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DE102021205736A1 - Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung - Google Patents

Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung Download PDF

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DE102021205736A1
DE102021205736A1 DE102021205736.5A DE102021205736A DE102021205736A1 DE 102021205736 A1 DE102021205736 A1 DE 102021205736A1 DE 102021205736 A DE102021205736 A DE 102021205736A DE 102021205736 A1 DE102021205736 A1 DE 102021205736A1
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DE
Germany
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electrode
membrane
counter
substrate
micromechanical component
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Application number
DE102021205736.5A
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English (en)
Inventor
Peter Schmollngruber
Heribert Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to US17/831,719 priority patent/US20220390311A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit einem Substrat (10), mindestens einer ersten Gegenelektrode (38), mindestens einer auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Gegenelektrode (38) verstellbar angeordneten ersten Elektrode (46), und einer Kondensatorabdichtstruktur (54), welche ein Innenvolumen (56) mit der mindestens einen darin vorliegenden ersten Gegenelektrode (38) und der mindestens einen darin vorliegenden ersten Elektrode (46) gasdicht abdichtet, wobei die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) direkt oder indirekt an einer direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigten Rahmenstruktur (12) befestigt ist, und wobei die Rahmenstruktur (12) einen Hohlraum (68) umrahmt, und die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) den Hohlraum (68) zumindest teilweise so überspannt, dass über mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode (38) ausgebildete Öffnung (38a) mindestens ein Gas zwischen dem Hohlraum (68) und dem Innenvolumen (56) transferierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der DE 10 2004 043 356 A1 , sind Sensorelemente mit getrenchten Kavernen bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche zusätzlich zu ihrem jeweiligen Innenvolumen, innerhalb welchem die Elektroden des jeweiligen mikromechanischen Bauteils vorliegen, noch einen Hohlraum aufweisen, so dass mindestens ein Gas aus ihrem Innenvolumen in ihren Hohlraum transmittieren kann. Ausgasende/diffundierende Stoffe, wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff (z.B. ausgegast aus TEOS Tetraethylorthosilicat), Dotierstoffe und sich bildende kohlenstoffhaltige Gase, wie insbesondere Methan oder Ethan, können sich bei einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteil aus dem Innenvolumen in den Hohlraum so verteilen, dass eine bestimmte Menge der ausgasenden/diffundierenden Stoffe zu einer geringeren Änderung des jeweiligen Referenzdrucks in dem Innenvolumen führen. Die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen mikromechanischen Bauteile eignen sich somit gegenüber dem Stand der Technik länger zum Ausführen von verlässlichen, präzisen Messungen, wie beispielsweise Druckmessungen unter Einhaltung von vorgegebenen Spezifikationsgrenzen.
  • Ausgasungs- und/oder Diffusionseffekte führen bei herkömmlichen Drucksensoren häufig zu einer Erhöhung eines Referenzdrucks in dem jeweiligen Drucksensor und damit zu einer unerwünschten Drift von Sensorsignalen des jeweiligen Drucksensors. Die prozentuale Erhöhung des in dem Innenvolumen „eingeschlossenen“ Referenzdrucks ist umso größer, je kleiner das Innenvolumen ist, innerhalb welchem die Elektroden des jeweiligen mikromechanischen Bauteils vorliegen. Im Zuge der weiter fortschreitenden Miniaturisierung von MEMS-Bauteilen erhält dieser Aspekt somit ein immer höheres Gewicht (einen immer größeren Einfluss).
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist mindestens eine Vertiefung in eine an dem Hohlraum innerhalb der Rahmenstruktur angrenzende Substratoberfläche des Substrats strukturiert. Auf diese Weise kann das Volumen des Hohlraums, welcher für den Gastransfer mit dem Innenvolumen genutzt werden kann, zusätzlich gesteigert werden. Die Auswirkungen von Ausgasungen/Diffusionen auf den in dem Innenvolumen vorliegenden Referenzdruck können somit mittels der mindestens einen Vertiefung zusätzlich minimiert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die mindestens eine direkt oder indirekt zumindest an der Rahmenstruktur befestigte erste Gegenelektrode mittels mindestens eines aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material gebildeten Isolierbereichs, welcher innerhalb der Rahmenstruktur und/oder zwischen der Rahmenstruktur und der mindestens einen ersten Gegenelektrode angeordnet oder ausgebildet ist, von der Rahmenstruktur und/oder dem Substrat elektrisch isoliert. Ein an der mindestens einen Gegenelektrode jeweils vorliegendes Potenzial kann somit von einem Potenzial der Rahmenstruktur und/oder des Substrats abweichen.
  • Beispielsweise kann die Kondensatorabdichtstruktur auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Elektrode eine aufgespannte Membran umfassen, deren Membraninnenseite das Innenvolumen begrenzt und welche bei einem Druckunterschied ungleich Null zwischen einem auf einer von dem Innenvolumen weg gerichteten Membranaußenseite der Membran vorliegenden Druck und einem in dem Innenvolumen vorliegenden Referenzdruck verwölbbar ist, wodurch die mindestens eine an der Membraninnenseite der Membran aufgehängte und mit der Membran elektrisch verbundene erste Elektrode verstellbar ist. Die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils kann somit besonders gut als (zumindest Teil von einem) Drucksensor verwendet werden.
  • Als vorteilhafte Weiterbildung kann die mindestens eine erste Elektrode über mindestens eine an der Membraninnenseite befestigte Aufhängestruktur an der Membraninnenseite aufgehängt und mit der Membran elektrisch verbunden sein, wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen vorliegende zweite Elektrode aufweist, welche ebenfalls über die mindestens eine Aufhängestruktur derart an der Membraninnenseite aufgehängt und mit der Membran elektrisch verbunden ist, dass die mindestens eine zweite Elektrode wie die mindestens eine erste Elektrode mittels einer Verwölbung der Membran verstellbar ist, und wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen vorliegenden zweite Gegenelektrode aufweist, welche auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der mindestens einen zweiten Elektrode angeordnet ist. Während die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine erste Gegenelektrode bei dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils als zumindest ein erster Kondensator genutzt werden, können zusätzlich noch die mindestens eine zweite Elektrode und die mindestens eine zweite Gegenelektrode als zumindest ein zweiter Kondensator eingesetzt werden. Mittels einer Differenzbildung zwischen einer ersten Kapazität des zumindest einen ersten Kondensators und einer zweiten Kapazität des zumindest einen zweiten Kondensators können mit Hilfe einer geeigneten Messschaltung, wie z.B. einer wheatston'schen Brückenschaltung, präzisere und genauere Messwerte bestimmt werden, wodurch eine Erhöhung der Messempfindlichkeit erreicht werden kann.
  • Bevorzugter Weise sind in diesem Fall die mindestens eine erste Gegenelektrode und die mindestens eine zweite Elektrode aus einer ersten Elektrodenschicht gebildet und die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Gegenelektrode aus einer zweiten Elektrodenschicht gebildet, wobei die Membran mittels mindestens eines Membranisolierbereichs aus dem mindestens einen und/oder mindestens einem weiteren elektrisch-isolierenden Material von den aus der zweiten Elektrodenschicht gebildeten Komponenten elektrisch isoliert ist. Ein an der Membran anliegendes Potenzial beeinträchtigt somit nicht das mindestens eine Potenzial der aus der zweiten Elektrodenschicht gebildeten Komponenten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils ist die mindestens eine erste Elektrode über mindestens eine an der Membraninnenseite befestigte Aufhängestruktur an der Membraninnenseite aufgehängt und elektrisch mit der Membran verbunden, wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen vorliegende zweite Gegenelektrode aufweist, welche auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der mindestens einen ersten Elektrode direkt oder indirekt an der Kondensatorabdichtstruktur und/oder dem Substrat befestigt ist, und welche mindestens eine durchgehende Aussparung aufweist, durch welche die mindestens eine Aufhängestruktur der ersten Elektrode geführt ist. Auch bei der hier beschriebenen Ausführungsform können die mindestens eine erste Gegenelektrode und die mindestens eine erste Elektrode als zumindest ein erster Kondensator und die mindestens eine zweite Gegenelektrode und die mindestens eine erste Elektrode als zumindest ein zweiter Kondensator eingesetzt werden. Somit können die Vorteile einer Differenzbildung aus einer ersten Kapazität des zumindest einen ersten Kondensators und einer zweiten Kapazität des zumindest einen zweiten Kondensators auch für die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils genutzt werden.
  • Vorzugsweise sind in diesem Fall die mindestens eine erste Gegenelektrode aus einer ersten Elektrodenschicht gebildet, die mindestens eine erste Elektrode aus einer zweiten Elektrodenschicht gebildet und die mindestens eine zweite Gegenelektrode aus einer dritten Elektrodenschicht gebildet, wobei die Membran mittels mindestens eines Membranisolierbereichs aus dem mindestens einen und/oder mindestens einem weiteren elektrisch-isolierenden Material von der mindestens einen aus der dritten Elektrodenschicht gebildeten Komponente elektrisch isoliert ist. Das an der Membran vorliegende Potenzial hat somit keinen Einfluss auf das mindestens eine Potenzial der mindestens einen aus der dritten Elektrodenschicht herausstrukturierten Komponente.
  • Bevorzugterweise weist das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs und/oder des mindestens einen Membranisolierbereichs jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S·cm-1 und/oder einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108Ω·cm auf. Vorteilhafter Weise weist das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs und/oder des mindestens einen Membranisolierbereichs zudem eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Ätzmedium zur Entfernung von Opfermaterial/Opferschichten auf. Der mindestens eine Isolierbereich und/oder der mindestens eine Membranisolierbereich eignen sich somit vorteilhaft zum Gewährleisten einer jeweils gewünschten Isolierung.
  • Die vorausgehend beschriebenen Vorteile werden auch durch Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung geschaffen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1A bis 1F schematische Querschnitte durch Zwischenprodukte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung;
    • 2A und 2B schematische Querschnitte durch Zwischenprodukte zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung;
    • 3A bis 3C schematische Querschnitte durch Zwischenprodukte zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung;
    • 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
    • 7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1A bis 1F zeigen schematische Querschnitte durch Zwischenprodukte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
  • Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird mindestens eine (spätere) erste Gegenelektrode des mikromechanischen Bauteils indirekt an einem Substrat 10 befestigt, indem die mindestens eine erste Gegenelektrode direkt oder indirekt an einer Rahmenstruktur 12 befestigt wird. In einem späteren Herstellprozess kann diese Rahmenstruktur 12 zumindest bereichsweise auch als laterale Ätzbegrenzung und/oder als Substratkontaktierungsstruktur dienen/eingesetzt werden. Das Substrat 10, an welchem die Rahmenstruktur 12 direkt oder indirekt befestigt wird, kann ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat sein. Alternativ oder als Ergänzung zu Silizium kann das Substrat 10 jedoch auch mindestens ein anderes Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens einen Isolator umfassen.
  • Nachfolgend ist beschrieben, wie die Rahmenstruktur 12 zwischen dem Substrat 10 und der mindestens einen (späteren) ersten Gegenelektrode gebildet wird:
    • Als optionale Weiterbildung des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens kann vor dem Bilden der Rahmenstruktur 12 mindestens eine Vertiefung 14 in eine Substratoberfläche 10a des Substrats 10 strukturiert werden, welche an einem von der Rahmenstruktur 12 umrahmten späteren Hohlraum angrenzt. Dazu kann eine Ätzmaskenschicht 16 auf der Substratoberfläche 10a derart gebildet werden, dass die Ätzmaskenschicht 16 im Bereich der mindestens einen späteren Vertiefung 14 mindestens eine durchgehende Öffnung 16a aufweist.
    • Die Ätzmaskenschicht 16 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht 16 sein.
    • Anschließend kann die mindestens eine Vertiefung 14, beispielsweise mittels eines Plasma- und/oder Trenchätzprozesses, in die Substratoberfläche 10a des Substrats 10 geätzt werden. Der jeweilige Ätzprozess kann wahlweise isotrop und/oder anisotrop sein. Wie mittels der gestrichelten Linie 18 in 1A bildlich wiedergegeben ist, können eine Form und/oder eine Tiefe der mindestens einen Vertiefung 14 mit einer großen Designfreiheit ausgebildet werden. Beispielsweise können beim Ätzen der mindestens einen Vertiefung 14 die Ätzfronten auch so zusammenlaufen, dass die gebildeten Vertiefungen 14 ineinander übergehen.
    • Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, wird mittels der mindestens einen in die Substratoberfläche 10a hineinstrukturierten Vertiefung 14 eine schnelle, flächige (laterale) Verteilung eines Ätzmediums, wie z.B. HF-Dampf, erreicht, wodurch eine zusätzliche Volumenvergrößerung des von der Rahmenstruktur 12 umrahmten späteren Hohlraums bewirkt wird.
  • Wie in 1A bildlich wiedergegeben ist, wird nach dem Strukturieren der mindestens einen Vertiefung 14 in die Substratoberfläche 10a des Substrats 10 eine erste Opferschicht 20 auf der Ätzmaskenschicht 16 abgeschieden. Mittels einer relativ kleinen maximalen Breite der mindestens einen durchgehenden Öffnung 16a der Ätzmaskenschicht 16 parallel zur Substratoberfläche 10a ist sicherstellbar, dass die mindestens eine durchgehende Öffnung 16a mittels der ersten Opferschicht 20 verschlossen wird, ohne dass die mindestens eine Vertiefung 14 mit dem mindestens einen Material der ersten Opferschicht 20 aufgefüllt wird. Vorzugsweise ist die erste Opferschicht 20 aus dem mindestens einen gleichen Material wie die Ätzmaskenschicht 16. Die Opferschicht 20 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht 20 sein.
  • Zum Bilden der Rahmenstruktur 12 wird mindestens ein bis zum Substrat 10 durchgehender Graben 22 durch die erste Opferschicht 20 und die Ätzmaskenschicht 16 strukturiert/geätzt. Der mindestens eine durchgehende Graben 22 wird dabei so geformt, dass er den späteren Hohlraum umrahmt. Gleichzeitig mit dem mindestens einen durchgehenden Graben 22 kann auch mindestens ein weiterer bis zum Substrat 10 durchgehender Graben 24 durch die erste Opferschicht 20 und die Ätzmaskenschicht 16 strukturiert werden. Des Weiteren kann vor oder nach dem Strukturieren/Ätzen des mindestens einen durchgehenden Grabens 22 und des mindestens einen weiteren Grabens 24 noch mindestens eine Vertiefung 26 in die erste Opfermaterialschicht 20 strukturiert/geätzt werden, welche eine Negativform für spätere Leiterbahnstrukturen bietet.
  • 1A zeigt ein Zwischenprodukt nach dem Abscheiden mindestens eines Halbleitermaterials und/oder mindestens eines Metalls, wie beispielsweise Polysilizium, zum Auffüllen zumindest des mindestens einen durchgehenden Grabens 22 und 24. Auf diese Weise kann zusätzlich zu der Rahmenstruktur 12 (in dem mindestens einen durchgehenden Graben 22) noch mindestens eine Substratkontaktierungsstruktur 28 (in dem mindestens einen durchgehenden Graben 24) gebildet werden. Weiter kann durch Auffüllen der mindestens einen Vertiefung 26 auch mindestens eine Leiterbahn 30 ausgebildet werden.
  • Vorzugsweise wird nach dem Abscheiden des mindestens eines Halbleitermaterials und/oder des mindestens eines Metalls mittels eines chemisch-mechanischen Polierschrittes eine von dem Substrat 10 weg gerichtete Oberseite der ersten Opferschicht 20 zumindest bereichsweise wieder freigelegt und eine plane Oberfläche erzeugt.
  • Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die mindestens eine später direkt oder indirekt an der Rahmenstruktur 12 befestigte erste Gegenelektrode mittels mindestens eines Isolierbereichs 32 aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material von der Rahmenstruktur 12 und/oder dem Substrat 10 elektrisch isoliert. Das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 32 hat vorzugsweise jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S·cm-1, bzw. einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108Ω·cm. Außerdem weist das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 32 bevorzugt gegenüber einem später eingesetzten Ätzmedium eine Ätzrate auf, welche um zumindest einen Faktor 2 kleiner als eine Ätzrate des jeweiligen Ätzmediums für das mindestens eine Material der ersten Opferschicht 20 ist. Das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 32 kann beispielsweise siliziumreiches Siliziumnitrid sein. Sofern mindestens ein Teilbereich 20a der ersten Opferschicht 20 während eines später ausgeführten Ätzens mindestens eines anderen Teilbereichs 20b der ersten Opferschicht 20 vor dem jeweils verwendeten Ätzmedium geschützt werden soll, kann auch der mindestens eine zu schützende Teilbereich 20a der ersten Opferschicht 20 mit mindestens einer Ätzstoppschicht 34 aus dem mindestens einen gleichen elektrisch-isolierenden Material wie der mindestens einen Isolierbereich 32 abgedeckt werden. Somit kann ein einziger Abscheide- und Strukturiervorgang zum Ausbilden des mindestens einen Isolierbereichs 32 und der mindestens einen Ätzstoppschicht 34 ausgeführt werden. Weiter ist es auch möglich, erst vor dem Bilden der Ätzstoppschicht 34 den durchgehenden Graben 22 der Rahmenstruktur 12 zu erzeugen und diesen mit der Ätzstoppschicht 34 aufzufüllen.
  • Der mindestens eine Isolierbereich 32 kann wahlweise die Rahmenstruktur 12 überdecken und/oder zwischen der Rahmenstruktur 12 und der mindestens einen späteren ersten Gegenelektrode angeordnet oder ausgebildet werden. Lediglich beispielhaft wird bei der hier beschriebenen Ausführungsform der mindestens eine Isolierbereich 32 auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der Rahmenstruktur 12 ausgebildet.
  • 1B zeigt ein Zwischenprodukt nach einem Abscheiden einer zweiten Opferschicht 36. Vorzugsweise wird die zweite Opferschicht 36 aus dem mindestens einen gleichen Material wie die erste Opferschicht 20 gebildet. Die zweite Opferschicht 36 kann beispielsweise eine (weitere) Siliziumdioxidschicht 36 sein. Mittels einer anschließenden Strukturierung der zweiten Opferschicht 36 werden eine Negativform zumindest der mindestens einen ersten Gegenelektrode festgelegt und die Ätzstoppschicht 34, der Isolierbereich 32 und wenigstens ein Kontaktierungsbereich zu wenigstens einer Leiterbahn 30 zumindest bereichsweise freigelegt.
  • Danach wird die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 aus zumindest Teilbereichen einer ersten Elektrodenschicht 40 gebildet. Dabei wird die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 mit mindestens einer durch oder entlang der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 verlaufenden und zu diesem Zeitpunkt mit Material der zweiten Opferschicht 36 gefüllten Öffnung 38a ausgebildet. Auf die Funktion der mindestens einen Öffnung 38a an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 wird unten noch eingegangen.
  • Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird dazu die erste Elektrodenschicht 40 in den zuvor in der zweiten Opferschicht 36 geformten Vertiefungen abgeschieden. Anschließend kann die erste Elektrodenschicht 40 so lange oberflächlich abgetragen werden, bis die zweite Opferschicht 36 zumindest bereichsweise wieder freigelegt ist. Das oberflächliche Abtragen der ersten Elektrodenschicht 40 kann z.B. mittels eines chemisch-mechanischen Polierschrittes ausgeführt werden. Auf diese Weise kann eine plane Oberfläche erzielt werden. Die erste Elektrodenschicht 40 kann bei einem späteren Betrieb beispielsweise als mindestens eine Gegenelektrode eingesetzt werden. Mindestens ein Teilbereich 42 oder 42a der ersten Elektrodenschicht 40 kann als Teil, Teilbereich oder Komponente bei der späteren Kondensatorabdichtstruktur verwendet werden. Die mindestens eine Gegenelektrode und/oder der mindestens eine Teilbereich 42 und 42a können wahlweise an drei Seiten zumindest teilweise von der Opferschicht 36 umgeben sein.
  • Alternativ können jedoch auch anstelle der Abscheidung und der Strukturierung der zweiten Opferschicht 36 die erste Elektrodenschicht 40 auf der ersten Opferschicht 20 abgeschieden und zumindest die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 aus der ersten Elektrodenschicht 40 herausstrukturiert werden. In diesem Fall wird die zweite Opferschicht 36 erst nach dem Herausstrukturieren zumindest der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 aus der ersten Elektrodenschicht 40 in den entstandenen Vertiefungen abgeschieden und optional die Oberfläche der zweiten Opferschicht 36, z.B. mit Hilfe eines chemisch-mechanischen Polierschrittes, planarisiert werden. Bei diesem Vorgehen kann die Abscheidung einer nachfolgend beschriebenen dritten Opferschicht 44 entfallen.
