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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf biegbare
Elemente, die zusammen mit entsprechender Elektronik
für die Verwendung als Transducer oder Actuatoren
geeignet sind.
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Bekannterweise werden Transducer aus
Silizium-Substraten hergestellt, indem hängende Balken oder
ähnliche Strukturen geätzt werden, die sich in Reaktion auf
die Anwendung einer zu messenden Kraft biegen. Die
Biegung kann mit konventionellen Mitteln wie
Widerstands-Dehnungsmeßstreifen oder piezoelektrischen
Elementen elektronisch gemessen werden. Zu den typischen
Anwendungen für diese Kraftaufnehmer gehören
Beschleunigungsmesser, Drucksensoren, Schwerkraftsensoren und
Mikrophone.
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Eine bei vielen bekannten Geräten anzutreffende
Schwierigkeit liegt darin, daß die inneren
Biegemomente der hängenden Struktur durch Reaktionen an der
starren Grenze, die eine Krümmung mit gleichzeitiger
Grenzverschiebung nicht zuläßt, aufgehoben werden.
Anders ausgedrückt, diese Geräte boten typischerweise
keine gradlinige Verschiebung der hängenden Struktur.
Entsprechend wurde in die elektrische Darstellung der
angewandten Kraft ein nichtlinearer Aspekt
aufgenommen. Ein weiteres Problem liegt darin, daß das Ausmaß
der Krümmung durch den Grad der Biegung eingeschränkt
ist, dem eine gegebene Dimension einer
Silizium-Struktur standhalten kann, ohne zu brechen.
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Ein früherer Versuch, die gradlinige Verschiebung
eines hängenden Elements zu ermöglichen, ist im
U.S.-Patent 4.071.838 dargestellt. Genauer gesagt wird eine
Struktur gezeigt, die als ein Paar gegenüberliegender
E-förmiger Federn beschrieben werden kann, die an
ihren Arm-Extremitäten verbunden sind und die aus einem
einkristallinen Halbleiterwafer hergestellt sind. Der
sich so ergebende zentrale Arm soll sich in
gradliniger Beziehung zur angewandten Kraft abbiegen. Ein
Nachteil dieser Methode ist die Komplexität der
Struktur und die damit zusammenhängende Komplexität der
Herstellung. Ein weiterer Nachteil ist, daß der
Bereich der gradlinigen Verschiebung durch den Grad der
Biegung eingeschränkt ist, dem die Siliziumsegmente
standhalten können, ohne zu brechen.
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In einer weiteren Methode zeigt U.S.-Patent 4.144.516
eine multiple Halbleiterwafer-Struktur, bei der jedes
Halbleiterwafer ein Paar gegenüberliegende E-förmige
Federn hat. Die zwei Halbleiterwafer sind miteinander
verbunden, um den Bereich der gradlinigen Biegung der
E-förmigen Federn zu vergrößern. Ein Nachteil dieser
Annäherung liegt in der zusätzlichen Komplexität der
Konstruktion mit den zwei Halbleiterwafern.
DE-A-36 20 368 zeigt einen Transducer, bei dem ein
Balken aus einer n+-dotierten Oberflächenschicht eines
Siliziumsubstrats geformt wird, indem lokal unter dem
Balken eine Auskehlung eingeätzt wird, ebenso eine
Auskehlung über dem Balken sowie Schlitze an beiden
Seiten, so daß der Balken nur an den Enden auf dem
verbleibenden Substrat aufliegt.
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US-A-3 505 875 zeigt einen Druck-Transducer, zu dem
ein Biegestrahl gehört, der an seinen beiden Seiten
eine aus einer Metallscheibe geformte Membran hat, auf
deren gegenüberliegenden Seiten versetzte ringförmige
Kerben um die Peripherie herum liegen, so daß der
Mittelbereich der Scheibe sich in Reaktion auf
Flüssigkeitsdruck in eine normal zu ihrer Ebene
gelegene Richtung bewegen kann.
