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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Anordnungen gerichtet, die unter Verwendung
von mikroelektromechanischen Systemen (micro-electromechanical systems:
MEMS) und Mikrosystemtechnologie aufgebaut sind und insbesondere
auf verbesserte Mikroanordnungen, die elektrische Fähigkeiten
aufweisen.
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Die
Verwendung von Mikrogelenken wurde mit der wachsenden Nutzung und
Komplexität
von mikrogefertigten Oberflächenkomponenten
und -systemen bedeutend. Typischerweise verwendet in Implementierungen
von außerhalb
der Ebene befindlichen oder vertikal orientierten Mikrobauelementaufbauten
wird das Mikrogelenk üblicherweise
in einem Polysiliziumprozess mit mindestens zwei Schichten, jedoch
typischerweise mit drei Schichten hergestellt. Ein derartiges Gelenk,
bekannt als Klammergelenk, ist in der 1 veranschaulicht
und ist integral mit einem Mikrospiegel 12 verbunden und
wird verwendet, um eine Bewegung außerhalb der Ebene zu erreichen.
Der Herstellprozess in mehreren Stufen schließt das Abscheiden einer Schicht
ein, die daraufhin gemustert und geätzt wird. Als nächstes wird eine
zweite Schicht abgelagert, gemustert und derart geätzt, dass
nach Entfernen von jeglichem Füllmaterial
die erste Schicht frei ist, um sich auf einen vorbeschriebenen Weg
zu bewegen, während
diese durch die zweite Schicht festgehalten wird. Diese Struktur erzeugt
ein rotierendes Gelenk, das in MEMS oder Mikrosystemen implementiert
wird, um die mechanische Bewegung zu ermöglichen, die für außerhalb der
Ebene befindliche oder vertikal orientierte Einrichtungen erforderlich
ist.
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Wenngleich
das beschriebene Klammergelenk eine nützliche mechanische Funktion
bereitstellt, besteht ein Nachteil in der Schwierigkeit, elektrische
Verbindungen zwischen den Gelenken und dem Mikroelement einzubauen,
an welche dieses angebracht ist. Diese Schwierigkeit ist in der 1 veranschaulicht,
wo gezeigt wird, dass die angehobene Struktur, d.h. der Mikrospiegel 12 über dem
Substrat 14 schwebt. Das Bereitstellen einer elektrischen
Verbindung zwischen diesen körperlich
getrennten Elementen bringt erhebliche Schwierigkeiten mit sich, eine
elektrisch betätigte,
dreidimensionale MEM-Einrichtung,
wie etwa einen elektrostatisch betriebenen Mikrospiegel zu implementieren.
Um das Durchschwingen eines Spiegels zu realisieren, ist es für den Spiegel
notwendig, durch ein Betätigungselement,
das auf dem Substrat 14 angeordnet ist, mechanisch ge stoßen und/oder
gezogen zu werden. Daher wurde es als wünschenswert erachtet, Mikroanordnungen
zu entwickeln, die in der Lage sind, eine elektrische Verbindung
zwischen einem Gelenkelement und einer Mikroeinrichtung unter Verwendung
einer vereinfachten strukturellen Anordnung bereitzustellen.
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US 6,094,289 beschreibt
Verfahren und Vorrichtung zum Lesen von optischem Code unter Verwendung
eines optischen MEM-Resonators, der einen integralen Fotodetektor
aufweist. Der optische Code-Leser umfasst einen optischen Resonator,
einen Hebelarm mit einer reflektierenden Oberfläche, ein bimorphes Betätigungselement,
das Aktuatorelektroden einschließt. Der Hebelarm des optischen Resonators
oszilliert, wenn der bimorphe Aktuator mit einem AC-Stimulus angetrieben
wird.
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US 5,629,790 beschreibt
einen mikrohergestellten Torsionsabtaster. Der Torsionsabtaster
weist einen mikrohergestellten Spiegel auf, der auf einer Oberfläche eines
Abschnitts einer Siliziumscheibe ausgebildet ist, der innerhalb
eines größeren Scheibenabschnitts
durch ein paar von gegenüberliegenden
Torsionsstäben
getragen wird. Der Abtaster stellt eine Hauptvibrationsfrequenz
des Spiegels bereit. Ein Paar der Abtaster mit orthogonalen Torsionsstäben kann
für zweidimensionales
Abtasten bei unterschiedlichen Raten verwendet werden.