  • Unter der ersten Elektrodenschicht 40 ist eine Halbleiter- und/oder Metallschicht zu verstehen. Die erste Elektrodenschicht 40 kann beispielsweise eine Polysiliziumschicht 40 sein. Wie in 1C auch erkennbar ist, kann noch mindestens ein weiterer Teilbereich 42 und ein Teilbereich 42a der späteren Kondensatorabdichtstruktur aus der ersten Elektrodenschicht 40 gebildet werden. Die Teilbereich 42, 42a können mittels Leiterbahnen 30 und Kontaktlochöffnungen in der Ätzstoppschicht 34 elektrisch kontaktiert werden und zur Verankerung/Einspannung der späteren Membran 58 und/oder zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Elektrodenschicht 58 und/oder der Membranschicht 64 und/oder des Substrats 10 dienen.
  • Wie in 1D bildlich dargestellt ist, kann nach Durchführung des chemisch-mechanischen Polierschrittes zum zumindest bereichsweisen Freilegen der zweiten Opferschicht 36 eine dritte Opferschicht 44 auf zumindest der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 abgeschieden werden. Bevorzugter Weise ist das mindestens eine Material der dritten Opferschicht 44 gleich dem mindestens einen Material der Opferschichten 20 und 36. Z.B. kann auch die dritte Opferschicht 44 eine Siliziumdioxidschicht 44 sein. Optional kann mittels mindestens einer durch die dritte Opferschicht 44 durchgehenden Kontaktlochstruktur eine elektrische Anbindung zumindest zwischen Komponenten der späteren Kondensatorabdichtstruktur oder einer späteren Verankerungs-/Einspannungsstruktur einer Membran ausgebildet werden.
  • Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird auch mindestens eine (später verstellbare) erste Elektrode 46 auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 angeordnet. Die mindestens eine erste Elektrode 46 wird aus zumindest Teilbereichen einer zweiten Elektrodenschicht 48 gebildet. Unter der zweiten Elektrodenschicht 48 ist ebenfalls eine Halbleiter- und/oder Metallschicht zu verstehen. Bevorzugter Weise ist die zweite Elektrodenschicht 48 eine Polysiliziumschicht 48.
  • Beispielsweise kann, wie in 1D bildlich wiedergegeben ist, die zweite Elektrodenschicht 48 auf der dritten Opferschicht 44 abgeschieden werden, und danach kann zumindest die mindestens eine erste Elektrode 46 aus der zweiten Elektrodenschicht 48 herausstrukturiert werden. Alternativ kann auch eine weitere Opferschicht auf der dritten Opferschicht 44 abgeschieden und so strukturiert werden, dass eine Negativform zumindest der mindestens einen ersten Elektrode 46 in der weiteren Opferschicht ausgebildet wird. Nach dem Strukturieren der weiteren Opferschicht kann dann die zweite Elektrodenschicht 48 in den entstandenen Vertiefungen abgeschieden werden und nach Durchführung eines chemisch-mechanischen Polierschrittes die weitere Opferschicht auf der dritten Opferschicht 44 zumindest bereichsweise wieder freigelegt werden.
  • Wie in 1D auch erkennbar ist, können auch mindestens ein weiterer Teilbereich einer späteren elektrischen Kontaktierungsstruktur 50 und/oder ein Teilbereich der späteren Kondensatorabdichtstruktur, mindestens ein Teilbereich der Einspannungs-/Verankerungsstruktur und/oder mindestens eine elektrische Leiterbahn 50a, aus der zweiten Elektrodenschicht 48 geformt werden. Gegebenenfalls kann mittels der mindestens einen durch die dritte Opferschicht 44 durchgehenden Kontaktlochöffnung eine elektrische Anbindung des mindestens einen Teilbereichs einer späteren elektrischen Kontaktierungsstruktur 50, des mindestens einen Teilbereichs der späteren Kondensatorabdichtstruktur und/oder des mindestens einen Teilbereichs der Einspannungs-/Verankerungsstruktur und/oder der mindestens einen elektrischen Leiterbahn 50a an mindestens einen aus der ersten Elektrodenschicht 40 geformten Teilbereich 42 und 42a realisiert werden.
  • Auf zumindest die mindestens eine erste Elektrode 46 wird eine vierte Opferschicht 52 abgeschieden und optional planarisiert. Bevorzugter Weise ist das mindestens eine Material der vierten Opferschicht 52 gleich dem mindestens einen Material der weiteren Opferschichten 20, 36 und 44. Die vierte Opferschicht 52 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht 52 sein.
  • Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird zusätzlich zu der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 und der mindestens einen ersten Elektrode 46 auch die fertige Kondensatorabdichtstruktur 54 gebildet, welche direkt oder indirekt an dem Substrat 10 befestigt wird, und welche ein Innenvolumen 56 mit der mindestens einen darin vorliegenden ersten Gegenelektrode 38 und der mindestens einen darin vorliegenden ersten Elektrode 46 gasdicht abdichtet. Beispielhaft wird die Kondensatorabdichtstruktur 54 außerdem mit einer aufgespannten Membran 58 ausgebildet, welche auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindestens einen ersten Elektrode 46 angeordnet ist und an deren Membraninnenseite 58a die mindestens eine erste Elektrode 46 aufgehängt wird.
  • Zum Bilden mindestens einer Aufhängestruktur 60, mittels welcher die mindestens eine erste Elektrode 46 an der Membraninnenseite 58a der Membran 58 aufgehängt und mit der Membran 58 elektrisch verbunden wird, wird zuerst mindestens eine durchgehende Aussparung durch die vierte Opferschicht 52 strukturiert. Gleichzeitig kann noch mindestens eine weitere durchgehende Aussparung durch die vierte Opferschicht 52 strukturiert werden, in welcher eine Membraneinspannung 62 der Membran 58 mindestens eine aus der zweiten Elektrodenschicht 48 gebildete Komponente 50a und/oder eine Komponente 50 der Kondensatorabdichtstruktur 54 mechanisch und elektrisch kontaktiert. Abhängig von der Designauslegung können die Komponente 50a oder die Komponente 50 Teil der Kondensatorabdichtstruktur 54 sein.
  • Nach dem Strukturieren der vierten Opferschicht 52 kann die Membran 58 aus einer auf der vierten Opferschicht 52 abgeschiedenen Membranschicht 64 gebildet werden. Die Membran 58 wird mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Membrandicke derart ausgebildet, dass die später freigestellte Membran 58 verwölbbar ist. Ein Zwischenprodukt ist in 1E bildlich wiedergegeben.
