Beschreibung

Titel

Mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur und entsprechendes Herstellungsverfahren

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Die moderne Halbleitertechnik basiert größtenteils auf dem Aufbringen und Strukturieren von Schichten. Durch geschickte Prozessabläufe sind sehr komplexe Strukturen möglich.

Der Komplexitätsgrad mikromechanischer Bauelemente, wie z. B. Sensoren und Aktuatoren, hat in den letzten Jahren bedeutend zugenommen. In diesem Zusammenhang stellt sich immer wieder das Problem, Bauelemente mit Schrägstrukturen oder Rundstrukturen kostengünstig und sicher herzustellen.

Das Einbringen von schrägen Ebenen oder runden Strukturen ("Beulen" oder "Dellen") auf oder in mikromechanischen Schichten ist jedoch kein Hochvolumen- Verfahren. Mittels Graustufen-Lithographie lassen sich solche Strukturen herstellen, die Prozesse sind jedoch sehr empfindlich von den Prozessparametern abhängig und nicht hochvo lumentauglich. Anisotropes ätzen (z. B. Si in KOH, TMAH) erlaubt keine Freiheit im Design, da nur ganz bestimmte Winkel möglich sind.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit Schrägstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 weisen den Vorteil auf, dass sie eine einfache Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit Schrägstruktur ermöglichen. Schrägstruktur im Sinne der Erfindung beschränkt sich nicht auf eine vollkommen lineare Schrägung, sondern soll auch eine stückweise lineare Schrägung und eine verrundete Schrägung mitumfassen. Mit

anderen Worten soll schräg bedeuten, dass der Ausleger mindestens in einem Punkt seiner Oberfläche eine Tangente besitzt, welche keinen rechten Winkel zur Seitenfläche des ersten Ankers bildet.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ausgehend von einer Ankerstruktur mit mindestens einem daran befindlichen Ausleger, eine derartige Verbiegung des Auslegers zu induzieren, dass er schräg vom Anker weggerichtet ist. Eine Fixierung in der Schrägstellung lässt sich entweder durch einen Verbindungsvorgang, z.B. Bonden oder Kleben, oder durch ein irreversibles Einfrieren einer inneren Spannung in den Auslegern, z.B. durch Abschrecken, erzielen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahrensbündel, mit dem sich geneigte Balken bzw. Ebenen dauerhaft herstellen lassen. Anwendungen sind z. B. in der Mikrofluidik, Aktuatorik oder Sensorik zu sehen. Die Herstellung erfolgt mittels Standardprozessen und lässt sich daher auch hochvolumentauglich abbilden. Die Erfindung ermöglicht es es, eine in einer Schicht hergestellte Struktur, z.B. einen Balken, durch geeignete Schritte (z. B. durch einen durch weitere Schichten induzierten oder inhärenten Stress, Druck oder elektrostatische Anziehung bzw. durch Kombination verschiedener Verfahren) gezielt zu biegen und anschließend oder vorzugsweise in dem biegenden Prozessschritt direkt oder über einen Anker mit einem geeigneten Substrat zu verbinden. Die Struktur ist so aus der Ebene heraus fixiert und kann die Funktionsweise der weiteren Mikromechanik ergänzen.

Die Erfindung ermöglicht ein Strukturieren einer Ebene mit Wirkung in verschiedenen Ebenen. Sie erfordert einen geringeren Strukturierungsaufwand als bekannte Techniken, was eine Kostenersparnis, einen Ausbeutevorteil und bessere Funktionalität durch weniger Justageversatz ermöglicht. Somit können größere Signale und/oder Kräfte durch bessere Anordnung der Strukturen, eine bessere Funktionalität und flexiblere Baugrößen erreicht werden. Ein Bespiel ist eine verbesserte fluidische Funktionalität durch glattere übergänge zwischen verschiedenen Ebenen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Ausleger schräg nach unten zur Oberfläche des Substrats hinweisend weggerichtet ist.

Der Ausleger kann unmittelbar mit der Oberfläche des Substrats verbunden werden oder mittelbar, z.B. über einen zweiten Anker oder eine sonstige Verbindungsstruktur.

Zweckmässigerweise lassen sich Anker und der Ausleger einteilig ausbilden, z.B. aus einer mikromechanischen Siliziumstruktur.

Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind ein erster und zweiter Anker auf der Oberfläche des Substrats durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet vorgesehen, welche über einen jeweiligen Ausleger mit der Oberfläche des Substrats verbunden sind, wobei in dem Zwischenraum eine Aufhängung für eine Drehachse eines Drehbalkens an den Ankern angebracht ist.

Der Ausleger kann mannigfaltige Formen annehmen, und insbesondere balkenförmig oder flächenförmig (z.B. schirmartig, kreissegmentförmig, dreieckförmig etc...) sein.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgen- den Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 a-c schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a,b schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFüHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Fig. 1 a-c sind schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. la-c bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Borofloat-Substrat. Auf einer Oberfläche O des Substrats 1 ist ein erster Anker 3e vorgesehen, welcher sich säulenförmig vom Substrat 1 weg erstreckt. Einteilig mit dem Anker 3e an dessen Seitenwänden Sl, S2 vorgesehen sind zwei dünne Ausleger 3c, an deren Enden ein jeweiliger zweiter Anker 3a bzw. 3b vorgesehen ist. Auf den Auslegern 3c zusätzlich vorgesehen ist ein jeweiliger Metallschichtbereich 3d, z.B. aus Aluminium. Beim vorliegenden Beispiel sind der erste Anker 3e, die Ausleger 3c und die zweiten Anker 3a bzw. 3b einteilig aus Silizium hergestellt, beispielsweise durch einen entsprechenden ätzprozess unter Verwendung einer entsprechenden Opferschicht. Die Metallschichtbereiche 3d sind beispielsweise durch Abscheiden und Rückätzen auf den Auslegern 3c vorgesehen worden. Der erste Anker 3e, die Ausleger 3c mit den Metallschichtbereichen 3d und die zweiten Anker 3a bzw. 3b bilden somit im vorliegenden Beispiel eine T-Struktur.

Bei geeigneter Wahl der betreffenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausleger 3c und der

Metallschichtbereiche 3d kann den Auslegern eine Halbleiter-/Metallbimorphcharakteristik verleiht werden, d. h. die Möglichkeit einer Verbiegung durch Temperaturbeaufschlagung.

Ausgehend von der in Bezug auf Fig. Ia beschriebenen Struktur wird gemäß Fig. Ib Wärme mittels einer Heizeinrichtung HE an die T-Struktur abgegeben, wobei sich die Metallschichtbereiche 3d auf den Auslegern 3c durch entsprechende Wahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten stärker ausdehnen als die Ausleger 3c.

Schließlich mit Bezug auf Fig. Ic berühren die zweiten Anker 3a, 3b die Oberfläche O des Substrats 1, und zwar in einer Art, welche sich durch die Geometrie der zweiten Anker 3 a, 3b und die Gestaltung der

Ausleger 3c bzw. Metallschichtbereiche 3d vorgeben lässt. Bei deren Strukturierung sollte darauf geachtet werden, dass die Bewegung kontrolliert aus der Ausgangsposition heraus erfolgt und kein Verbiegen in unerwünschte Richtungen möglich ist.

Nachdem gemäß Fig. Ic die zweiten Anker 3 a, 3b formschlüssig auf dem Substrat 1 aufliegen, können diese durch geeignete Maßnahmen auf dem Substrat 1 fixiert werden. In Fig. Ic ist beispielhaft dargestellt, dass diese Fixierung durch anodisches Bonden unter Zuhilfenahme einer Spannungsquelle SP geschieht, welche eine Spannung U einerseits im Punkt Ul an das Substrat 1 und andererseits im Punkt U2 an den ersten Anker 3e anlegt. Eine geeignete Materialkombination hierfür ist die erwähnte Materi-

alkombination Silizium- Anker/Borofloat-Substrat. Hierbei kann zudem vorteilhaft ausgenutzt werden, dass sowohl die Temperatureinwirkung der Heizeinrichtung HE als auch die elektrostatische Anziehung durch die angelegte Spannung U die Verbiegung der Ausleger 3c unterstützen.

Es sei erwähnt, dass anderweitige Fixierungsmaßnahmen, wie z. B. Sealglas-Bonden, Kleben etc. ebenso denkbar sind wie eine lokale Aktivierung, beispielsweise durch elektrische Heizelemente auf den zweiten Ankern 3a, 3b.

Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Metallschichtbereiche 3d von Fig. 1 weggelassen. Bei diesem zweiten Beispiel bewirkt die durch die Heizeinrichtung HE vorgesehene Erwärmung der Ausleger 3c lediglich eine Materialerweichung, und die Verbiegung erfolgt unter dem Einfluss der Schwerkraft und unter dem Einfluss der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen dem Substrat 1 und den zweiten Ankern 3 a, 3b, welche durch die angelegte Spannung U verursacht wird.

Fig. 3a,b sind schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 a, b wird im Gegensatz zur oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform nicht von einer T-förmigen Grundstruktur, sondern von zwei galgenför- migen Grundstrukturen ausgegangen, welche durch einen Zwischenraum Z voneinander beabstandet auf dem Substrat 1 vorgesehen sind. Insbesondere bezeichnet Bezugszeichen 3e' zwei erste Anker, an deren Seitenwänden Sl' bzw. Sl 2' ein jeweiliger Ausleger 3c' vorgesehen ist. Am Ende des jeweiligen Auslegers 3c' befindet ein zugehöriger zweiter Anker 3a' bzw. 3b'.

Durch ein Verfahren, welches bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 bzw. 2 beschrieben worden ist, werden dann die zweiten Anker 3a' bzw. 3b' mit der Oberfläche O des Substrats 1 in Berührung gebracht und damit fest verbunden.

Im Anschluss daran wird im Zwischenraum Z eine Aufhängung 5 für eine Drehachse A eines Drehbalkens 10 realisiert. Diese kann losgelöst von den Ankern 3e' sein, um beispielsweise unterschiedliche Potentiale an die Drehachse A und die Schrägstrukturen 3e', 3c', 3 a' bzw. 3e', 3c', 3b' anzulegen, aber

auch an den Ankern 3e' angebracht sein. Die Schrägstruktur 3e', 3c', 3a' bzw. 3e', 3c', 3b' sorgt somit für eine feste Abstützung der Aufhängung 5 für den Drehbalken 10, welcher entlang der Drehrichtung D nach Art eines Windmühlenflügels drehbar ist.

Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 die zweiten Anker 3a, 3b weggelassen. Bei dieser Ausführungsform werden die äußeren Enden der Aus- leger 3c unmittelbar durch anodisches Bonden unter Verwendung der Spannungsquelle SP mit der Oberfläche O des Substrats verbunden.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Obwohl bei den obigen Ausführungsbeispielen bestimmte T-formige bzw. galgenformige mikromechanische Bauelemente als Ausgangsstrukturen für die Verbiegung hergestellt wurden, sind prinzipiell beliebige Ausgangsstrukturen, welche eine Erstreckung in unterschiedliche Richtungen aufweisen denkbar, so dass beliebige Bauelemente mit Schrägstruktur durch die Erfindung in einfacher Weise herstellbar sind. Es können insbesondere Finger oder isolierte Strukturen hergestellt und dann durch geeignete

Maßnahmen ausgelenkt werden. Insbesondere können auch flächenförmige Membranen ausgelenkt und fixiert werden, wenn die Ausleger beispielsweise nicht balkenförmig sondern flächig sind, wobei gegebenenfalls eine Strukturierung nach der Auslenkung und Fixierung durchgeführt werden kann. Es könnte auch ein Teil der gebogenen Struktur anschließend durch eine Strukturierung wieder vom Substrat gelöst werden und dann in die Ausgangsebene zurückrelaxieren.

Obwohl die Auslenkung der Ausleger in den obigen Beispielen thermisch bzw. elektrisch erreicht wurde, kann sie auch durch weitere Maßnahmen zusätzlich oder alternativ erzielt werden, beispielsweise durch über- oder Unterdruck, Strömung, usw. oder jegliche Kombinationen davon.

Ein mögliches Einsatzgebiet für die erfindungsgemäßen Bauelemente sind neben den angesprochenen Sensoren bzw. Aktuatoren u.a. Head-Up-Displays im Kraftfahrzeugbereich oder Miniprojektoren im Consumer-Bereich. Bei Sensoren gibt es interessante Anwendungsbereiche insbesondere im Bereich der Inertialsensoren. In der Mikrofluidik, in welcher Projekte für die neuen Märkte Life-Science und Medi-

zintechnik evaluiert werden, lassen sich ebenfalls günstige Strukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen.