Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung einer beweglichen Komponente eines mikromechanischen Bauelementes an einer weiteren feststehenden oder beweglichen Komponente des Bauelementes. Das Verfahren betrifft auch ein mikromechanisches Bauelement, das durch die Anwendung des Verfahrens erhalten wird.

Mikromechanische Bauelemente werden heutzutage für viele Anwendungen eingesetzt, bei denen miniaturisierte, mechanische oder elektromechanische Funktionen auf

kleinstem Raum erforderlich sind. Bei einer Vielzahl von mechanischen Mikrosystemen für Sensor- und Aktoranwendungen weisen die mikromechanischen Bauelemente mindestens ein beweglich ausgelegtes Strukturelement auf, das über eine oder mehrere elastische Verbindungen an einem Grundkörper oder einer anderen feststehenden Struktur des Bauelementes befestigt ist. Beispiele sind kapazitive Beschleunigungs- sensoren oder elektrostatische Aktoren für Schalt- oder Regelvorgänge. Bei derartigen Bauelementen werden kleinste Spaltbreiten zwischen dem beweglichen Strukturelement und einem feststehenden Gegenelement bei möglichst großer

Elektrodenfläche an den jeweils gegenüber liegenden

Elementen benötigt.

Figur 1 zeigt zur Veranschaulichung eine Struktur eines mikromechanischen Bauelementes mit kapazitivem

Wandlerprinzip in Draufsicht (Figur la) und im Querschnitt (Figur lb) . Das feststehende Strukturelement 2 stellt eine Elektrode dar, die fest mit dem nicht dargestellten

Grundkörper verbunden ist. Ein bewegliches Strukturelement 1, das ebenfalls als Elektrode ausgebildet ist, ist über zwei Federelemente 8 an einer Ankerstruktur 7 aufgehängt, die fest mit dem Grundkörper verbunden ist. Die beiden Elektroden bzw. Strukturelemente 1, 2 sind durch einen Spalt 3 voneinander beabstandet, dessen minimale

Spaltbreite durch die Herstellungstechnologie begrenzt ist. Bei der Herstellung eines derartigen Bauelementes lassen sich derartige Spalte als Gräben in einem Substrat nur mit einem begrenzten Aspektverhältnis erzeugen. Unter dem

Aspektverhältnis versteht man das Verhältnis von

Grabentiefe zu Grabenbreite, im vorliegenden Beispiel das Verhältnis zwischen Ätztiefe des Spaltes 3 zur Spaltbreite. Die Ätztiefe ist in der Figur lb erkennbar. Zur

Vergrößerung der Elektrodenflächen sind die sich gegenüber liegenden beweglichen und feststehenden Strukturelemente häufig mit Kammstrukturen versehen, die unter Wahrung des Spaltabstandes ineinander greifen.

Die technologischen Möglichkeiten zur Maximierung des Aspektverhältnisses bei der Herstellung mikromechanischer Bauelemente lassen kaum bzw. mit sehr hohem Aufwand eine weitere Verringerung der Spaltbreite zu. Daher wurde und wird nach Lösungen gesucht, den elektrisch wirksamen Spalt zwischen den Strukturelementen erst nach der Herstellung der Grundstrukturen des mikromechanischen Bauelementes zu verringern . Eine derartige nachträgliche Spalteinstellung umgeht auch das Problem, dass zur Erreichung einer hohen

Strukturqualität bei der Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes, besonders bei Strukturen mit sehr hohem Aspektverhältnis, die Grabenbreiten aus technologischer Sicht möglichst im gesamten Bauelement gleich sein sollten. Bedingt durch Transportphänomene

(Teilchendiffusion in der Gasphase bei Plasma-basierten Ätzprozessen) können ansonsten die Ätzgeschwindigkeiten sehr unterschiedlich sein, was zu verschiedensten Strukturtoleranzen führt. Andererseits sind funktionsbedingt für mikromechanische Sensoren bzw. Aktoren oftmals sehr

unterschiedliche Spaltbreiten in einem Bauelement

gewünscht. Eine bewegliche Elektrodenplatte beispielsweise, die elektrostatisch gegen eine feststehende Elektrode gezogen werden soll, aber auf beiden Seiten im gleichen Abstand feststehende Gegenelektroden vorfindet, wird sich mehr oder weniger zufällig in die eine oder andere Richtung bewegen. Um eine Vorzugsrichtung zu definieren, ist

demzufolge eine Asymmetrie erwünscht, die durch

unterschiedliche Spaltbreiten auf beiden Seiten des

beweglichen Elementes erreicht werden kann. Mit einer nachträglichen Einstellung bzw. Veränderung der Spaltbreite lässt sich eine derartige Struktur dennoch zunächst mit der aus technologischer Sicht günstigen gleichen Grabenbreite erzeugen.

Stand der Technik

Zur nachträglichen dauerhaften Einstellung einer gegenüber dem Herstellungsprozess veränderten Spaltbreite zwischen einem beweglichen und einem feststehenden

Strukturelement in einem mikromechanischen Bauelement sind bereits unterschiedliche Lösungen bekannt. So schlägt die DE 102004058103 B4 eine Methode vor, bei der das mit dem beweglichen Strukturelement verbundene Federelement mit einer Vorspannung versehen wird, die das bewegliche

Strukturelement nach der Herstellung der Strukturen des mikromechanischen Bauelementes in die gewünschte neue

Ruhelage bringt. Hierdurch kann die Spaltbreite zwischen diesem und einem feststehenden Gegenelement gegenüber dem Herstellungsprozess der Strukturen gezielt verringert werden . M. Nowack et al . , „Novel Post-Process Gap Reduction

Technology of High Aspect Ratio Microstructures Utilizing

Microwelding" , Sensors and Actuators A:

http: //dx. doi . org/10.1016/j . sna.2011.12.026 , zeigen eine andere Methode, bei der das bewegliche Strukturelement über das Federelement mit einer zunächst beweglichen

Ankerstruktur verbunden ist. Das bewegliche Strukturelement wird dann über eine elektrostatische Kraft näher an das feststehende Gegenelement bewegt, um den gewünschten

Spaltabstand einzustellen. In dieser Position wird die Ankerstruktur durch Mikroschweißen an einer geeignet angeordneten feststehenden Struktur fixiert.

Die US 2006/0054983 AI, die WO 2012/020132 AI und die US 6211599 Bl zeigen Methoden, bei dem das bewegliche

Strukturelement nach der Herstellung durch mechanische

Zustellung näher an die feststehende Struktur gebracht und in dieser Position mit einem Ratschenmechanismus oder über eine bistabile Ausbildung der Zustellstruktur fixiert wird. Die DE 10 2008 040 854 AI offenbart ein Verfahren zur

Vergrößerung einer Arbeitsspaltbreite in einer

mikromechanischen Struktur, um vergleichsweise große

Arbeitsamplituden zu ermöglichen. Die mikromechanische Struktur weist zwei mäanderförmige Spalte auf, die zwischen inneren, feststehenden Strukturabschnitten und äußeren beweglichen Strukturabschnitten liegen. Zum Verbreitern von Spaltabschnitten wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch die die feststehenden Strukturabschnitte aufeinander zu bewegt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein federkraftunterstützter Verstellmechanismus realisiert werden .

Die DE 10 2010 002 545 AI befasst sich mit der

Fixierung einen kompletten Sensorchips auf einem Substrat, der elektrisch kontaktiert und mit einem Dichtungselement abgedichtet werden muss. Die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats, des Sensorchips und des Dichtungselements auftretenden

Belastungen am Sensorchip und die hierdurch verursachten Erfassungsfehler sollen dabei minimiert werden.

Bei den Varianten mit Ratschenmechanismus, bistabilen Zustellstrukturen sowie beim Einsatz mechanischer

Vorspannungen müssen spezielle zusätzliche Strukturen eingeführt werden, die zusätzlich Fläche verbrauchen.

Berücksichtigt man den Trend und die wirtschaftliche

Forderung nach immer kleineren Sensoren, so sind diese Methoden langfristig nicht zielführend. Demgegenüber ist der zusätzliche Flächenverbrauch beim Einsatz des lokalen Mikroschweißens vergleichsweise gering. Allerdings werden für eine möglichst parallele Zustellbewegung mindestens vier Pads für das Aufsetzen von Sondennadeln zur elektrischen Initiierung des Schweißvorganges sowie

entsprechende Anschlagstrukturen benötigt. Da für eine

Vielzahl von Sensoren differentielle Signale ausgewertet werden, d. h. bei Auslenkung einer Sensormasse wird ein sich vergrößerndes Signal mit einem sich verkleinernden Signal verglichen, verdoppelt sich die Anzahl an

Zustellstrukturen zusätzlich. Weiterhin muss bei dieser Methode davon ausgegangen werden, dass auch bei

Vierfachaufhängung keine ideale Parallelführung in der Ebene zuverlässig möglich ist, da die lokalen

Schweißverbindungen unterschiedlich ausgebildet sein können. Dies führt zu unterschiedlichen Breiten der

Arbeitsspalte oder auch zu einer Strukturdrehung oder internen mechanischen Spannungen. Ein weiterer Nachteil aller bisher bekannten Methoden zur nachträglichen Spalteinstellung und Strukturfixierung bei einer Anwendung auf Strukturen mit hohem

Aspektverhältnis beruht darauf, dass die Strukturen in der Regel nicht ideal senkrecht in die Tiefe geätzt werden können. Wird bspw. bei einer 50 μιη tiefen Struktur eine

Abweichung des Ätzprofils von der Senkrechten von nur 0,1° zugelassen (Beispiel mit Aufweitung des Grabens in der Tiefe) und wird gegen eine feste Struktur gedrückt

(Anschläge bzw. Stopper) , welche die gleiche Abweichung von der Senkrechten, allerdings in negativer Richtung aufweist, dann ist das bewegliche Strukturelement bei einer Länge von 500 μπι bestrebt, sich an den Anschlag bzw. Stopper

anzulegen und somit zu verkippen. Dies kann zwar bei einer Vierfachaufhängung unterdrückt werden, allerdings wird dabei das gesamte Strukturelement einer internen Spannung ausgesetzt .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur nachträglichen Fixierung von zwei