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US-A-4 236 133 zeigt einen Druck-Transducer, der
hergestellt wird, indem eine einzelne Krümmungs-Rille,
die im Schnitt trapezförmig sein kann, um einen
Mittelbereich in der Oberfläche eines
Silizium-Halbleiterwafers herum geformt wird, indem sie von einer
Seite des Halbleiterwafers anisotropisch herausgeätzt
wird. Die Rille soll als spannungskonzentrierender
Bereich fungieren, um die Empfindlichkeit der Sensoren
zu erhöhen, die neben den Innen- und Außenkanten der
Rille angeordnet sind.
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FR-A-2 559 899 zeigt einen ähnlichen Druck-Transducer,
zu dem eine dünne, in einem Silizium-Halbleiterwafer
geformte Membran gehört, die durch Abtragen einer
Auskehlung von der einen Seite und anisotropisches Ätzen
einer Auskehlung aus der anderen Seite gebildet wurde,
wobei die Membran von einer in der bearbeiteten Seite
geformten Rille umgeben ist, so daß die Stärke der
Mittelwand zwischen der Rille und der herausgeätzten
Auskehlung nicht geringer ist als die Stärke der
Membran.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren
zu erstellen, bei dem aus einem einzigen Silizium-
Halbleiterwafer ein hängendes Element mit einem
vergrößerten Biegebereich und insbesondere einem
vergrößerten Bereich der gradlinigen Biegung geformt
wird.
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Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Formung
eines solchen abgehängten Elements folgende Stufen:
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- Herausätzen von zwei Hohlräumen in einem {110}
oder {100} Wafer aus einem Siliziumsubstrat, wodurch
ein Mittelteil zwischen den besagten Mohlräumen
definiert wird, die eine erste ebenflächige Seite und eine
gegenüberliegende zweite ebenflächige Seite hat, wobei
besagte Hohlräume auch einen Stützrahmen definieren,
der mit gegenüberliegenden Enden des besagten
Mittelteils verbunden ist,
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- Formung eines ersten Paars von Passivierungs-
Öffnungen in einer Passivierungs-Schicht auf der
besagten ersten ebenflächigen Seite, wobei die Öffnungen
symmetrisch auf der besagten ersten ebenflächigen
Seite angeordnet sind, sowie Formung eines zweiten
Paars von Passivierungs-Öffnungen in einer
Passivierungs-Schicht auf der besagten zweiten ebenflächigen
Seite, wobei die Öffnungen symmetrisch auf der
besagten zweiten ebenflächigen Seite angeordnet und von dem
besagten ersten Paar Passivierungs-Öffnungen versetzt
sind,
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- Anwendung eines anisotropischen Ätzmittels an
den besagten Passivierungs-Öffnungen zur Formung eines
ersten Paares von Auskehlungen durch die besagte erste
ebenflächige Seite hindurch und eines zweiten Paares
von Auskahlungen durch die besagte zweite ebenflächige
Seite hindurch, in einem einzigen Ätz-Vorgang, wobei
das besagte hängende Element als Abschnitt des
besagten Mittelteils zwischen dem besagten ersten Paar von
Auskehlungen definiert ist; und
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- die zeitliche Abstimmung der besagten Stufe des
anisotropischen Ätzens zur Formung von verengten
Abschnitten des besagten Mittelteils zwischen den
entsprechenden Auskehlungen der besagten ersten und
zweiten Auskehlungs-Paare und zwischen den Unterseiten der
besagten Auskehlungen und der entsprechenden
gegenüberliegenden ebenflächigen Seite, wobei die
besagten verengten Abschnitte ein Paar von
Biege-Vorrichtungen an den gegenüberliegenden Enden des besagten
Mittelteils definieren, um eine gradlinige Biegung des
besagten hängenden Elements zu ermöglichen.
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Da die Konstruktion aus einem Material - nämlich
Silizium - besteht, bei dem Beanspruchung eine lineare
Funktion von angewandter Spannung ist, ist die Biegung
des hängenden Teils auch linear proportional zur
angewandten Kraft.
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Wie im Folgenden noch erklärt wird, werden die Biege-
Vorrichtungen aus biegsamen Teilen gemacht, deren
Stärke durch den Grad der Versetzung zwischen der
ersten Auskehlung und der zweiten Auskehlung sowie die
Tiefe der Aushöhlung definiert wird. Jedes biegsame
Teil definiert eine Feder mit einer Federkonstante,
die mit dem Material des Substrats und der
Querschnittsabmessung des biegsamen Teils zusammenhängt.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine Vorrichtung zu
erzielen, die den Vorteil eines größeren Bereichs
gradliniger Bewegung von einem einzelnen Substrat aus als
bisher möglich aufweist. Desweiteren kann der
Biegebereich vergrößert werden, indem einfach zusätzliche
biegsame Teile herausgeätzt werden. Da die
Auskehlungen in derselben Tiefe herausgeätzt werden können,
kann man sie alle in einem Arbeitsgang herstellen und
erzielt somit einen weiteren Vorteil.
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Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher
beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen
verwiesen wird:
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer
Anwendungsform, in der die Erfindung vorteilhaft anzuwenden
ist;
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Figur 2 ist eine Querschnitts-Ansicht entlang der
Linie 2-2 von Figur 1;
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die Figuren 3A-3C stellen aufeinanderfolgende
Produktionsschritte für die Herstellung der in Figur 1
gezeigten Anwendungsform dar;
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Figur 4 ist eine Querschnitts-Ansicht einer anderen
Anwendungsform, in der die Erfindung vorteilhaft
anzuwenden ist; und
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Figur 5 ist eine Querschnitts-Ansicht einer anderen
Anwendungsform, in der die Erfindung vorteilhaft
anzuwenden ist.
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Allgemein ausgedrückt und unter Verweis auf Figur 1
ist das hängende Element 12 dargestellt, integral
verbunden mit dem Stützrahmen 14 durch die biegsamen
Teile 16, 18, 20, 22, 24 und 26. Das hängende Element
12, der Rahmen 14, sowie jedes der biegsamen Teile
werden aus einem einzigen Malbleiterwafer oder
Substrat 28 (Figur 3A) hergestellt, wie im Folgenden
unter besonderer Berücksichtigung der Figuren 3A bis 3C
genauer beschrieben.
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Wiederum unter Verweis auf Figur 1 und auch auf Figur
2 definieren das biegsame Teil 16 und das fast
identische biegsame Teil 18 ein Paar biegsamer Teile, die
verbunden mit den entsprechenden gegenüberliegenden
außeren Enden 30 und 32 des hängenden Elements 12
dargestellt
sind und die dazwischen die entsprechenden
Winkel A und B formen. Auf ähnliche Weise definieren
das biegsame Teil 20 und das nahezu identische
biegsame Teil 22 ein weiteres Paar biegsame Teile, die
mit den entsprechenden gegenüberliegenden inneren
Enden 34 und 36 des Rahmens 14 verbunden sind und die
dazwischen die entsprechenden Winkel C und D bilden.
Das biegsame Teil 24 ist dargestellt, wie es die
biegsamen Teile 16 und 20 verbindet und dabei die
entsprechenden wechselnden Winkel E und F bildet. Auf
ähnliche Weise ist das biegsame Teil 26 dargestellt,
wie es die biegsamen Teile 18 und 22 verbindet und
dabei die entsprechenden wechselnden Winkel G und H
bildet.
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Die im Hinblick auf das hängende Element 12
symmetrische Anordnung jedes biegsamen Teils eines
entsprechenden biegsamen Teile-Paares sorgt für gradlinige
Bewegung in Reaktion auf eine gegen das hängende
Element 12 angewandte Kraft. Falls zum Beispiel eine
Kraft wie eine Trägheitskraft das hängende Element 12
nach oben biegt, haben die Biegemomente an jeder
Grenze des biegsamen Teils zur Folge, daß: die Winkel
A und B sich um denselben Grad verringern; die Winkel
E und G sich um denselben Grad vergrößern; die Winkel
F und H sich um denselben Grad vergrößern; und daß die
Winkel C und D sich um denselben Grad verringern.