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EP 0502222 A1 beschreibt
ein Beschleunigungsgeber und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Ein Festkörper-
Beschleunigungsgeber weist einen Sensor ausschließlich aus
Silizium auf, zur Messung von Beschleunigungskräften und Gravitationskräften und
besteht aus einer ersten Siliziumscheibe, einem Siliziumrahmen,
der eine Vielzahl von Federn aufweist, einem Siliziumpendel, das
an die Federn angebracht ist und einer zweiten Siliziumscheibe,
wobei die Scheiben und der Rahmen zusammen verbunden sind.
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WO
94/03786 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gelenkartigen
Diaphragmas für Halbleitersensoren.
Ein Einkristallsilizium-"Gelenk" mit einer einzigen
Schicht wird aus gleichförmigem, kontinuierlichem
Material bereitgestellt, was die Linearität der Bewegung des Diaphragmas
während
der Verwendung und die Sensorempfindlichkeit und Genauigkeit verbessert.
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MOTAMEDEI
M E ET AL: 'DEVELOPMENT OF
MICRO-ELECTRO-MECHANICAL OPTICAL SCANNER' OPTICAL ENGINEERING, SOC. OF PHOTO-OPTICAL
INSTRUMENTATION ENGINEERS. BELLINGHAM, US, vol. 36, no. 5, 1 May 1997
(1997-05- 01), pages
1346-1352, XP000692364 ISSN: 0091-3286. Ein mikro-elektromechanischer, optischer
Abtaster basierend auf biomorphen Aktuatoren wird beschrieben. Der
optische Abtaster besteht aus zwei Hauptkomponenten, einem Aktuator und
einem Spiegel, die auf einem Siliziumhebelarm hergestellt sind.
Der Spiegel ist am Ende des Hebelarms angeordnet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Mikroanordnung in Bezug
auf deren Vielseitigkeit zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen
einer Mikroanordnung gemäß Anspruch
1 erreicht. Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
auf eine Anordnung mit Mikrospiegel gerichtet, die mehrere Polysiliziumschichten
für die
Implementierung eines Mikrogelenks verwendet;
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2 ist
eine isometrische Ansicht eines bandförmigen Mikrogelenks, das an
einer Mikroanordnung gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
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3 ist
eine Seitenansicht des bandförmigen
Gelenks und Mikroanordnung der 2;
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4 stellt
die Bearbeitungsschritte für
das Ausbilden der Bandstruktur dar, die an eine Mikroeinrichtung
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
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5 stellt
eine Draufsicht der Verarbeitung einer Isolationsvertiefung in einer
Mikroanordnung dar;
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6 veranschaulicht
eine weitere Ausführung
der Ausbildung der Isolationsvertiefung in der Mikroanordnung und
der Bandstruktur;
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7 stellt
ein Leitermaterial dar, das auf der Bandstruktur und den Isolationsvertiefungen
abgeschieden wird; und
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8 stellt
eine fertiggestellte Struktur dar, die die Konzepte der vorliegenden
Erfindung implementiert.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführungen
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Wenngleich 1 eine
Mikroanordnung darstellt, die ein Klammer/Türgelenk aus Polysilizium implementiert,
veranschaulichen die 2 und 3 eine Mikroanordnung 18,
die ein Bandgelenk 20 aufweist, das mit dem Mikroelement 22,
wie etwa einem Mikrospiegel integriert ist. Das Mikrospiegelelement 22 wurde
aus einer Position in der Ebene in einen Winkel von ungefähr 30° bewegt.
Die Bewegung des Spiegels ist durch eine Vielzahl von Mechanismen
erreichbar, einschließlich
der Verwendung eines Mikrofühlers
oder eines Aktuators.
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Das
Bandgelenk 20 ist daher vorgesehen, den vielfach verwendeten
Klammergelenkaufbau aus Polysilizium, der in 1 veranschaulicht
ist, zu ersetzen. Das Bandgelenk 20 ist eine Einkristall-Siliziumkomponente
(single-crystal-silicon: SCS), die mechanische Stabilität aufweist,
und die eingerichtet ist, einen vereinfachten Bearbeitungsablauf
zu verwenden. Daher stellt das Bandgelenk 20 der vorliegenden
Erfindung einen flexiblen Mechanismus bereit, im Gegensatz zu dem
verbundenen Klammergelenk der 1.