Komponenten eines mikromechanischen Bauelementes anzugeben, mit dem sich die Spaltbreite zwischen zwei

Strukturelementen des Bauelementes nach der technologischen Herstellung der Strukturen mit geringem Aufwand dauerhaft neu einstellen lässt. Das Verfahren soll sich vor allem für mikromechanische Bauelemente einsetzen lassen, in denen sehr kleine Spaltbreiten bzw. Spalte mit einem sehr hohen Aspektverhältnis zwischen den beiden Strukturelementen erzeugt werden sollen. Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 7 und 8 geben mikromechanische Bauelemente an, bei denen mindestens eine bewegliche Komponente gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren an einer feststehenden oder ebenfalls beweglichen

Komponente fixiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der mikromechanischen Bauelemente sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine erste bewegliche Komponente eines mikromechanischen Bauelementes an einer zweiten feststehenden oder beweglichen Komponente des Bauelementes fixiert, wobei sich eine Seitenfläche der ersten und eine Seitenfläche der zweiten Komponente

gegenüberliegen. Hierzu wird bei der Fertigung des

Bauelementes auf einer an die Seitenfläche angrenzenden Seite der ersten und/oder zweiten Komponente eine mit einem Schichtbereich über die Seitenfläche überstehende Schicht erzeugt. Die beiden Seitenflächen stoßen vorzugsweise bei der Fixierung aneinander. Dies ist aber nicht in jedem Fall erforderlich. Die angrenzenden Seiten stehen vorzugsweise jeweils im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen, wie dies bspw. beim Ätzen von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in Siliziumsubstraten (deep Silicon etch) erreicht wird. Unter der Fertigung des Bauelementes sind die Schritte zur Herstellung der Strukturen des Bauelementes, wie bspw. das Ätzen von Gräben oder die Aufbringung von Schichten zu verstehen. Die Begriffe „beweglich" oder „feststehend" beziehen sich jeweils auf den Grundkörper des Bauelementes, d.h. in der Regel auf das Substrat, in dem die Strukturen bzw. Komponenten des Bauelementes erzeugt wurden. Eine feststehende Komponente oder ein feststehendes Element ist daher starr mit diesem Grundköper verbunden.

Zur Fixierung der ersten beweglichen Komponente an der zweiten Komponente wird die erste Komponente so gegen die zweite Komponente bewegt, dass sich der an einer Komponente überstehende Schichtbereich über die an die Seitenfläche angrenzende Seite der anderen Komponente schiebt oder sich - im Falle einer überstehenden Schicht auf beiden

Komponenten - beide überstehenden Schichten übereinander schieben. Aufgrund der Adhäsion der Grenzflächen haftet der überstehende Schichtbereich an der darunter liegenden

Komponente oder die überstehenden Schichtbereiche

aneinander. Die Haftkraft ist bei entsprechender Dimension des überstehenden Schichtbereichs so groß, dass diese

Verbindung zwischen den beiden Komponenten für den

gewünschten Einsatzzweck des mikromechanischen Bauelements als permanent angesehen werden kann. Die Haftkraft ist in der Regel deutlich höher als bei mikromechanischen

Bauelementen auftretende Scherkräfte oder Kräfte, die ein Abheben und damit Lösen der aufliegenden Schicht gemeinsam mit der diese Schicht tragendem Komponente ermöglichen würden. Die überstehende Schicht kann dabei auch durch eine Schichtfolge von Schichten aus unterschiedlichen

Materialien gebildet sein.

Grundsätzlich sind die Haftkräfte zwischen zwei

Oberflächen verschiedener Körper umso größer, je näher sich die Oberflächen kommen können. So ist die Haftkraft

besonders hoch bei geringer Oberflächenrauheit , beim

Einsatz von weichem Material für zumindest eine der

Oberflächen sowie bei einem flexiblen dünnen Körper, der sich an die Oberflächentopologie des anderen Körpers anpassen kann. Da bei dem vorliegenden Verfahren die Schichtunterseite üblicherweise eine vergleichbar geringe Rauheit aufweist wie das Bulkmaterial der Komponente, über die die Schicht geschoben wird, ist die Voraussetzung für eine sehr hohe Haftkraft gegeben. Außerdem ist es von

Vorteil, dass sich dünnen Schichten durch ihre Elastizität der Oberfläche des Haftpartners anpassen können, so dass die effektive Kontaktfläche dadurch zusätzlich vergrößert wird. Die Herstellung mikromechanischer Bauelemente erfolgt in der Regel durch geeignete Abscheide-, Maskierungs- und Ätzschritte, um die gewünschten feststehenden und

freistehenden bzw. beweglichen Strukturen in einem Substrat zu erzeugen. Das Substrat und damit auch die beweglichen und feststehenden Komponenten oder Elemente können bspw. aus Silizium, Germanium, Siliziumkarbid oder Galliumarsenid bestehen. Auch andere Materialien sind selbstverständlich möglich. Die auf den zu verbindenden Komponenten

aufgebrachte Schicht kann aus isolierendem Material, wie bspw. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, aus leitfähigem Material, wie bspw. Aluminium, dotiertem Silizium oder Wolfram, oder auch aus einer Kombination von leitfähigen und nicht leitfähigen Materialien bestehen. Die

Schichtmaterialien sind nicht auf die obigen Beispiele beschränkt.