Demgemäß verschiebt sich die Grenze zwischen dem
hängenden Element 12 und dem biegsamen Teil 16 direkt nach
oben; die Grenze zwischen den biegsamen Teilen 16 und
24 verschiebt sich nach oben und auf das hängende
Element 12 zu; und die Grenze zwischen den biegsamen
Teilen 24 und 20 verschiebt sich nach oben und vom
hängenden Element 12 weg. Gleichermaßen verschieben sich
die Grenzen zwischen dem hängenden Element 12, dem
biegsamen Teil 18, dem biegsamen Teil 26, und dem
biegsamen Teil 22 auf dieselbe Weise. Diese
symmetrische Bewegung der biegsamen Teile erlaubt die
gradlinige
Biegung des hängenden Elements 12. Außerdem
erfolgt die Biegung des hängenden Elements 12 in
direkter linearer Proportion zur angewandten Kraft aufgrund
der Verwendung geeigneter Materialien für die
biegsamen Teile, wie zum Beispiel Silizium, bei dem
Beanspruchung der biegsamen Teile infolge von
angewandter Spannung innerhalb ihrer linearen Reichweite
liegt.
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Im Hinblick auf die Figuren 3A bis 3C, bei denen sich
gleiche Ziffern auf gleiche, in den Figuren 1 und 2
dargestellte Teile beziehen, wird nun die Herstellung
des hängenden Elements 12, des Stützrahmens 14 und der
biegsamen Teile 16, 18, 20, 22, 24 und 26 beschrieben.
Die hier beschriebene Herstellungsweise verwendet die
in der mikroelektronischen Industrie bekannten
photolithografischen Techniken und Ätztechniken. Das
Substrat 28 ist in Figur 3A als ein
Silizium-Halbleiterwafer dargestellt, dessen Stärke vorzugsweise bei
ungefähr 200 bis 500 Mikrometer liegt, wobei die
Haupt-Oberflächen hauptsächlich in der {110} Ebene liegen.
Die jeweils oberste und unterste Silizium-Oxidschicht
38 beziehungsweise 40 wachsen auf Substrat 28, unter
Anwendung konventioneller, in der Halbleiterindustrie
wohlbekannter Techniken. Eine Schicht Silizium-Nitrid
42 und eine Schicht Silizium-Nitrid 44 werden über die
jeweiligen Silizium-Oxid-Schichten 38 beziehungsweise
40 gelegt, wobei die konventionellen
Aufdampf-Techniken angewandt werden. Eine Schicht Silizium-Oxid 38
und eine Schicht Silizium-Nitrid 42 bilden eine
konventionelle Passivierungs-Schicht 43. Auf ähnliche
Weise formen eine Schicht Silizium-Oxid 40 und eine
Schicht Silizium-Nitrid 44 die Passivierungs-Schicht
45.
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Im Hinblick auf Figur 3B werden nun das Mittelteil 60
und der Rahmen 14 durch Herausätzen eines Paars von
Öffnungen oder Hohlräumen 62 und 64 (Figur 1) durch
das Substrat 28 hindurch geformt, unter Anwendung der
bekannten Photolithografie-Technik sowie von Naß-Ätzen
mit einer anisotropischen Hydroxid-Lösung oder
Äthylen-Diamin-Pyrokatechol-Lösungen. Es ist darauf
hinzuweisen, daß Trockenätz-Techniken unter Verwendung
eines Gases auch angewandt werden können, aber die an
sich langsameren Ätzraten sind eventuell nur bei
dünneren Materialien nützlich.
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Die Abdeckungsschichten 46 und 48 liegen über den
jeweiligen Passivierungs-Schichten 43 und 45, und die
Passivierungs-Öffnungen 50, 52, 54 und 56 werden unter
Verwendung konventioneller photolithografischer
Techniken skizziert. Die Passivierungs-Öffnungen 50, 52,
54 und 56 erstrecken sich durch die Passivierungs-
Schichten 43 und 45 hindurch, um die jeweiligen
Abschnitte der Oberflächen 70 und 78 des Mittelteils 60
freizulegen, wie in Figur 3 B gezeigt. Somit bilden
die Passivierungs-Öffnungnen 50, 52, 54 und 56
konventionelle Maskenöffnungen für das spätere Herausätzen
des Mittelteils 60.