  • Die Membranschicht 64 ist vorzugsweise eine Halbleiter- und/oder Metallschicht, wie beispielsweise eine Polysiliziumschicht 64. Wahlweise kann die Membranschicht 64 mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Ausgangsdicke abgeschieden werden, welche größer als eine gewünschte senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete Zieldicke ist. In diesem Fall kann die mit der Ausgangsdicke abgeschiedene Membranschicht 64 mittels eines chemisch-mechanischen Polierschritts planarisiert werden, bis die Membranschicht 64 die gewünschte Zieldicke aufweist. Auf diese Weise können Unstetigkeiten, Stufen oder unregelmäßige Topographien in der Membranschicht 64 vermieden werden. Bevorzugter Weise ist die senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete Ausgangsdicke der Membranschicht 64 größer-gleich einer Summe einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Schichtdicke der vierten Opferschicht 52 und der Zieldicke der Membranschicht 64. Alternativ kann vor dem Abscheiden der Membranschicht 64 eine weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht, wie beispielsweise eine Polysiliziumschicht, auf der vierten Opferschicht 52 abgeschieden werden. Die vierte Opferschicht 52 kann danach, z.B. durch Ausführen eines chemisch-mechanischen Polierschrittes der weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht, zumindest bereichsweise wieder freigelegt werden. Durch den chemisch-mechanischen Polierschrittes kann zudem eine plane Oberfläche erzielt werden. Unstetigkeiten, Stufen oder Topographien an der Oberfläche und in der nachfolgend abgeschiedenen Membranschicht 64 können auf diese Weise vermieden werden. Bei dieser Art des Prozessierens kann die Membranschicht 64 unmittelbar in der gewünschten Zieldicke aufgebracht werden, wodurch zusätzlich entstehende Dicketoleranzen aufgrund eines chemisch-mechanischen Polierschrittes der Membranschicht 64 vermieden werden können.
  • 1F zeigt ein Zwischenprodukt nach einem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschichten 20, 36, 44 und 52. Dies geschieht durch Ätzen des mindestens einen Materials der Opferschichten 20, 36, 44 und 52 mittels eines Ätzmediums, welches über mindestens einen senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Ätzkanalzugang 66a und/oder mindestens einen parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Ätzkanal 66b in das spätere Innenvolumen 56 geleitet wird. Vorzugsweise wird dabei, zumindest bereichsweise, die Ätzmaskenschicht 16 ebenfalls geätzt.
  • Sofern gewünscht, kann dazu das jeweilige Ätzmedium über mindestens einen durch die Rahmenstruktur 12 verlaufenden und parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Ätzkanal 66b direkt in den späteren Hohlraum 68 geleitet werden. Die Rahmenstruktur 12 und/oder der Isolierbereich 32 können so gestaltet sein, dass sie auch den parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Ätzkanal 66b zumindest bereichsweise begrenzen. Mittels der mindestens einen in der Substratoberfläche 10a ausgebildeten Vertiefung 14 kann eine schnelle flächige Verteilung des jeweiligen Ätzmedium bewirkt werden, wodurch der in 1F bildlich wiedergegebene Ätzprozess beschleunigbar ist. Das Ätzmedium ist vorzugsweise ein gasförmiges Ätzmedium, wie beispielsweise Fluorwasserstoff-Dampf (HF-Dampf). Sofern die Opferschichten 20, 36, 44 und 52 und die Ätzmaskenschicht 16 aus Siliziumdioxid sind, werden sie mittels Fluorwasserstoff-Dampf vergleichsweise schnell geätzt, während der Fluorwasserstoff-Dampf gegenüber dem siliziumreichen Siliziumnitrid des mindestens einen Isolierbereichs 32 und der mindestens einen Ätzstoppschicht 34 eine vernachlässigbar geringe Ätzrate aufweist.
  • Mittels des zumindest teilweisen Entfernens der Opferschichten 20, 36, 44 und 52 und evtl. der Ätzmaskenschicht 16 wird die Membran 58 so freigestellt, dass deren Membraninnenseite 58a das zumindest teilweise freigelegte Innenvolumen 56 begrenzt. Somit ist/wird die Membran 58 bei einem Druckunterschied ungleich Null zwischen einem auf einer von dem Innenvolumen 56 weg gerichteten Membranaußenseite 58b der Membran 58 vorliegenden Druck und einem in dem Innenvolumen 56 vorliegenden Referenzdruck verwölbbar/verwölbt, wodurch die mindestens eine an der Membraninnenseite 58a aufgehängte erste Elektrode 46 verstellbar ist/verstellt wird. Das in 1F dargestellte mikromechanische Bauteil kann somit vorteilhaft für Druckmessungen eingesetzt werden.
  • Mittels des hier beschriebenen Ätzprozesses wird durch Entfernen des von der Rahmenstruktur 12 umrahmten Teilbereich 20b der ersten Opferschicht 20 und evtl. der Ätzmaskenschicht 16 auch ein Hohlraum 68 geschaffen, welchen die Rahmenstruktur 12 umrahmt. Wie in 1F erkennbar ist, wird bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 derart direkt oder indirekt an der Rahmenstruktur 12 befestigt, dass die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 den Hohlraum 68 zumindest teilweise so überspannt, dass über die mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 ausgebildete Öffnung 38a mindestens ein Gas zwischen dem Hohlraum 68 und dem Innenvolumen 56 transferierbar ist. Ausgasende Stoffe, wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff (z.B. ausgegast aus TEOS, Tetraethylorthosilicat), Dotierstoffe und sich bildende kohlenstoffhaltige Gase, wie insbesondere Methan oder Ethan, können sich somit aus dem Innenvolumen 56 über die mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 ausgebildete Öffnung 38a in den Hohlraum 68, und damit in einem größeren Volumen, verteilen. Mittels der mindestens einen an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 ausgebildeten Öffnung 38a und des Hohlraums 68 ist damit eine „Volumenvergrößerung“ eines zur Ausbreitung des mindestens einen Gases zur Verfügung stehenden Volumens erreicht. Aufgrund der „Volumenvergrößerung“ führt eine gleiche Menge an ausgasenden/diffundierenden Stoffen zu einer geringeren Änderung des Referenzdrucks in dem Innenvolumen 56 und dem Hohlraum 68. Ausgasungs-/Diffusionseffekte in/innerhalb des Innenvolumens 56, wie sie insbesondere bei höheren Temperaturen auftreten, haben deshalb kaum einen Einfluss, bzw. einen signifikant geringeren Einfluss, auf die Präzision/Langzeitstabilität der mittels der verwölbbaren Membran 58 ausgeführte Druckmessungen. Weiter ist es möglich über die Anzahl, Form und Tiefe der in eine Substratoberfläche 10a des Substrats 10 eingebrachten Vertiefungen 14, eine zusätzliche „Volumenvergrößerung“ zu erreichen.
  • Ausgasungs-/Diffusionseffekte führen bei herkömmlichen Drucksensoren häufig zu einer Erhöhung des (Referenz-)Drucks in einem von einer Membran überspannten Hohlraum des jeweiligen Drucksensors und damit zu einer Veränderung der Sensorkennlinie, bzw. zu einer Drift von Sensorsignalen, des jeweiligen Drucksensors. Demgegenüber ist bei dem mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellten mikromechanischen Bauteil durch die „Volumenvergrößerung“ eine Abschwächung der Auswirkungen von Ausgangseffekten erreicht. Entsprechend führen die ausgasenden Stoffe zu einer Beeinträchtigung, bzw. nur zu einer signifikant geringeren Beeinträchtigung, einer Sensorfunktion bzw. der Sensorkennlinie und/oder zu einer signifikant geringeren Beeinträchtigung der Stabilität/Langzeitstabilität eines Sensorsignals bei einem Ausführen von Druckmessungen mittels der verwölbbaren Membran 58.