Die bei der Fertigung des Bauelementes auf den

Grundkörper bzw. das Substrat aufgebrachte Schicht wird so strukturiert, dass sie lediglich die gewünschte laterale Ausdehnung im Bereich über der jeweiligen Komponente aufweist, die erst anschließend durch lokales Ätzen des Substrates erzeugt wird. Durch Unterätzen dieser Schicht wird dann das Material der Komponente unterhalb der Schicht zusätzlich teilweise entfernt, bis der gewünschte Schichtüberstand erreicht ist. Selbstverständlich können auch andere Techniken zur teilweisen Entfernung des

Substratmaterials unter der Schicht eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die überstehende Schicht mit einer

Dicke von < 2 μπι und einem Überstand von < 5 μιιι auf der Komponente erzeugt . Dies ergibt dann nach der Fixierung eine Überlappungsbreite der überstehenden Schicht mit der anderen Komponente oder der Schicht von ebenfalls < 5 μηι.

Die Zustellung zur Bewegung der beweglichen ersten Komponente gegen die feststehende oder bewegliche zweite Komponente kann mit unterschiedlichen Techniken erfolgen, vorzugsweise jedoch durch elektrostatische Kräfte. Hierzu müssen geeignete Elektroden an den Komponenten oder mit diesen verbundenen Elementen angeordnet sein. Dies ist jedoch bei vielen Anwendungen des vorgeschlagenen

Verfahrens, insbesondere zur Einstellung der Spaltbreite zwischen Elektrodenstrukturen, bereits der Fall. Auch eine mechanische Zustellung ist möglich, bspw. durch äußere

Anregung von mechanischen Schwingungen im mikromechanischen Bauelement .

In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Stärke der Verbindung des überstehenden

Schichtbereiches an der darunter liegenden Komponente oder zwischen den überstehenden Schichtbereichen durch eine äußere Energieeinwirkung weiter erhöht, die eine lokale Materialwanderung an der Verbindung bewirkt. So kann bspw. durch eine Temperung des Bauelementes eine

Materialwanderung zwischen der Schicht und der Komponente, über die sie geschoben wurde, ausgelöst werden, durch die die Verbindungskraft bis zur chemischen Bindung (ionische Wechselwirkung) erhöht wird. Eine derartige Temperung, die häufig bereits Bestandteil des Herstellungsprozesses des mikromechanischen Bauelementes ist, erhöht somit die

Verbindungsstärke zusätzlich. Eine MaterialWanderung zwischen den in Kontakt stehenden Materialien zum Zwecke der Erhöhung der Verbindungskraft kann bspw. auch zu einer Legierungsbildung führen. Dies wird bspw. für den Fall einer Aluminiumschicht auf einem Siliziumkörper

(heterogenes System) durch Erhitzung auf Temperaturen ab ca. 400° C erreicht, bei der das Silizium in das Aluminium wandert. Auch Interdiffusions- und Elektromigrationseffekte führen sowohl bei heterogenen als auch bei homogenen

Materialkombinationen zu Materialwanderungen, welche die Haftkraft deutlich erhöhen. Für die Elektromigration muss ein elektrischer Strom durch die Grenzfläche zwischen den in Kontakt stehenden Partnern fließen. Für eine elektrisch isolierende Schicht kann zusätzlich zwischen den beiden Partnern auch ein elektrisch induziertes lokales

Mikroschweißen von Substratmaterial durchgeführt werden. Dabei muss gewährleistet sein, dass durch das

Substratmaterial, d.h. das Material der entsprechenden

Komponente, ein ausreichend hoher Strom fließt. Vorteilhaft ist hier gegenüber dem Stand der Technik, dass die ehemals bewegliche Komponente bereits durch die überlappende

Schicht fixiert wird und somit eine Lageänderung beim

Verschweißen weitgehend ausgeschlossen wird. Ähnlich dem elektrisch induzierten lokalen Mikroschweißen von

Substratmaterial kann auch das Laserschweißen eingesetzt werden. Da die zu verbindenden Partner durch die Haftkraft bereits fixiert sind, kann ein Laserstrahl mit relativ hoher Geschwindigkeit ein Verschmelzen der

unterschiedlichen Bereiche der Schicht miteinander und/oder mit dem Substratmaterial bzw. Material der Komponente bewirken. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das

vorgeschlagene Verfahren dazu genutzt, einen gewünschten Spaltabstand zwischen einem beweglichen Strukturelement und einem feststehenden Strukturelement nachträglich

einzustellen. Unter dem Spaltabstand ist hierbei der

Spaltabstand in der Ruhelage des beweglichen

Strukturelementes zu verstehen, das über eine oder mehrere elastische Verbindungen, beispielsweise über ein oder mehrere Federelemente, in dem mikromechanischen Bauelement aufgehängt ist. Beide über den Spalt voneinander

beabstandeten Strukturelemente können beispielsweise

Elektrodenflächen tragen oder bilden, so dass eine variable Kapazität erhalten wird. Das bewegliche Strukturelement ist hierbei über die elastischen Verbindungen mit der

beweglichen ersten Komponente verbunden, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren an einer feststehenden zweiten Komponente fixiert wird. Die feststehende zweite Komponente kann Teil des Grundkörpers des mikromechanischen Bauelementes sein oder ist starr mit diesem verbunden. Bei der feststehenden zweiten Komponente kann es sich auch um das zweite Strukturelement handeln, das fest mit dem