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Ein nasses anisotropisches Ätzmittel, wie vorstehend
beschrieben, wird angewandt, um die freigelegten Teile
der Oberflächen 70 und 78 des Mittelteils 60
herauszuätzen, damit die entsprechenden Auskehlungen 66 und
68 in der Oberfläche 70 geformt werden, die sich von
den Passivierungs-Öffnungen 50 und 52 aus erstrecken;
und die entsprechenden Auskehlungen 74 und 76 werden
in der Oberfläche 78 geformt, die sich von den
Passivierungs-Öffnungen 54 und 56 aus erstreckt, wie in
Figur 3C gezeigt. Das Atzen der Ebene {110} ist zeitlich
so abgestimmt, daß die biegsamen Teile 16, 18, 20 und
22 eine gewünschte Stärke haben und entsprechend auch
die damit zusammenhängende Flexibilität oder die
gewünschte Federkonstante.
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Da das anisotropische Ätzmittel gegen die Ebenen {110}
mit einer Rate wirkt, die ungefähr 100 mal größer ist
als die, mit der das Ätzmittel gegen die seitlichen
Ebenen {111} einwirkt, wird die endgültige Form der
geätzten Bereiche durch die langsam geätzten {111}-
Flächen und die verbleibenden, nicht geätzten {110}
Flächen bestimmt, die die Begrenzungen des geätzten
Volumens bilden. Für das dargestellte
{110}-Halbleiterwafer definieren daher jede der Auskehlungen 66,
68, 74 und 76 eine im wesentlichen rechteckige
Auskehlung, die sich nach innen von den
Passivierungs-Öffnungen erstreckt.
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Der Abstand zwischen den Auskehlungen 66 und 74,
festgelegt durch die Versetzung zwischen den
Passivierungs-Öffnungen 50 und 54, definiert im wesentlichen
die Stärke des biegsamen Teils 24. Auf ähnliche Weise
definiert der Abstand zwischen den Auskehlungen 68 und
76, im wesentlichen festgelegt durch die Versetzung
zwischen den Passivierungs-Öffnungen 52 und 56, die
Stärke des biegsamen Teils 26.
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Figur 3C zeigt, welch eine Struktur sich nach
Entfernung des Abdeckungsmaterials ergibt. Um die
Eindeutigkeit der Darstellung zu verbessern, sind die
Passivierungs-Schichten 43 und 45 in Figur 3c jetzt
dargestellt.
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Fachleute auf diesem Gebiet werden feststellen, daß
verschiedene kristalline Strukturen Auskehlungen
unterschiedlicher Größe verursachen. In einer anderen
Anwendungsform der Erfindung wird ein Silizium-
Halbleiterwafer mit einer {100} kristallinen Struktur
verwendet, was die Bildung der hier im Folgenden unter
besonderem Hinweis auf die Figuren 4 und 5
beschriebenen Auskehlungen zur Folge hat. Es ist auch
anzumerken, daß die Bildung von vielfachen biegsamen Teilen,
wie hier beschrieben, den Vorteil bietet, daß dazu nur
ein einziger Ätzvorgang von einem einzigen Substrat
erforderlich ist.
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Unter Hinweis auf die Figuren 4 und 5, bei denen
gleiche Ziffern sich auf gleiche, in den Figuren 1 und 2
gezeigte Teile beziehen, ist nun nasses Ätzen bei
{100}-Silizium-Halbleiterwafern dargestellt. Bei einer
{100} kristallinen Struktur durchschneiden die
seitlichen {111}-Ebenen die normale {100}-Ebene in einem
Winkel von 54,7º. Wie vorstehend beschrieben, wirkt
ein anisotropisches Atzmittel gegen die (10) Ebenen
mit einer Rate, die ungefähr 100 mal größer als die an
den {111}-Ebenen. Dementsprechend wirkt das Ätzmittel
gegen die {100}-Ebenen und bewirkt herausgeätzte
Volumen, die von den {111}-Ebenen begrenzt sind.
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Für die in Figur 4 gezeigte Anwendungsform ist der
Ätz-Vorgang zeitlich so abgestimmt, daß die Ätzwirkung
gegen die {100}-Ebenen die Stärke der biegsamen Teile
16', 18', 20' und 22' definiert. Die biegsamen Teile
24' und 26' haben jedoch eine Stärke, die im
wesentlichen von der Anordnung der passivierungs-Öffnungen
gegeneinander (nicht dargestellt) bestimmt wird. Das
heißt, da das Ätzmittel gegen die {111}-Ebenen mit
einer Rate wirkt, die nur ungefähr ein Hundertstel der
{100}-Ebenen beträgt, bestimmt der Abstand dieser
{111}-Ebenen, die sich von den gegenüberliegenden
Passivierungs-Öffnungen erstrecken, im wesentlichen die
Stärke der biegsamen Teile 24' und 26'. Es ist jedoch
darauf hinzuweisen, daß eine gewisse Ätzwirkung gegen
die {111}-Ebenen auftritt, abhängig von der Ätz-Zeit.
Demzufolge wird die Stärke der biegsamen Teile 24' und
26' vom Abstand der Passivierungs-Öffnungen
gegeneinander nicht perfekt definiert.
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Obwohl die Abdeckungs-Öffnungen in Figur 4 nicht
gezeigt werden, ist es für die Fachleute auf diesem
Gebiet offensichtlich, daß diese Öffnungen als
Schnittpunkt
der Auskehlungen 66' und 68' mit der Oberfläche
70' sowie der Auskehlungen 74' und 76' mit der
Oberfläche 78' definiert werden können.
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Unter Hinweis auf die in Figur 5 dargestellte
Anwendungsform, bei der ein weiteres
{100}-Silizium-Substrat dargestellt ist, wird klar, daß die
{111}-Ebenen, die die Außenwände der Auskehlungen 66'', 68'',
74'' und 76'' definieren, sich innerhalb des Silizium-
Substrats überschneiden oder zusammenlaufen. Das
heißt, daß die {111}-Ebenen, die sich von der äußeren
Begrenzung jeder Passivierungs-Öffnung (nicht
dargestellt) erstrecken, sich innerhalb des
Silizium-Substrats überschneiden. Da das anisotropische Ätzmittel
mit einer Rate, die ungefähr 100 mal größer ist als
die {111}-Ebenen, gegen die {100}-Ebene ätzt, bewirkt
das anisotropische Ätzmittel ein Ätzen gegen die
{100}-Ebene bis zum Schnittpunkt der {111}-Ebene, wie
in Figur 5 dargestellt. Am Schnittpunkt sinkt die Ätz-
Rate drastisch ab, was der Bedienungsperson mehr als
genug Zeit läßt, das Halbleiterwafer aus dem Ätzmittel
zu nehmen und die ätzenden Chemikalien von dem Wafer
abzuwaschen.
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Es ist anzumerken, daß eine Ausweitung der äußeren
Begrenzungen der Passivierungs-Öffnungen (nicht
dargestellt) in der Form, daß die sich davon erstreckenden
{111}-Ebenen außerhalb des Substrats zusammenlaufen
würden, eine ähnliche Struktur wie in Figur 4
dargestellt zur Folge hätte; jedoch nur unter der
Voraussetzung, daß die Ätz-Zeit kontrolliert wird, um ein
Ätzen der {100}-Ebene durch das Substrat hindurch zu
verhindern. Demzufolge ist es ein Vorteil der in Figur
5 gezeigten Anwendungsform, daß die Ätz-Zeit nicht
streng kontrolliert werden muß.
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Wie bereits im Hinblick auf die in Figur 1 gezeigte
Anwendungsform beschrieben, liegt ein weiterer Vorteil
der in Figur 4 und 5 gezeigten Anwendungsformen darin,
daß vielfache biegsame Teile auf einem einzelnen
Substrat in einem einzigen Ätz-Vorgang erzeugt werden.
Ein Silizium-Substrat ist günstig für die Verwendung
in Anwendungsformen, bei denen mittels Techniken, die
in der Mikroelektronik-Industrie wohlbekannt sind,
elektronische Schaltungen auf demselben
Silizium-Substrat hergestellt werden. Außerdem kann das Silizium
dotiert werden, um elektrischen Strom zu
transportieren, wodurch der Bedarf an externen elektronischen
Schaltungen minimiert wird.