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Das
Bandgelenk 20 wird aus der Elementschicht einer Silizium-auf-Isolatorscheibe
ausgebildet, die dünner
gemacht wurde, um eine vergrößerte mechanische
Flexibilität
zu ermöglichen.
Dieser Aufbau erzeugt eine mechanische Struktur von hoher Qualität, die eine
ausreichende Festigkeit für
deren vorgesehenen Zweck aufweist.
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2 und 3 betonen
die Flexibilität
des Bandgelenks 20. In dieser Ausführung ist das Bandgelenk 20 ungefähr 500 nm
dick, ungefähr
50 μm breit
und ungefähr
140 μm lang.
Die Mikroanordnung 18, die das Bandgelenk 20 und
den Spiegel 22 einschließt, wird unter Verwendung einer
Silizium-auf-Isolatorscheibe (SOI) hergestellt mit einer Dicke der
Elementschicht von ungefähr
3 μm und
einer vergrabenen Oxidschicht (buried oxide: BOX), mit einer Dicke
von ungefähr
2 μm.
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In
einem Zweimaskenprozess, der verwendet wird, um die Mikroanordnung 18 herzustellen, wird
der Hauptteil um den Spiegel 22 und andere geschützte Gebiete
in einem Zeitätzprozess
geätzt,
der ungefähr
500 nm des Siliziums der Elementschicht zurücklässt. Das Bandgelenk wird daraufhin
gemustert und das freigelegte, umgebende Elementschichtmaterial
von 500 nm dickem Silizium (Si) wird in einem trockenen Ätzpro zess
entfernt. Dies lässt
die Spiegelstruktur zurück,
die durch eine Oxidschicht geschützt
ist und das dünne
Siliziumbandgelenk 20, das auf der BOX-Opferschicht ruht.
Durch nachfolgende Bearbeitung (z.B. BOX und Fluorwasserstoffsäure (HF)
49 %) und nachfolgende Trockenbearbeitungsschritte, wird der Spiegel 22 freigelegt,
um sich zu bewegen.
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Wie
nachstehend eingehender erörtert,
ist die Ausbildung einer Mikroanordnung, die ein Bandgelenk und
ein integriertes Mikroelement aufweist, ein zweistufiger Prozess
in dem Sinn, dass in der ersten Stufe ein Mikroelement, wie etwa
der Spiegel 22 gemustert und geätzt wird. Daraufhin wird ein
zweiter Arbeitsschritt verwendet zum Dünnermachen und Ausbilden des
Bandgelenks 20. Es ist selbstverständlich möglich diese Arbeitsprozesse
umzukehren, indem als erstes die Bandschicht dünner gemacht wird und daraufhin
das Gebiet des außerhalb der
Ebene befindlichen Elements bearbeitet wird. Ein Problem in dieser
Beziehung besteht darin, dass das Mikroelement und das Bandgelenk
aus derselben Materialschicht ausgebildet werden. Der Unterschied zwischen
dem Bandgelenk und dem Mikroelement besteht in der Geometrie des
Musters und der körperlichen
Dicke der Gebiete. Das Ätzen
das Bandgelenks 20 auf einen viel dünneren Querschnitt als das Mikroelement 22 ermöglicht eine
vergrößerte Flexibilität des Bandgelenks 20.
Die Flexibilität
des Bandgelenks 20 wird durch dessen nahezu S-förmige Form veranschaulicht.
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Das
Verfahren, das die Herstellung der Bandgelenkstruktur in demselben
Material wie das außerhalb
der Ebene befindliche Element wie etwa den Spiegel beinhaltet, weist
viele Vorteile gegenüber
bestehenden Gelenktechnologien auf, einschließlich eines vereinfachten Herstellprozesses. Da
das Gelenk unter Verwendung derselben Materialschicht wie diejenige
des Mikroelements hergestellt wird, ist keine adhäsive Verbindung
oder Halterstruktur zwischen dem Gelenk und dem angebrachten Mikroelement
notwendig. Ein derartiger Aufbau nimmt eine große mechanische Verdrillung
und Kräfte
auf, die durch das angebrachte Mikroelement eingebracht werden,
ohne die Integrität
des Verbindungspunktes 24 zu umfassen.
