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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Schichtenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtenanordnung.
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Stand der Technik
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In MEMS-Bauelementen (z.B. Inertialsensoren) werden für die Herstellung des Bauelements häufig zwei, manchmal auch drei Wafer verwendet. Für die Herstellung von komplexeren Bauteilen, wie zum Beispiel Mikrospiegeln oder ähnlich komplexen Strukturen, ist ein Schichtaufbau mit relativ wenigen Schichten stark limitierend bzw. erfordert eine größere Chipfläche in horizontaler Ausdehnung. Einige MEMS-Bauteile (engl. micro electro mechanical systems) verzichten auf eine hermetische Verkappung zu Gunsten eines einfacheren Schichtenstapels und nehmen dadurch Nachteile bei der Weiterverarbeitung, wie zum Beispiel Vereinzeln und Verpacken in Kauf oder müssen ein sehr aufwendiges Gehäuse verwenden, um zum Beispiel Anforderungen an den Umgebungsdruck für den Betrieb der MEMS zu erfüllen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schichtenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
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Die Aufgabe die Erfindung die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Schichtenanordnung, aufweisend:
- – wenigstens zwei voneinander unabhängig strukturierte mechanisch aktive Funktionsschichten, die vertikal übereinander angeordnet und funktional miteinander gekoppelt sind.
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Auf diese Weise werden mechanisch gekoppelte Strukturen in zwei unterschiedlichen Wafern bereitgestellt, die unabhängig voneinander strukturierbar sind. Insbesondere können die beiden Wafer unabhängig voneinander bearbeitet werden, bevor sie zusammengefügt werden. Die Strukturen der ersten Funktionsschicht hängen auf diese Weise vorteilhaft nicht von den Strukturen der zweiten Funktionsschicht ab. Dadurch ist eine hohe vertikale Integrationsdichte unterstützt, was im Ergebnis eine kleine Flächenausdehnung eines fertigen mikromechanischen Bauelements unterstützt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der mikromechanischen Schichtenanordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Funktionsschichten ein Federelement aufweist. Auf diese Weise sind eine effektive mechanische Kopplung der beiden Funktionsschichten und eine hohe Beweglichkeit der beiden Funktionsschichten unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Unterseite der zweiten Funktionsschicht eine reflektive Beschichtung aufweist. Auf diese Weise ist die Schichtenanordnung sehr gut geeignet für Mikrospiegel-Applikationen, die eine hochreflexive Schicht erfordern.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Funktionsschicht ein SOI-Wafer oder ein Si-Wafer ist. Auf diese Weise ist ein Gestaltungsfreiraum für die zweite Funktionsschicht vorteilhaft erhöht. Insbesondere kann mittels eines SOI-Wafers eine Tiefe von Löchern in der zweiten Funktionsschicht sehr genau dimensioniert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichtenanordnung oben mittels einer dritten Funktionsschicht und unten mittels einer vierten Funktionsschicht verkappt ist. Dadurch ist vorteilhaft unterstützt, dass sich die mikromechanische Struktur nach oben frei bewegen kann und beispielsweise ein Magnet auf die dritte Funktionsschicht geklebt werden kann. Durch den hermetischen Abschluss der gesamten Schichtenanordnung ist vorteilhaft eine Weiterverarbeitung der Schichtenanordnung z.B. zum Zwecke einer Vereinzelung von Chips erleichtert, indem z.B. kein Sägewasser eindringen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die dritte Funktionsschicht oben Kerben aufweist. Dies ermöglicht eine Ausbildung von Markierungen, die zu einer Identifizierung in Sägestraßen oder für eine exakte Positionierung von Magneten benutzt werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Schichtenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die vierte Funktionsschicht planar oder geknickt ausgebildet ist. Dadurch kann ein Reflexionsverhalten der reflexiven Schicht geeignet ausgestaltet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Schichtenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Gasatmosphäre in einer Kavität zwischen den Funktionsschichten eingeschlossen ist. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass während des letzten Bondschritts eine definierte Gasatmosphäre in die Schichtenanordnung eingeschlossen wird. Dabei kann ein Schutzgas in Form von Stickstoff, Neon, usw. oder ein Vakuum für ein möglichst gutes Dämpfungsverhalten der mikromechanisch beweglichen Strukturen eingeschlossen werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und dienen insbesondere der Verdeutlichung der erfindungswesentlichen Prinzipien. In den Figuren zeigt:
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1 einen Querschnitt durch eine erste Funktionsschicht der mikromechanischen Schichtenanordnung;
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2 einen Querschnitt durch die erste Funktionsschicht nach einem Rückdünnungsprozess;
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3 einen Querschnitt durch eine zweite Funktionsschicht der mikromechanischen Schichtenanordnung;
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4 einen Querschnitt auf eine Schichtenanordnung aus erster und zweiter Funktionsschicht;
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5 einen Querschnitt auf eine verkappte mikromechanische Schichtenanordnung;
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6 einen Querschnitt auf eine bearbeitete verkappte mikromechanische Schichtenanordnung;
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7 und 8 zwei Varianten von transparenten Funktionsschichten zur Abdeckung der Schichtenanordnung von unten;
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9 einen Querschnitt einer kompletten Schichtenanordnung mit allen vier Funktionsschichten;
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10 einen Querschnitt einer alternativen Schichtenanordnung mit allen vier Funktionsschichten; und
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11 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine erste Funktionsschicht 10 bzw. ein erstes Substrat bzw. ein erster Wafer in einer Querschnittansicht dargestellt. Auf der Vorderseite der ersten Funktionsschicht 10 können beliebige elektrisch aktive Strukturen hergestellt werden, wie z.B. Piezowiderstände (nicht dargestellt) oder Kupferspulen 14 oder eine elektrische Kontaktierungsschicht 15 (z.B. Metallisierung) für die Leitung von geeigneten elektrischen Strömen. Als oberste Schicht wird eine Passivierungsschicht 13 aufgebracht, die die genannten Strukturen bei der Weiterverarbeitung der ersten Funktionsschicht 10 schützen. Aus dieser Funktionsschicht 10 können später MEMS-Strukturen, wie beispielsweise Federelemente 16 geätzt werden.
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Aus 2 ist erkennbar, dass die erste Funktionsschicht 10 auf die später gewünschte Zieldicke zurückgeschliffen und auf der Rückseite beispielsweise mit Ätzstoppschichten 11 und Bondmaterialien 12 zum Waferbonden mit der nächsten Funktionsschicht versehen ist.
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Im nächsten Schritt wird, wie in 3 angedeutet, eine zweite Funktionsschicht 20 bzw. ein zweiter Wafer auf der Vorderseite strukturiert und eventuell (abhängig vom verwendeten Bondverfahren) mit einem Bondmaterial 22 für das Waferbonden mit der ersten Funktionsschicht 10 versehen. Lateral zum Bondmaterial 22 ist Oxid 21 erkennbar. Die zweite Funktionsschicht 20 kann als ein SOI-Wafer (engl. Silicon-on-Insulator, nicht dargestellt) ausgebildet sein, bei dem eine Vorstrukturierung auf der vergrabenen Oxidschicht stoppt. Auf diese Weise kann eine Tiefe von Ätzungen sehr genau eingestellt werden, weil der Ätzprozess von der Oberseite her gestoppt werden kann. Auch eine Verwendung eines Doppel-SOI-Wafers (nicht dargestellt) mit zwei vergrabenen Oxidschichten ist möglich. In diesem Fall kann eine Spiegelmembran nicht nur (wie weiter unten beschrieben) durch Rückdünnen, sondern auch durch Ätzen mit Stopp auf der zweiten vergrabenen Oxidschicht hergestellt werden. Dies kann insbesondere bei der Herstellung von sehr dünnen Membranen mit engen Dickentoleranzen von Vorteil sein.