Grundkörper verbunden ist. Die bewegliche erste Komponente wird beispielsweise über elektrostatische Kräfte nach der Herstellung so bewegt bzw. zugestellt, dass der gewünschte Spaltabstand zwischen dem beweglichen Strukturelement und dem feststehenden Strukturelement erhalten wird. Die feststehende zweite Komponente und die bewegliche erste Komponente werden bei der Herstellung des Bauelementes so dimensioniert und angeordnet, dass diese beiden aneinander zu fixierenden Komponenten bei diesem gewünschten Spaltabstand gerade aneinander stoßen und sich dabei der an einer der Komponenten überstehende Schichtbereich über die andere Komponente schiebt oder - bei überstehenden

Schichten an beiden Komponenten - sich beide überstehenden Schichtbereiche übereinander schieben und damit beide

Komponenten aneinander fixiert sind. Auf diese Weise wird der Spaltabstand zwischen den Strukturelementen nach der Herstellung der Strukturen durch diese Zustellung und

Fixierung geändert bzw. eingestellt, insbesondere

verkleinert .

In gleicher Weise kann der Spaltabstand auch in einem Fall nachträglich geändert werden, in dem das bewegliche Strukturelement über einen oder mehrere elastische

Verbindungselemente, insbesondere Federelemente, am

Grundkörper befestigt ist. Das später feststehende

Strukturelement ist dann starr mit der beweglichen

Komponente verbunden, die entsprechend an einer

feststehenden Komponente fixiert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung wird mit dem

vorgeschlagenen Verfahren der Spaltabstand zwischen einem ersten beweglichen Strukturelement und zwei weiteren feststehenden Strukturelementen eingestellt, die fest mit dem Grundkörper verbunden sind. Hierzu wird das erste bewegliche Strukturelement aus zwei Komponenten gebildet, die anschließend gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durch Überschieben der überstehenden Schicht (en) aneinander fixiert werden. Die beiden Komponenten können dabei

beispielsweise nach dem Zusammenfügen die beiden

feststehenden Strukturelemente in einer Ebene rahmenartig umschließen. Durch das Zusammenfügen wird der Spalt

zwischen beiden Hälften des ersten Strukturelementes und dem jeweils gegenüberliegenden festen Strukturelement durch die Verbindung verkleinert. Beide Hälften sind dabei jeweils über Federelemente gelagert, so dass die

Bewegungsfähigkeit auch nach der Verbindung der beiden Hälften erhalten bleibt. Die feststehenden Strukturelemente können auch an anderer Stelle angeordnet sein, beispielsweise beidseitig des beweglichen Strukturelementes . Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht damit,

Einzelstrukturen bzw. Elemente eines mikromechanischen Bauelementes während des technologischen Herstellungs- prozesses mit Spaltbreiten zu erzeugen, die auf den

Fabrikationsprozess optimiert sind. Die für die Funktion gewünschte Arbeitsspaltbreite wird dann erst nachträglich eingestellt. Das Verfahren benötigt zur Verbindung der Strukturen keine zusätzlichen Komponenten wie bei

Ratschenanordnungen oder bistabilen Zustellstrukturen. Es können auch zwei bewegliche Komponenten miteinander

verbunden werden, die nicht ohne weiteres eine Sektorierung für die Erzeugung definierter Schweißpunkte zum

Mikroschweißen zulassen. Durch die Verbindung an der

Oberfläche können signifikante Kraftkomponenten in den verbundenen Komponenten senkrecht zur Oberfläche vermieden werden, wie sie beispielsweise bedingt durch von 90° abweichende Böschungswinkel bei anderen Lösungen auftreten können.

Eine Ausgestaltung eines mit dem Verfahren erhaltenen mikromechanischen Bauelementes weist damit zwei Komponenten auf, die durch eine Schicht dauerhaft und bestimmungsgemäß aneinander fixiert sind, wobei sich zwei Seitenflächen der beiden Komponenten gegenüber liegen. Die Schicht ist dabei in einer Ausgestaltung auf einer an die Seitenfläche der beiden Komponenten angrenzenden Seite einer der Komponenten ausgebildet, steht über die Seitenfläche über und ist mit dem überstehenden Schichtbereich über die an die

Seitenfläche angrenzende Seite der anderen Komponente geschoben. Unter der dauerhaften und bestimmungsgemäßen Fixierung wird dabei verstanden, dass die beiden Komponenten für den bestimmungsgemäßen Einsatz des

Bauelements aneinander fixiert bleiben. Die beiden

Komponenten sind dabei nur durch den überstehenden

Schichtbereich aneinander fixiert. In einer anderen

Ausgestaltung weisen beide Komponenten auf einer Seite entsprechende überstehende Schichtbereiche auf, die bei der Fixierung übereinander geschoben sind. An einer oder beiden Komponenten können dabei zusätzliche bewegliche

Strukturelemente über elastische Verbindungen,

beispielsweise Federn, befestigt sein.