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Ein
weiterer Vorteil des Bandgelenks, das wie vorstehend erörtert aufgebaut
ist, besteht darin, die Bandgelenke für eine elektrische Verbindung
zwischen dem Bandgelenk und dem Mikroelement zu verwenden. Insbesondere
ermöglicht
die Ausbildung des Bandgelenks und des Mikroelements aus derselben
Elementschicht der Silizium-auf-Isolatorscheibe, ein
dreidimensionales, elektrisch betätigtes MEMs oder Mikroanordnung zu
implementieren. Der Herstellprozess, der die Anordnung eines elektrischen Verbinders
von dem Bandgelenk zu einem Mikroelement erlaubt, wird eingehender
insbesondere in Verbindung mit den 4-8 dargestellt.
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Mit
Bezug auf die 4 wird ein Prozessablauf für die Herstellung
eines Bandgelenks in Einkristallsilizium, das mit einem Mikroelement
integriert ist und einen elektrischen Leiter aufweist, der von dem Bandgelenk
zu dem Mikroelement sich gemäß der vorliegenden
Erfindung erstreckt, veranschaulicht. Im Schritt 28 beginnt
der Prozess mit einer reinen Silizium-auf-Isolatorscheibe (SOI) 30,
die eine Elementschicht 32 in Einkristallsilizium, eine
vergrabene Oxidschicht 34, und eine Substratschicht 36 aufweist.
In einem ersten Schritt des Prozesses, 38, wird eine Fotolackschicht 40 auf
der Elementschicht 32 unter Verwendung von standardmäßigen lithografischen
Prozessen abgeschieden. Die Fotolackschicht 40 wird derart
gemustert, dass das dünner
zu machende Gebiet in dem Bandgelenk 42 freigelegt wird. In
einem nächsten
Schritt 44 wird ein nasser Ätzprozess, wie etwa nasses Ätzen mit
Kaliumhydroxid (KOH) 45 % Lösung
bei 60°C
durchgeführt.
Die nasse Ätzung
verursacht, dass das freigelegte Bandgelenkgebiet 42 der
Elementschicht 32 bis zu einer Dicke von ungefähr 500 nm
entfernt wird.
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Im
Schritt 46 wird die vorher angewandte Fotolackschicht vor
einer Wiedermusterung zum Ätzen des
außerhalb
der Ebene befindlichen Elements, eines Inselgebietes, einer Ankerstruktur
und einer Isolationsvertiefung, entfernt.
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Folgend
auf die Entfernung der ersten Fotolackschicht 40, wird
eine zweite Fotolackschicht 48 auf die Deckfläche des
SOI 30 angewandt. Im Schritt 50 wird ein trockener Ätzprozess
auf das freigelegte Silizium der Elementschicht 32 vorgenommen,
um das außerhalb
der Ebene befindliche Element 52, ebenso wie das Inselgebiet 54,
die Ankerstruktur 56 und das Isolationsgebiet oder Vertiefung 57 auszubilden.
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Mit
nachfolgendem Bezug auf die 5 wird eine
Draufsicht für
den Schritt 58 der 4 dargestellt.
Das Bandgelenk 42 ist als verbunden mit dem Ankerabschnitt 56 an
einem ersten Ende und mit dem Mikroelement 52 an einem
zweiten Ende gezeigt. Innerhalb des Mikroelements 52 ist
ein Isolationsgebiet 57 gemustert. Wie eingehender nachfolgend
erörtert
wird, wird das Isolationsgebiet 57 innerhalb des Mikroelements 52 gemustert,
um einen elektrischen Verbinder, der in demselben abgelagert werden
soll von dem Rest des Mikroelements 52 zu isolieren. Es
ist anzumerken, dass eine Isolationsvertiefung ebenso innerhalb
der Bandstruktur 42 und des Ankers 56 gemustert
werden kann. Die zusätzlichen
Gebiete, in denen Isolationsvertiefungen geätzt werden können, sind
in 6 gezeigt, die als eine weitere Ausführung des
in 4 gezeigten Ätzprozesses
betrachtet werden kann. Darin werden zwei Isolationsgebiete 57A und 57B in
das Mikroelement 52 geätzt.
Die Isolationsgebiete 57C und 57D müssen ebenso
innerhalb der Bandstruktur 52 durch den Anker 56 geätzt werden.
Die 6 betont, dass viele Verbinderleitungen auf einem
einzigen Bandgelenk 42 und/oder Mikroelement 52 bearbeitet
werden können.
Es ist ebenso anzumerken, dass mehrere Bandgelenke mit einem einzigen
Mikroelement verbunden werden können.
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Mit
erneutem Bezug auf die 4 wurde im Schritt 58 die
zweite Schicht des Fotolacks 48 entfernt und es wird ein Ätzprozess
gestartet, um das Ätzen
der freigelegten, vergrabenen Oxidschicht 60 unter Verwendung
von Fluorwasserstoffsäure
(HF) 49 % Lösung
zu beginnen.
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Als
nächstes
wird im Schritt 62 die dritte und endgültige Schicht des Fotolacks 64 abgelagert
und auf der SOI-Scheibe 30 gemustert. Diese endgültige Fotolackschicht 40 muss
während
des Arbeitsschritts der Freigabe des vergrabenen Oxids (BOX) verwendet
werden, wobei das Bandgelenk 42 und das Mikroelement 52 durch Ätzen aller
nicht geschützten vergrabenen
Oxide freigegeben werden. Vor der Freigabe der Mikroanordnung, wie
insbesondere in 7 gezeigt, lagert ein Ablagerungsschritt
ein elektrisch leitendes Material 65 innerhalb des Isolationsgebiets 57 und
auf der Bandstruktur 42 ab. Es ist anzumerken, dass dasselbe
leitende Material in die Isolationsgebiete 57A-57D der 6 abgelagert
werden kann.
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Sobald
das elektrisch leitende Material 65 abgeschieden worden
ist, wird der Arbeitsschritt der Freigabe des vergrabenen Oxids
(BOX) vorgenommen, nachdem, wie in Schritt 66 der 4 gezeigt, das
einzige verbliebene vergrabene Oxidschichtmaterial 68 und 70 sich
unter der Inselstruktur 54 und dem Ankerabschnitt 56 befindet.
Das restliche vergrabene Oxidmaterial wird derart entfernt, dass
eine Trennschicht 72 und ein Trennrand 74 von
derartigem Material entleert sind. Das Entfernen des vergrabenen
Oxids ermöglicht
die Bewegung des Mikroelements 52 und des Bandgelenks 42.
Im Schritt 68 ist es anzumerken, dass aller restlicher
Fotolack beispielsweise durch einen trockenen O2-Plasmaätzprozess
entfernt wird.
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Daher
stellt der Schritt 68 die Original-SOI-Scheibe 30 als
ein Mikroelement und eine Gelenkanordnung mit einem Leiter dar.
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Mit
weiterem Bezug auf die 8 wird eine fertiggestellte
Mikroanordnung 80 gemäß den Lehren der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere ist ein Bandgelenk 42,
wie es vorstehend beschrieben wurde, integral an einem ersten Ende
mit einem Mikroelement 52 und an einem zweiten Ende mit
einem Ankerabschnitt 56 verbunden. Das Mikroelement 52 schließt ein geätztes Isolationsgebiet 57 ein.
Innerhalb des Isolationsgebiets 57 ist ein leitfähiges Material 65 abgelagert,
das ebenso auf dem Bandgelenk 42 und innerhalb einer Isolationsvertiefung
des Ankers 56 abgelagert ist. Eine elektronische Einrichtung 76 steht
in betriebsmäßiger Verbindung
mit dem elektrischen Leitermaterial 65 innerhalb des Isolationsgebiets 57.
Eine Stromquelle 78 steht in Verbindung mit dem elektrischen
Leitermaterial 65 an einem gegenüberliegenden Ende durch den
Ankerabschnitt 56. Die elektronische Einrichtung 76 kann
bei der Anwendung von elektrischer Leistung von der elektrischen
Stromquelle 78 aktiviert werden. Weiterhin kann die elektrische
Einrichtung 76 irgendeine aus einer Anzahl von Einrichtungen
wie etwa ein Aktuator sein, um die Bewegung des Mikroelements 52 zu
unterstützen.