  • 2A und 2B zeigen schematische Querschnitte durch Zwischenprodukte zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
  • Wie in 2A bildlich wiedergegeben ist, kann nach dem Strukturieren der vierten Opferschicht 52 und vor dem Abscheiden der Membranschicht 64 zuerst die mindestens eine durch die vierte Opferschicht 52 durchgehende Strukturierung/Aussparung und/oder die mindestens eine optional an der Oberseite der vierten Opferschicht 52 eingebrachte Vertiefung vollständig durch Abscheiden eines mindestens gleichen Materials 70 wie das der spätere Membranschicht 64 gefüllt werden. Danach kann weiter ein chemischmechanischer Polierschritt ausgeführt werden, mit dessen Hilfe zumindest bereichsweise das mindestens eine gleiche Material 70 derart von der Oberfläche entfernt wird, dass die vierte Opferschicht 52 zumindest bereichsweise wieder freigelegt wird und eine plane Oberfläche erzeugt wird, bevor die Membranschicht 64 auf der vierten Opferschicht 52 abgeschieden wird (siehe 2B). Mittels der hier beschriebenen Verfahrensschritte können Unstetigkeiten, Stufen oder unregelmäßige Topographien in der späteren Membranschicht 64 verhindert werden.
  • Bezüglich weiterer Verfahrensschritte des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens und seiner Vorteile wird auf die vorausgehende Ausführungsform der 1A bis 1F verwiesen.
  • 3A bis 3C zeigen schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
  • Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird das spätere mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mit mindestens einer in dem Innenvolumen 56 vorliegenden zweiten Elektrode 72 und mit mindestens einer in dem Innenvolumen 56 vorliegenden zweite Gegenelektrode 74 ausgebildet. Dabei wird die mindestens eine zweite Elektrode 72 über die mindestens eine Aufhängestruktur 60 derart an der Membraninnenseite 58a der Membran 58 aufgehängt, dass die mindestens eine zweite Elektrode 72 wie die mindestens eine erste Elektrode 46 mittels einer Verwölbung der Membran 58 verstellbar ist/verstellt wird. Die mindestens eine zweite Gegenelektrode 74 wird auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindestens einen zweiten Elektrode 72 so angeordnet, dass eine Stellung, Lage und/oder Position der mindestens einen zweiten Gegenelektrode 74 in Bezug zu der mindestens einen zweiten Elektrode 72 durch eine Verwölbung der Membran 58 nicht beeinträchtigt wird.
  • Wie in 3A erkennbar ist, werden die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 und die mindestens eine zweite Elektrode 72 aus der ersten Elektrodenschicht 40 gebildet. Die mindestens eine erste Elektrode 46 und die mindestens eine zweite Gegenelektrode 74 werden aus der zweiten Elektrodenschicht 48 gebildet. Außerdem wird die Membran 58 mittels mindestens eines Membranisolierbereichs 76 aus dem mindestens einen und/oder mindestens einem weiteren elektrisch-isolierenden Material von den aus der ersten Elektrodenschicht 40 und der zweiten Elektrodenschicht 48 gebildeten Komponenten 38, 42a, 46, 50, 50a und 74 zumindest bereichsweise elektrisch isoliert. Mit Hilfe der Elektrodenschicht 40, der Elektrodenschicht 48 und Kontaktlochstrukturen in dem Isolationsbereich 34 und dem Membranisolationsbereich 76 können weiter separate/separierte elektrische Kontaktierungsstrukturen hergestellt werden, welche eine elektrische Kontaktierung der Membranschicht 64 und der Membran 58 über zumindest eine Leiterbahn 30 ermöglichen. Das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Membranisolierbereichs 76 hat vorzugsweise jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S·cm-1, bzw. einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108 Ω·cm. Vorteilhaft ist es auch, wenn das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Membranisolierbereichs 76 gegenüber dem später eingesetzten Ätzmedium eine Ätzrate aufweist, welche um zumindest einen Faktor 2 kleiner als die Ätzrate des jeweiligen Ätzmediums für das mindestens eine Material der ersten Opferschicht 20 ist. Das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Membranisolierbereichs 76 kann beispielsweise siliziumreiches Siliziumnitrid sein. In dem hier beschriebenen Beispiel wird der mindestens eine Membranisolierbereich 76 auf der zweiten Elektrodenschicht 48 abgeschieden.
  • Vorzugsweise ist vor dem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschichten 20, 36, 44 und 52 ein erster Ausgangsabstand a zwischen der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 und der mindestens einen ersten Elektrode 46 größer als ein zweiter Ausgangsabstand b zwischen der mindestens einen zweiten Elektrode 72 und der mindestens einen zweiten Gegenelektrode 74. Auf die Gründe für eine entsprechende Wahl der Ausgangsabstände a und b wird unten noch eingegangen.
  • 3B zeigt ein Zwischenprodukt nach dem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschichten 20, 36, 44 und 52. Erkennbar ist, dass das mikromechanische Bauteil eine Differentialkondensatorstrukturanordnung mit zwei planparallelen Plattenkondensatorstrukturen C1 und C2 aufweist, wobei die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 und die mindestens eine erste Elektrode 46 die erste Plattenkondensatorstruktur C1 und die mindestens eine zweite Elektrode 72 und die mindestens eine zweite Gegenelektrode 74 die zweite Plattenkondensatorstruktur C2 realisieren. Bei einer Einwölbung der Membran 58 in das Innenvolumen 56 erhöht sich die Kapazität der ersten Plattenkondensatorstruktur C1, während die Kapazität der zweiten Plattenkondensatorstruktur C2 abnimmt. Verschaltet man die Kondensatorstrukturen C1 und C2 in einer Wheatstone'schen Brückenanordnung zu einer Halbbrücke, so erhält man aufgrund der Differenzbildung eine deutlich empfindlichere Druckmessung.
  • Bei einem in 3C bildlich wiedergegebenen Verschluss des mindestens einen Ätzkanalzugangs 66a mittels mindestens einer Abdichtung 78 wird der Referenzdruck, in der Regel ein Unterdruck, in dem Innenvolumen 56 eingeschlossen. Dies führt dazu, dass die Membran 58 durch einen umgebenden Ausgangsdruck p0, wie beispielsweise dem Atmosphärendruck, bereits ausgelenkt wird. Damit wird, wie mittels den gestrichelten Linien 79 wiedergegeben ist, bei der ersten Plattenkondensatorstruktur C1 ein Abstand zwischen der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 und der mindestens einen ersten Elektrode 46 ausgehend von dem ersten Ausgangsabstand a um eine Differenz x verringert und bei der zweiten Plattenkondensatorstruktur C2 ein Abstand zwischen der mindestens einen zweiten Elektrode 72 und der mindestens einen zweiten Gegenelektrode 74 ausgehend von dem zweitem Ausgangsabstand b um die Differenz x vergrößert. Durch eine geeignete Wahl der Ausgangsabstände a und b kann somit sichergestellt werden, dass bei dem jeweiligen Ausgangsdruck p0 die Kapazitäten der Plattenkondensatorstrukturen C1 und C2 gleich sind.
  • Bezüglich weiterer Verfahrensschritte des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens und seiner Vorteile wird auf die vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen der 1 und 2 verwiesen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das in 4 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil für eine Sensorvorrichtung umfasst ein Substrat 10, mindestens eine erste Gegenelektrode 38, mindestens eine auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Gegenelektrode 38 verstellbar angeordneten ersten Elektrode 46 und eine direkt oder indirekt an dem Substrat 10 befestigte Kondensatorabdichtstruktur 54, welche ein Innenvolumen 56 mit der mindestens einen darin vorliegenden ersten Gegenelektrode 38 und der mindestens einen darin vorliegenden ersten Elektrode 46 gasdicht abdichtet. Außerdem ist die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 direkt oder indirekt an einer direkt oder indirekt an dem Substrat 10 befestigten Rahmenstruktur 12 befestigt, wobei die Rahmenstruktur 12 einen Hohlraum 68 umrahmt, und die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 den Hohlraum 68 zumindest teilweise so überspannt, dass über mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode 38 ausgebildete Öffnung 38a mindestens ein Gas zwischen dem Hohlraum 68 und dem Innenvolumen 56 transferierbar ist. Damit weist auch das mikromechanische Bauteil die oben beschriebenen Vorteile auf.
  • Als vorteilhafte Weiterbildung kann das mikromechanische Bauteil auch die mindestens eine zweite Elektrode 72, die mindestens eine zweite Gegenelektrode 74 und den mindestens einen Membranisolierbereich 76 aufweisen. Der mindestens eine Membranisolierbereich 76 kann z.B. nach dem Abscheiden des Materials 70 und dem optionalen chemisch-mechanischen Polierschritt zum zumindest bereichsweisen Freilegen der vierten Opferschicht 52 abgeschieden werden, so dass der mindestens eine Membranisolierbereich 76 zumindest bereichsweise zwischen mindestens einem Teilbereich 50 und 50a und der Membranschicht 64 liegt.
  • Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4 und ihrer Vorteile wird auf die vorausgehenden Ausführungsformen der Herstellungsverfahren der 1 bis 3 verwiesen.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Wie in 5 erkennbar ist, kann der mindestens eine Membranisolierbereich 76 auch jeweils in einer durch die vierte Opferschicht 52 durchgehenden und mit dem Material 70 nicht vollständig aufgefüllten Strukturierung ausgebildet sein/werden.
  • Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5 und ihrer Vorteile wird auf die vorausgehende Ausführungsform der 4 und die Herstellungsverfahren der 1 bis 3 verwiesen.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mikromechanische Bauteil der 6 ist mit einem von der Kondensatorabdichtstruktur 54 getrennt ausgebildeten separaten Verankerungsbereich 80 der mindestens einen zweiten Gegenelektrode 74 ausgebildet. (Die mindestens eine erste Elektrode 46 ist nicht an dem separaten Verankerungsbereich 80 mechanisch und/oder elektrisch angebunden.) Auf diese Weise kann auf die Ausbildung des mindestens einen Membranisolierbereichs 76 verzichtet werden. Bei der Ausführungsform der 6 werden somit alle Verankerungsbereiche der Elektrodenschichten 40 und 48 und die der Membranschicht 64 zumindest bereichsweise auf der Ätzstoppschicht 34 vorgesehen und durch die Ätzstoppschicht 34 lateral voneinander isoliert ausgeführt. Über Leiterbahnen 30 und entsprechende Kontaktlochstrukturen in der Ätzstoppschicht 34 kann eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Verankerungsbereiche erfolgen.
  • Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 6 und ihrer Vorteile wird auf die vorausgehenden Ausführungsformen der 4 und 5 und die Herstellungsverfahren der 1 bis 3 verwiesen.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mikromechanische Bauteil der 7 weist als optionale Weiterbildung noch mindestens eine in dem Innenvolumen 56 vorliegende zweite Gegenelektrode 82 auf, welche auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindestens einen ersten Elektrode 46 direkt oder indirekt an der Kondensatorabdichtstruktur 54 und/oder dem Substrat 10 befestigt ist. Vorzugsweise ist die mindestens eine zweite Gegenelektrode 82 mit mindestens einer die Gegenelektrode 82 durchdringenden/durchgehenden Aussparung 82a ausgebildet, durch welche die mindestens eine an der Membran 58 mechanisch und elektrisch leitfähig befestigte Aufhängestruktur 60 der ersten Elektrode 46 geführt ist. Auch das mikromechanische Bauteil der 7 hat damit eine Differentialkondensatorstrukturanordnung mit zwei parallelen Plattenkondensatorstrukturen C1 und C2, wobei die mindestens eine erste Gegenelektrode 38 und die mindestens eine erste Elektrode 46 die erste Plattenkondensatorstruktur C1 und die mindestens eine erste Elektrode 46 und die mindestens eine zweite Gegenelektrode 82 die zweite Plattenkondensatorstruktur C2 realisieren. Bei einer Einwölbung der Membran 58 erhöht sich die Kapazität der ersten Plattenkondensatorstruktur C1, während die Kapazität der zweiten Plattenkondensatorstruktur C2 abnimmt. Mittels einer Verschaltung der Kondensatorstrukturen C1 und C2 in einer Wheatstone'schen Brückenanordnung zu einer Halbbrücke kann aufgrund der Differenzbildung eine deutlich empfindlichere Druckmessung ermöglicht werden. Die Empfindlichkeit der Druckmessung kann weiter gesteigert werden, wenn zwei derart gleich aufgebaute Drucksensoren zu einer wheatston'schen Vollbrücke verschaltet werden. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit können hier optional die jeweiligen Innenvolumen 56 derart miteinander verbunden werden, dass ein Druckausgleich zwischen den Innenvolumen stattfinden kann.
  • Die mindestens eine zweite Gegenelektrode 82 ist aus einer dritten Elektrodenschicht 84 gebildet. Unter der dritten Elektrodenschicht 84 ist eine Halbleiter- und/oder Metallschicht zu verstehen. Die dritte Elektrodenschicht 84 kann beispielsweise eine Polysiliziumschicht 84 sein. Außerdem ist die Membran 58 mittels des mindestens einen Membranisolierbereichs 76 von der mindestens einen aus der dritten Elektrodenschicht 84 gebildeten Komponente 82 elektrisch isoliert.
  • Weiter können sich zumindest im Bereich der Membraneinspannung 62 und/oder zumindest im Bereich der Kontaktstelle zwischen Aufhängestruktur 60 und der Membran 58 mit einem zusätzlichen Material aufgefüllte Vertiefungen in der vierten Opferschicht 52 befinden, welche zur lokalen Reduzierung des Eintrags eines mechanischen Stresses in die Membran 58 bei einer Druckbeaufschlagung der Membran 58 dienen können und zur Erhöhung der Membranstabilität beitragen können. Bei dem zusätzlichen Material kann es sich beispielsweise um eine Halbleiter- und/oder Metallschicht handeln.
  • Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 7 und ihrer Vorteile wird auf die vorausgehenden Ausführungsformen der 4 bis 6 und die Herstellungsverfahren der 1 bis 3 verwiesen.
  • Alle oben erläuterten Ausführungsformen können als ihre mindestens eine Siliziumschicht jeweils mindestens eine Polysiliziumschicht aufweisen. Die mindestens eine Siliziumschicht/Polysiliziumschicht kann insbesondere dotiert sein um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Da zur Dotierung der mindestens einen Siliziumschicht/Polysiliziumschicht Standardverfahren ausgeführt werden können, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004043356 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit: einem Substrat (10); mindestens einer ersten Gegenelektrode (38), welche direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigt ist; und mindestens einer auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Gegenelektrode (38) verstellbar angeordneten ersten Elektrode (46); und einer direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigten Kondensatorabdichtstruktur (54), welche ein Innenvolumen (56) mit der mindestens einen darin vorliegenden ersten Gegenelektrode (38) und der mindestens einer darin vorliegenden ersten Elektrode (46) gasdicht abdichtet; dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) direkt oder indirekt zumindest an einer direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigten Rahmenstruktur (12) befestigt ist, wobei die Rahmenstruktur (12) einen Hohlraum (68) umrahmt, und die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) den Hohlraum (68) zumindest teilweise so überspannt, dass über mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode (38) ausgebildete Öffnung (38a) mindestens ein Gas zwischen dem Hohlraum (68) und dem Innenvolumen (56) transferierbar ist.
  2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Vertiefung (14) in eine an dem Hohlraum (68) innerhalb der Rahmenstruktur (12) angrenzende Substratoberfläche (10a) des Substrats (10) strukturiert ist.
  3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine direkt oder indirekt zumindest an der Rahmenstruktur (12) befestigte erste Gegenelektrode (38) mittels mindestens eines aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material gebildeten Isolierbereichs (32), welcher innerhalb der Rahmenstruktur (12) und/oder zwischen der Rahmenstruktur (12) und der mindestens einen ersten Gegenelektrode (38) angeordnet oder ausgebildet ist, von der Rahmenstruktur (12) und/oder dem Substrat (10) elektrisch isoliert ist.
  4. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorabdichtstruktur (54) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Elektrode (46) eine aufgespannte Membran (58) umfasst, deren Membraninnenseite (58a) das Innenvolumen (56) begrenzt und welche bei einem Druckunterschied ungleich Null zwischen einem auf einer von dem Innenvolumen (56) weg gerichteten Membranaußenseite (58b) der Membran (58) vorliegenden Druck und einem in dem Innenvolumen (56) vorliegenden Referenzdruck verwölbbar ist, wodurch die mindestens eine an der Membraninnenseite (58a) der Membran (58) aufgehängte und mit der Membran (58) elektrisch verbundene erste Elektrode (46) verstellbar ist.
  5. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine erste Elektrode (46) über mindestens eine an der Membraninnenseite (58a) befestigte Aufhängestruktur (60) an der Membraninnenseite (58a) aufgehängt und mit der Membran (58) elektrisch verbunden ist, und wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen (56) vorliegende zweite Elektrode (72) aufweist, welche ebenfalls über die mindestens eine Aufhängestruktur (60) derart an der Membraninnenseite (58a) aufgehängt und mit der Membran (58) elektrisch verbunden ist, dass die mindestens eine zweite Elektrode (72) wie die mindestens eine erste Elektrode (46) mittels einer Verwölbung der Membran (58) verstellbar ist, und wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen (56) vorliegenden zweite Gegenelektrode (74) aufweist, welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindestens einen zweiten Elektrode (72) angeordnet ist.
  6. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) und die mindestens eine zweite Elektrode (72) aus einer ersten Elektrodenschicht (40) gebildet sind und die mindestens eine erste Elektrode (46) und die mindestens eine zweite Gegenelektrode (74) aus einer zweiten Elektrodenschicht (48) gebildet sind, und wobei die Membran (58) mittels mindestens eines Membranisolierbereichs (76) aus dem mindestens einen und/oder mindestens einem weiteren elektrisch-isolierenden Material von den aus der zweiten Elektrodenschicht (48) gebildeten Komponenten (46, 50, 50a, 74) elektrisch isoliert ist.
  7. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine erste Elektrode (46) über mindestens eine an der Membraninnenseite (38a) befestigte Aufhängestruktur (60) an der Membraninnenseite (38a) aufgehängt und mit der der Membran (58) elektrisch verbunden ist, und wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens eine in dem Innenvolumen (56) vorliegende zweite Gegenelektrode (82) aufweist, welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindestens einen ersten Elektrode (46) direkt oder indirekt an der Kondensatorabdichtstruktur (54) und/oder dem Substrat (10) befestigt ist, und welche mindestens eine durchgehende Aussparung (82a) aufweist, durch welche die mindestens eine Aufhängestruktur (60) der ersten Elektrode (46) geführt ist.
  8. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) aus einer ersten Elektrodenschicht (40) gebildet ist, die mindestens eine erste Elektrode (46) aus einer zweiten Elektrodenschicht (48) gebildet ist und die mindestens eine zweite Gegenelektrode (82) aus einer dritten Elektrodenschicht (84) gebildet ist, und wobei die Membran (58) mittels mindestens eines Membranisolierbereichs (76) aus dem mindestens einen und/oder mindestens einem weiteren elektrisch-isolierenden Material von der mindestens einen aus der dritten Elektrodenschicht (84) gebildeten Gegenelektrode (82) elektrisch isoliert ist.
  9. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, 6 oder 8, wobei das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs (32) und/oder des mindestens einen Membranisolierbereichs (76) jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S·cm-1 und/oder einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108 Ω-cm aufweist.
  10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Schritten: Befestigen mindestens einer ersten Gegenelektrode (38) direkt oder indirekt an einem Substrat (10); Anordnen mindestens einer verstellbaren ersten Elektrode (46) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der mindesten einen ersten Gegenelektrode (38); und Bilden einer direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigten Kondensatorabdichtstruktur (54), welche ein Innenvolumen (56) mit der mindestens einen darin vorliegenden ersten Gegenelektrode (38) und der mindestens einen darin vorliegenden ersten Elektrode (46) gasdicht abdichtet; gekennzeichnet durch die Schritte, dass eine Rahmenstruktur (12), welche einen Hohlraum (68) umrahmt, direkt oder indirekt an dem Substrat (10) befestigt wird; und die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) derart direkt oder indirekt zumindest an der Rahmenstruktur (12) befestigt wird, dass die mindestens eine erste Gegenelektrode (38) den Hohlraum (68) zumindest teilweise so überspannt, dass über mindestens eine an und/oder in der mindestens einen ersten Gegenelektrode (38) ausgebildete Öffnung (38a) mindestens ein Gas zwischen dem Hohlraum (68) und dem Innenvolumen (56) transferierbar ist.
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