Bei einer weiteren Ausgestaltung weist das mikromechanische Bauelement ein bewegliches Strukturelement auf, das aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist, wobei sich eine Seitenfläche der ersten und eine Seitenfläche der zweiten Komponente gegenüberliegen. Beide Komponenten sind dabei über eine Schicht gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren aneinander fixiert. Die Schicht kann dabei an der einen oder der anderen Komponente auf der an die Seitenfläche angrenzenden Seite aufgebracht sein, steht über die

Seitenfläche über und ist mit dem überstehenden

Schichtbereich über die andere Komponente geschoben. Auch beide Komponenten können eine entsprechende überstehende Schicht tragen, wobei dann die Fixierung durch Überschieben des einen über den anderen überstehenden Schichtbereich erfolgt .

In einer anderen Ausgestaltung ist eine der beiden über die Schicht aneinander fixierten Komponenten starr mit dem Grundkörper des Bauelementes verbunden. Die andere Komponente ist über eine oder mehrere elastische

Verbindungen mit einem ersten Strukturelement verbunden, das in der Ruhelage von einem zweiten Strukturelement durch einen Spalt beabstandet ist. Das zweite Strukturelement kann dabei starr oder über eine oder mehrere zweite

elastische Verbindungen mit dem Grundkörper verbunden sein. Bei einer weiteren Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelementes ist ebenfalls eine der beiden über die Schicht aneinander fixierten Komponenten starr mit dem Grundkörper des Bauelementes verbunden. Ein erstes Strukturelement ist starr mit der anderen Komponente verbunden. Ein zweites Strukturelement ist über eine oder mehrere elastische Verbindungen mit dem Grundkörper des Bauelements verbunden, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Strukturelement in Ruhelage des zweiten

Strukturelements ein definierter Spalt vorhanden ist.

Die vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelemente tragen vorzugsweise an geeigneter Stelle Elektrodenflächen, so dass sie als mikroelektromechanische Bauelemente

beispielsweise für Sensor- oder Aktoranwendungen

ausgebildet sein können. So lassen sich mit dem

vorgeschlagenen Verfahren mikroelektromechanische

Bauelemente mit definierten Spaltbreiten bereitstellen, die als hochgenaue Beschleunigungssensoren, als

Neigungssensoren, als Gyroskope, als Vibrationssensoren oder auch als MEMS-Schalter (HF-Schalter) oder variable MEMS-Kondensatoren, beispielsweise für HF-Anwendungen, ausgebildet sein können. Bei einem kapazitiven mikromechanischen Bauelement lässt sich das Verfahren für

Bauformen mit elektrodenabstandsabhängiger aber auch flächenabhängiger Charakteristik einsetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelemente werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Struktur mit kapazitivem Wandlerprinzip gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen

Verfahrens in Seitenansicht;

Fig. 3 die gemäß Figur 2 aneinander fixierten Komponenten in Draufsicht;

Fig. 4 ein Beispiel für Strukturen eines mikro- mechanischen Bauelementes gemäß der

vorgeschlagenen Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer

weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens;

Fig. 6 ein weiteres Beispiel für Strukturen eines mikromechanischen Bauelementes gemäß der

vorgeschlagenen Erfindung vor und nach der Fixierung der Komponenten;

Fig. 7 ein Beispiel für eine Fixierung an hintereinander gestaffelten Komponenten; und Fig. 8 ein weiteres Beispiel für Strukturen eines

mikromechanischen Bauelementes gemäß der vorgeschlagenen Erfindung. Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Struktur mit kapazitivem Wandlerprinzip der Fig. 1 gemäß dem Stand der Technik wurde bereits in der

Beschreibungseinleitung erläutert. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Fixierung einer beweglichen Komponente 4 an einer feststehenden Komponente 5 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die bewegliche Komponente 4 ist dabei über ein Federelement 8 an einer Ankerstruktur 7 befestigt, die fest mit dem nicht dargestellten Grundkörper des mikromechanischen Bauelements verbunden ist. Die feststehende Komponente 5 ist ebenfalls fest mit dem

Grundkörper des mikromechanischen Bauelementes, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, verbunden. Der Spalt 3 zwischen den sich gegenüberliegenden Seitenflächen der beiden Komponenten 4, 5 wird durch Bewegung der ersten

Komponente 4 gegen die zweite Komponente 5 geschlossen. Auf der ersten Komponente 4 ist hierbei eine Schicht 10 auf der im Wesentlichen senkrecht zur Seitenfläche angrenzenden Seite aufgebracht, die mit einem Schichtbereich über die Seitenfläche übersteht. Bei Bewegung der beweglichen

Komponente 4 gegen die feststehende Komponente 5 wird diese Schicht 10 mit dem überstehenden Schichtbereich über die feststehende Komponente 5 geschoben, wie dies im rechten Teil der Figur dargestellt ist. Dadurch treten hohe

Adhäsionskräfte zwischen dem überstehenden Schichtbereich und der zweiten Komponente 5 auf, die zur Fixierung der beiden Komponenten 4, 5 aneinander dient. Die Haftkraft ist dabei deutlich höher als Scherkräfte oder andere Kräfte, die bei typischen mikromechanischen Bauelementen auftreten und ein Abheben und damit ein Lösen der aufliegenden

Schicht gemeinsam mit der diese Schicht tragenden

Komponente ermöglichen würden. Überraschenderweise konnte für eine typische Sensoranordnung mit einer mit der fixierten Komponente 4

verbundenen beweglichen Masse von ca. 50 g beobachtet werden, dass die Haftkraft um ein Vielfaches höher ist als die Gewichtskraft der beweglichen Masse, auch wenn bei einer Überlappungslänge 1 von ca. 400 μιη der Überstand (Überlappungsbreite b) der Schicht 10 über der feststehenden Komponente 5 nur 1 μπι beträgt. Die Überlappungslänge 1 entspricht in diesem Fall der Länge der nachträg- lieh fixierten Komponente 4 zuzüglich dem Doppelten der Überlappungsbreite b, vorausgesetzt, diese wurde durch Unterätzung des Substratmaterials erzeugt. Fig. 3 zeigt hierzu eine Draufsicht auf die aneinander fixierten Komponenten des rechten Teils der Figur 2. Die Überlappungs- länge 1 und die Überlappungsbreite b sind in dieser Figur erkennbar .

Diese Fixierung lässt sich nutzen, um die Spaltbreite zwischen einem beweglichen Element und einem feststehenden Element oder zwischen zwei beweglich gelagerten Elementen in einem mikromechanischen Bauelement nachträglich einzustellen und bezüglich der Ruhelage zu fixieren. Die

einzelnen Strukturen müssen selbstverständlich hierzu vorab geeignet dimensioniert und angeordnet werden, um

anschließend die gewünschte Spaltbreite zu erhalten. Fig. 4 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem an der ursprünglich beweglichen ersten Komponente 4 (vgl. Figuren 2 oder 3) ein Strukturelement 11, beispielsweise in Funktion einer

Elektrode, über Federelemente 8 befestigt ist. Nach der Fixierung der ersten Komponente 4 bleibt dieses Strukturelement 11 über die Federn 8 beweglich. Damit lässt sich nachträglich zwischen diesem ersten Strukturelement 11 und einem zweiten Strukturelement 12 des Bauteils ein gegenüber dem Herstellungszustand veränderter Arbeitsspalt einstellen. Fig. 4 zeigt hierzu das zweite Strukturelement 12, das ebenso wie die zweite Komponente 5 fest mit dem Grundkörper des Bauelements verbunden ist. Da die Fixierung der ersten Komponente 4 an der zweiten Komponente 5 durch Bewegung bzw. Zustellung der ersten Komponente 4 in Pfeilrichtung erfolgt, verringert sich die Spaltbreite des

Spaltes 3 zwischen dem ersten Strukturelement 11 und dem zweiten Strukturelement 12 entsprechend. Nach der Fixierung wird somit eine gegenüber dem Herstellungszustand

verringerte Spaltbreite des Arbeitsspaltes 3 erhalten. Das zweite Strukturelement 12 kann hierbei ebenfalls Elektroden tragen, um dadurch einen kapazitiven Wandler zu erhalten. Durch äußere Krafteinwirkung kann sich das erste

Strukturelement 11 um die Ruhelage herum bewegen und im Fall des dargestellten, hier verkleinerten Arbeitsspaltes 3 unter Nutzung des kapazitiven Wandlerprinzips sehr hohe Kapazitätsänderungen erzeugen. Dabei können die

Strukturelemente als planparallele Elektroden ausgeführt sein oder auch als ineinander greifende kämm- oder

fingerartige Strukturen, wie dies in der Figur 8 anhand eines anderen Beispiels dargestellt ist.

Bei einer anderen möglichen Variante ist das erste Strukturelement 11 fest mit der ersten Komponente 4

verbunden. Dafür ist das zweite Strukturelement 12 über eine bzw. mehrere Federn beweglich am Grundkörper oder einem weiteren mit dem Grundkörper fest verbundenen Element verankert . Ein weiteres Beispiel des vorgeschlagenen Verfahrens sowie einer damit erhaltenen Ausgestaltung eines

mikromechanischen Bauelements ist in Fig. 5 in

Seitenansicht schematisch dargestellt. Bei dieser

Darstellung weisen gegenüber der Fig. 2 sowohl die erste Komponente 4 als auch die zweite Komponente 5 eine

entsprechende überstehende Schicht 10 auf. Durch Bewegung der beweglichen Komponente 4 gegen die feststehende

Komponente 5 schiebt sich ein Teil der Schicht 10 über oder unter den überstehenden Schichtbereich der feststehenden

Komponente 5 und führt dadurch zur Fixierung durch Adhäsion der beiden Schichten aneinander. Die beiden Komponenten müssen dabei entsprechend geformt sein, hier im oberen Bereich verjüngt, um den gewünschten Schichtüberlapp bei einem Kontakt der beiden Komponenten zu ermöglichen. Da die Dicke der Schicht 10 z.B. nur 100 nm betragen kann und die Bauhöhe der beweglichen Komponente 4 50 μιη und mehr, wird ersichtlich, dass die durch die Überlappung der Schichten verursachte Strukturverschiebung nach oben oder unten (also < 0,2 % der Strukturhöhe) für die Anwendung in der Regel unerheblich ist.

Die Ausgestaltung der Fig. 5 hat den Vorteil, dass die strukturierte Schicht 10 so auf der Oberfläche des

Ausgangssubstrates erzeugt werden kann, dass die Gräben zwischen den unterschiedlichen Komponenten des Bauelements anschließend unter Nutzung dieser strukturierten Schicht als Ätzmaske geätzt werden können. Dies erlaubt eine einfache Herstellung der Strukturen des Bauelementes mit den für die Fixierung erforderlichen überstehenden

Schichten. Die beiden Schichten über den beiden Komponenten haben hierbei identischen Überhang.

Neben der überraschend hohen Adhäsionskraft an der Überlappungsstelle zwischen der Schicht 10 und der

Oberfläche der Komponente bzw. zwischen den beiden

Schichten 10 kann die Festigkeit der mechanischen

Verbindung zusätzlich verbessert werden, indem eine

Materialdiffusion und/oder Legierungsbildung an der

Überlappungsstelle durch thermische Behandlung und/oder elektrischen Strom oder elektrisch induziertes Mikro- schweißen oder Laserschweißen ausgelöst wird. Dies gilt für alle hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen. Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Struktur eines mikromechanischen Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei im linken Teil die Verhältnisse vor der Zustellung und Fixierung und im rechten Teil die

Verhältnisse nach der Fixierung dargestellt sind. So zeigt die Figur zwei feststehende Elektrodenstrukturen 2a, 2b, die fest mit dem Grundkörper verbunden sind. Zwei

bewegliche Teilkomponenten la, lb sind über Federn 8 am Grundkörper oder einer fest mit dem Grundkörper verbundenen Struktur aufgehängt. Die beiden beweglichen Teilkomponenten la, lb werden anschließend gegeneinander bewegt und durch Schichtüberhang gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren aneinander fixiert. Dies ist im rechten Teil der Figur schematisch dargestellt. Die zur Fixierung genutzten

Schichten sind in dieser Darstellung nicht ersichtlich. Die Fixierung erfolgt hier an zwei getrennten Verbindungsstellen 9. Wie aus dem rechten Teil der Figur

hervorgeht, werden somit die beiden separat beweglichen Teilkomponenten la, lb zu einem einzigen beweglichen

Strukturelement zusammengefügt, das nach dem Verbinden der beweglichen Teilkomponenten über die Federelemente 8 beweglich bleibt. Der Spalt zwischen den beweglichen

Teilkomponenten la, lb und den feststehenden Elektrodenstrukturen 2a, 2b wurde durch diesen Prozess nachträglich verkleinert, wie aus dem Vergleich des linken und rechten Teils der Figur deutlich zu erkennen ist. Die ebenfalls dargestellten Anschlagstrukturen 6 dienen lediglich dazu, den Kontakt der durch das bewegliche Strukturelement realisierten Elektrode mit den als Gegenelektrode dienenden Elektrodenstrukturen 2a, 2b zu verhindern. Eine besonders stabile Verbindung wird erreicht, indem nicht nur die Überlappungslänge und -breite der Schicht 10 zwischen den beiden Komponenten 4, 5 möglichst groß

gestaltet wird, sondern eine Überlappung der Schicht 10 an mehreren hintereinander gestaffelten Komponenten erreicht wird. Dies ist in der Fig. 7 schematisch angedeutet, die hintereinander gestaffelte zweite Komponenten 5 und

entsprechend gestaffelte Bereiche der beweglichen

Komponente 4 zeigt.

Fig. 8 zeigt schließlich noch eine weitere Ausgestaltung, bei der die über einen Spalt beabstandeten ersten und zweiten Strukturelemente 11, 12 als Kammelektroden ausgebildet sind. Das erste Strukturelement 11 ist hierbei wiederum über eine elastische Federverbindung 8 mit einer ersten Komponente 4 verbunden, die gemäß dem vorliegenden Verfahren durch Schichtüberlapp an einer feststehenden zweiten Komponente 5 fixiert ist.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in den Beispielen dargestellten Geometrien der ersten und zweiten Komponente bzw. ersten und zweiten

Strukturelemente beschränkt. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass viele unterschiedliche Geometrien der einzelnen

Elemente genutzt werden können, um eine nachträgliche

Spalteinstellung zwischen zwei Strukturelementen des

Bauelements in der gewünschten Weise zu erreichen. Die in dieser Anmeldung verwendeten Begriffe der Komponente und des Strukturelementes dienen lediglich zur Unterscheidung einzelner Elemente oder Bereiche des Bauelementes.

Grundsätzlich besteht kein Unterschied zwischen einer

Komponente und einem Strukturelement. Bezugszeichenliste

1 erstes Strukturelement bzw. Elektrode la,b bewegliche Teilkomponenten

2 zweites Strukturelement bzw. Elektrode 2a, b feststehende Elektrodenstrukturen

3 Spalt zwischen den Strukturelementen

4 erste Komponente

5 zweite Komponente

6 Anschlag

7 Ankerstruktur

8 Federelement

9 Verbindungsstellen zwischen den beweglichen

Komponenten

10 Schicht

11 erstes Strukturelement

12 zweites Strukturelement