenkung des Kernabschnitts (6) aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Bauteil (48) zumindest zwei Wippenstrukturen aufweist, welche entlang eines Schnittpunkts (S) einer vertikalen Achse mit der Vorderseite (4) des Substrats (1) punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Wippenstrukturen (30) gemeinsam von dem Kernabschnitt (6) und/oder dem mindestens einen Hebel (34) auslenkbar sind.
Bauteil nach Anspruch 9, wobei die mindestens zwei Wippenstrukturen (30) über eine kapazitative Brückenschaltung miteinander elektrisch verbunden sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Schicht (20) zum Ausbilden der Membran (26) dazu ausgestaltet ist, mindestens eine Elektrode (22) auf dem Kernabschnitt (6) und mindestens eine Leiterbahn (24) auf dem Kernabschnitt (6) und/oder dem Rahmenabschnitt (8) des Substrats (1) auszubilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Form einer horizontalen Ausdehnung der mindestens einen Wippenstruktur (30) zumindest bereichsweise mit einer Form einer horizontalen Ausdehnung der Membran (26) korrespondiert.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kavität (44) durch ein Kappensubstrat (40) mit einer in Richtung (V) des Substrats (1) geöffneten Ausnehmung auf der Funktionsschicht (32) positioniert ist, wobei die Wippenstruktur (30) zumindest bereichsweise in vertikaler Richtung (V) oberhalb der Membran (26) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen von mindestens einem MEMS-Bauteil (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - eine erste Isolationsschicht (10) auf die Vorderseite (4) eines Substrats (1) abgeschieden und derart strukturiert wird, dass im Bereich eines zu erzeugenden Teilgrabens (2) eine Gitterstruktur (12) entsteht, - in dem Substrat (1) durch eine Unterätzung der Gitterstruktur (12) ein Teilgraben (2) ausgeätzt wird, - die Gitterstruktur (12) durch eine weitere Schicht (14) verschlossen wird (Seite 8, Zeile 33 bis Seite 9, Zeile 12), - zumindest im Bereich des Teilgrabens (2) eine Membranschicht (20) direkt oder auf die weitere Schicht (14) auf die Vorderseite (4) des Substrats (1) abgeschieden wird, - unter Zuhilfenahme von mindestens einer Opferschicht (28) eine Funktionsschicht (32) zum Ausbilden von mindestens einer Wippenstruktur (30) vertikal oberhalb der Membranschicht (20) positioniert wird, - die mindestens eine Opferschicht (28) zum Ausbilden von einer freibeweglichen Wippenstruktur (30) und eines freibeweglichen Kernabschnitts (6) durch Materialabtrag zumindest bereichsweise entfernt wird, - ein Kappensubstrat (40) zum Ausbilden einer Druckkammer auf der Funktionsschicht (32) angeordnet wird, und - eine Materialdicke des Substrats (1) rückseitig reduziert und/oder mindestens ein rückseitiger Teilgraben (3) derart in das Substrat (1) eingebracht wird, sodass ein Graben (46) ausgebildet wird, welcher sich vertikal durch das Substrat (1) erstreckt und den Kernabschnitt (6) von dem Rahmenabschnitt (8) des Substrats (1) beabstandet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Substrat (1) bereitgestellt und ein Teilgraben (2) in das Substrat (1) zum Ausbilden von einem Kernabschnitt (6) und einem Rahmenabschnitt (8) des Substrats (1) in eine Vorderseite (4) des Substrats (1) eingebracht wird.