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Die Strukturierung der zweiten Funktionsschicht 20 kann mit bekannten Silizium-Ätzverfahren, wie beispielsweise Trenchätzen oder Ätzen in Kaliumhydroxid (KOH) durchgeführt werden. Die Strukturierung kann im fertigen MEMS-Bauelement beliebige Funktionen erfüllen, wie beispielsweise eine Versteifung der optisch genutzten Membranfläche beim Mikrospiegel mittels Versteifungselementen 23. Die Versteifungselemente 23 dienen insbesondere zu einer mechanischen Verstärkung bzw. Versteifung der optisch aktiven Fläche. In 4 ist in einem Querschnitt dargestellt, dass die erste und die zweite Funktionsschicht 10, 20 über ein geeignetes Bondverfahren zusammengefügt werden. Dies kann eines der bekannten Verfahren, wie beispielsweise Silizium-Silizium-Direktbonden oder eutektisches Bonden mit beispielsweise Aluminium und Germanium oder Gold oder Thermokompressionsbonden mit Gold, anodisches Bonden oder ein vergleichbares Verfahren sein.
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Die Bondverbindung wird im operativen Betrieb des MEMS-Elements dynamisch belastet, daher sollte ein geeignetes Bondverfahren gewählt werden. Im gebondeten Zustand kann nun die weitere Strukturierung der ersten Funktionsschicht 10 erfolgen. Hier können beispielsweise mittels Trenchätzen oder anderer geeigneter Silizium-Strukturierungsverfahren Federelemente 16 oder Ähnliches mit einer Dicke der ersten Funktionsschicht 10 hergestellt werden. Vorteilhaft ist während dieses Ätzens die Verwendung einer Ätzstoppschicht 11, um eine Schädigung der MEMS-Strukturen der zweiten Funktionsschicht 20 möglichst zu vermeiden.
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Die Ätzstoppschicht 11 muss nach dem Ätzen der ersten Funktionsschicht 10 mit einem geeigneten Ätzverfahren entfernt werden. Als nächster Herstellungsschritt wird, wie in 5 erkennbar, zunächst eine dritte Funktionsschicht 30 bzw. ein dritter Wafer vorbereitet, die als Teil einer hermetischen Verkappung eines fertigen Bauelements dient. Hierfür werden mit geeigneten Ätzverfahren Vertiefungen in geeigneter Tiefe in die dritte Funktionsschicht 30 geätzt.
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Anschließend wird eine für die gewählte Bondtechnologie geeignete Verbindungsschicht 31 auf die dritte Funktionsschicht 30 aufgebracht. Die Verbindungsschicht 31 kann dabei ein niedrigschmelzendes Glaslot oder Germanium oder Gold, usw. sein. Optional können in der dritten Funktionsschicht 30 mittels eines geeigneten Silizium-Ätzverfahrens bereits vor dem Bonden mit der ersten Funktionsschicht 10 Durchgangslöcher für eine spätere elektrische Kontaktierung mit der Kontaktierungsschicht 15 erzeugt werden. Im Ergebnis liegt somit nach dem Bearbeitungsschritt von 4 eine elektromechanische Schichtenanordnung 100 vor, die nachfolgend zur Erzeugung eines mikromechanischen Bauelements weiterbearbeitet wird.
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In 5 ist ein Querschnitt des Waferstapels nach dem Bonden der dritten Funktionsschicht 30 mit dem Waferstapel aus der ersten Funktionsschicht 10 und der zweiten Funktionsschicht 20 dargestellt. Zum Bonden der dritten Funktionsschicht 30 mit der ersten Funktionsschicht 10 kann ein geeignetes Bondverfahren, wie beispielsweise eutektisches Bonden, Sealglas-Bonden, Thermokompressionsbonden, Silizium-Silizium-Direktbonden oder anodisches Bonden eingesetzt werden. Das Öffnen der Zugangslöcher zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung der Kontaktierungsschicht 15 kann mittels eines geeigneten Silizium-Ätzverfahrens, vorzugweise mittels Trenchätzen durchgeführt werden. Die gewünschte Dicke der dritten Funktionsschicht 30 kann vor oder nach dem Bonden eingestellt werden, vorzugsweise durch Schleifen der dritten Funktionsschicht 30.
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Markierungen 32 auf einer Oberseite der dritten Funktionsschicht 30 können mit einem der etablierten Silizium-Ätzverfahren ebenfalls vor oder nach dem Bonden eingebracht werden. Beispielsweise kann dies mittels Trenchätzen nach dem Bonden durchgeführt werden. Die Markierungen 32 können genutzt werden, um Sägestraßen für die Wafer zu identifizieren, Magnete am fertigen Bauteil zu positionieren, usw.
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Die nächsten Bearbeitungsschritte betreffen die zweite Funktionsschicht 20, die die Unterseite des Waferstapels aus den Funktionsschichten 10, 20 und 30 bildet. Die zweite Funktionsschicht 20 kann, was in 6 angedeutet ist, auf eine geeignete Zieldicke gebracht werden, wobei zu diesem Zweck der gesamte Schichtenstapel zuvor umgedreht wird (nicht dargestellt). Dazu können bekannte Verfahren, wie beispielsweise Schleifen und Polieren von Silizium verwendet werden, alternativ vollflächige Ätzverfahren (vorzugsweise einseitig, da auf der Oberfläche der ersten Funktionsschicht 10 bereits die elektrischen Zugänge freiliegen). Wie bereits erwähnt, kann bei einer alternativen Verwendung eines SOI- oder Doppel-SOI-Wafers ein Ätzen mit Stopp auf vergrabenem Oxid benutzt werden. Auf diese Weise können sehr exakt spezifizierte Dicken und sehr glatte Oberflächen der zweiten Funktionsschicht 20 realisiert werden.
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Nach dem Einstellen der Zieldicke kann die zweite Funktionsschicht 20 nunmehr mit bekannten Silizium-Ätzverfahren strukturiert werden, beispielsweise mittels Trenchätzens. Hierbei werden bestimmte Flächen der zweiten Funktionsschicht 20 komplett freigestellt und können im MEMS-Bauelement zum Beispiel als ein beweglicher Spiegel oder Ähnliches genutzt werden. Hierbei kann auch eine Verdunkelungsstruktur mit in Teilbereiche der Oberfläche eingebracht werden. Optional ist es auch möglich, in der zweiten Funktionsschicht 20 Federstrukturen bzw. -elemente auszubilden (nicht dargestellt).
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Falls gewünscht, kann alternativ zur reinen Siliziumoberfläche auch noch eine hochreflektive Metallisierungsschicht (nicht dargestellt) zum Zwecke einer optischen Verspiegelung aufgebracht werden. Dies kann vor oder nach der Strukturierung der Oberfläche geschehen und es kann auch mit oder ohne Strukturierung der Metallisierungsschicht geschehen. Vorzugsweise wird die Oberfläche nach der Strukturierung vollflächig mit einem Silberstapel beschichtet, wobei auf eine Strukturierung des Stapels verzichtet wird. Im Ergebnis liegt dadurch, wie in 6 erkennbar, eine relativ großdimensionierte optisch aktive, bewegliche Oberfläche der Unterseite der zweiten Funktionsschicht 20 vor, die in der Lage ist, einen Laserstrahl eines bestimmten Durchmessers abzulenken.
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Im nächsten Herstellungsschritt wird, wie in 7 und 8 angedeutet, eine vierte Funktionsschicht 40 bzw. ein vierter Wafer zunächst mit Durchgangslöchern versehen. Dies geschieht vorzugsweise durch anisotropes KOH-Ätzen, kann aber auch durch Trenchätzen oder Sandstrahlen oder mechanisch durch Schleifen oder Fräsen erreicht werden. Die vierte Funktionsschicht 40 dient als ein Abstandshalter zwischen der beweglichen MEMS-Struktur, z.B. in Form des Mikrospiegels der Unterseite der zweiten Funktionsschicht 20 und einem transparenten Substrat 41 (z.B. Glas), das auf die vierte Funktionsschicht 40 aufgebracht wird und eine optische Verkappung des Mikrospiegels übernimmt.
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Für Glas besteht es die Möglichkeit, dieses als einen Wafer vollflächig aufzubringen, zum Beispiel durch anodisches Bonden. Das transparente Substrat
41 kann dabei planar ausgebildet werden (wie in
7 erkennbar) oder mit einem Knick versehen sein (wie in
8 erkennbar), wobei im Falle des geknickten Substrats
41 Nullpunktsreflexe in einem optischen Bild vorteilhaft weitestgehend eliminierbar sind. Für den Fall eines „geknickten“ transparenten Substrats
41 sollte dafür gesorgt werden, dass eine Dicke der vierten Funktionsschicht
40 ausreichend groß ist. Alternativ zum in
7 gezeigten optischen Sockel kann auch ein Sockel mit tiefgezogenem Glas verwendet werden, welcher schematisch in
8 dargestellt ist.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Waferstapels aus einem Siliziumwafer mit einem transparenten Substrat
41, das über den Chip schräg gestellt ist. Auch ein so genannter herkömmlicher „Pick-and-Place-Sockel“ (nicht dargestellt), wie z.B. aus
DE 10 2010 062 118 A1 bekannt, kann verwendet werden.
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7 zeigt einen Waferstapel aus einem Siliziumwafer mit einem Glaswafer. Der Siliziumwafer ist mit Zugangslöchern versehen, optional mit einer entsprechenden Verbindungsschicht 42 für das Verbinden mit dem Waferstapel aus 6. Die Schichtenstapel der 7 und 8 werden als „optische Sockel“ bezeichnet, wobei diese Sockel mit Sealglas versehen werden, um anschließend auf den Stapel aus 6 gebondet zu werden. Es können aber auch andere der oben genannten Bondverfahren verwendet werden.
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In einer Variante ist es möglich, alle transparenten Substrate 41 in einem einzigen Prozessschritt in die vierte Funktionsschicht 40 einzusetzen, was den Vorteil hat, dass die vierte Funktionsschicht 40 nur ein einziges Mal erhitzt werden muss und nicht bei jedem Einsetzen des transparenten Substrats 41.
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Im letzten Arbeitsschritt wird der Stapel aus 6 mit dem optischen Sockel verbondet. Dargestellt sind in den 9 und 10 Querschnittsansichten von Gesamtstapeln bei Verwendung der in 7 bzw. 8 gezeigten optischen Sockel. Als Bondverfahren kann Sealglas-Bonden verwendet werden, es sind aber auch alle anderen genannten Bondverfahren einsetzbar, eventuell müssen die entsprechenden Schichten für die Bondungen noch aufgebracht werden.
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Während des letzten Bondprozesses mit der kompletten Schichtenstruktur kann ein definiertes Gas unter definiertem Druck in die Kavität 50 der mikromechanischen Schichtenanordnung 10, 20, 30, 40 eingeschlossen werden. Beispiel kann dies Neon, ein Schutzgas oder Stickstoff sein, alternativ ist auch ein Einschluss von Vakuum möglich. Dadurch können optimale Dämpfungseigenschaften für die beweglichen Strukturen der zweiten Funktionsschicht 20 erreicht werden. Über eine übliche Betriebsdauer der gesamten Struktur sollte das Gas dabei eingeschlossen bleiben, um dadurch optimale Betriebseigenschaften des beweglichen Mikrospiegels langfristig zu ermöglichen.
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11 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Bereitstellen und ein Strukturieren einer ersten Funktionsschicht 10 durchgeführt.
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In einem zweiten Schritt S2 wird ein Bereitstellen und ein Strukturieren einer zweiten Funktionsschicht 20 durchgeführt.
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In einem dritten Schritt S3 werden die beiden Funktionsschichten 10, 20 vertikal übereinander angeordnet, wobei die beiden Funktionsschichten 10, 20 funktional miteinander gekoppelt werden.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Schichtenstruktur vorgeschlagen, welche es ermöglicht, die dazu benötigten mikromechanischen Funktionsschichten unabhängig voneinander zu strukturieren ohne auf gegenseitige Auslegungserfordernisse Rücksicht nehmen zu müssen. Im Ergebnis ist dadurch eine sehr hohe vertikale Integrationsdichte von mikromechanisch aktiven Funktionsschichten möglich, wodurch vorteilhaft sehr kleine und damit platzsparende geometrische Chipflächen realisierbar sind.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062118 A1 [0038]