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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran.
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Die Erfindung betrifft weiter einen MEMS-Sensor.
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Die Erfindung betrifft weiter einen Chip mit zumindest einem MEMS-Sensorelement.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoren mit Sensorelementen mit einer aus lenkbar angeordneten Membran anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen MEMS-Sensor in Form eines kapazitiven Drucksensors beschrieben.
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Bekannt geworden sind Anordnungen und Verfahren zur Herstellung von kapazitiven Drucksensoren, wobei auf einem Substrat eine feststehende Elektrode angeordnet wird. Über der Elektrode wird dann eine isolierende Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Darauf wird ein erster Teil einer Membranschicht aufgebracht und im späteren Membranbereich werden schmale Zugangslöcher angeordnet. Durch diese Löcher wird über ein Ätzverfahren die Opferschicht unter der Membran in Teilbereichen entfernt. Danach werden mit einer Abscheidung die Zugangslöcher verschlossen. Mit geeigneten Verfahren kann erreicht werden, dass in dem Hohlraum unter der Membran ein geringer Druck eingeschlossen wird. Weitere Schichtabscheidungen auf der Membran ermöglichen einen dichten Verschluss der Membran.
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Aus der Schrift
DE 10 2013 213 065 A1 ist MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran, umfassend ein Substrat und eine Trägerstruktur für die auslenkbar angeordnete Membran bekannt. Die Trägerstruktur ist mit dem Substrat zumindest in einem Bereich verbunden. Die Membran ist über die Schichten teilweise mit der Trägerstruktur verbunden. Zwischen der Trägerstruktur und der Membran ist ein abgeschlossener Raum ebildet. Eine Elektrodenstruktur ist in dem abgeschlossenen Raum beabstandet von Trägerstruktur und Membran
34 angeordnet.
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Aus der Schrift
US 2006/0108652 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauelements bekannt, bei dem mittels Opferschichten Strukturen auf einem Substrat aufgebracht werden.
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Die
DE 10 2016 216 234 A1 zeigt ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat und einem Kappenwafer. Das Substrat ist die Trägerstruktur für ein Membranen und teilweise mit den Membranen verbunden. Über den Membranen ist eine Elektrodenstruktur angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, umfassend ein Substrat, eine Trägerstruktur für die auslenkbar angeordnete Membran, wobei die Trägerstruktur mit dem Substrat zumindest in einem Bereich verbunden ist und wobei die Membran teilweise mit der Trägerstruktur verbunden ist, und wobei zwischen der Trägerstruktur und der Membran ein abgeschlossener Raum gebildet ist, und eine Elektrodenstruktur, welche in dem abgeschlossenen Raum beabstandet von Trägerstruktur und Membran angeordnet ist, wobei Trägerstruktur und Substrat über eine Federstruktur miteinander verbunden sind.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor bereit mit einem ersten MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9, und mit einem zweiten MEMS-Sensorelement, welches als Referenz-Sensorelement für das erste MEMS-Sensorelement ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Chip mit zumindest einem MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9 bereit.
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In einer weiteren Ausführung vom stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Substrats,
- - Aufbringen einer ersten Opferschicht auf das Substrat, insbesondere wobei die erste Opferschicht nachfolgend strukturiert wird,
- - Aufbringen einer Membranschicht auf die erste Opferschicht, insbesondere wobei die Membranschicht nachfolgend strukturiert wird,
- - Aufbringen einer zweiten Opferschicht,
- - Bereitstellen zumindest einer Elektrodenstruktur auf der zweiten Opferschicht mittels Aufbringen zumindest einer Elektrodenschicht, welche anschließend strukturiert wird,
- - Aufbringen einer Isolationsschicht auf die Elektrodenstruktur, welche anschließend strukturiert wird,
- - Bereitstellen einer Trägerstruktur auf der Isolationsschicht mittels Aufbringen zumindest einer Trägerschicht, welche anschließend strukturiert wird,
- - Entfernen der Opferschichten mittels zumindest eines Zugangs zur jeweiligen Opferschicht, und
- - Verschließen des zumindest einen Zugangs.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit Stress und Verbiegung erheblich reduziert werden können, da Membran und Trägerstruktur vom Substrat entkoppelbar sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Membran an die Trägerschicht im Wesentlichen direkt angebunden ist und so die Membran-Spannweite beziehungsweise der Membrandurchmesser und damit die Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements sehr gut definiert ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran beabstandet von Trägerstruktur und Substrat zwischen diesen angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Membran durch die Anordnung zwischen Trägerschicht und Substrat gut geschützt ist.
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Die Federstruktur kann dabei so ausgebildet werden, dass die Robustheit der Trägerstruktur erhöht wird, ohne die Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements, genauer die Verbiegungseigenschaften der Membran nicht zu stark zu beeinflussen. Damit kann die Robustheit der Trägerstruktur erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran durchgehend ausgebildet und/oder Membran, Trägerstruktur und Elektrodenstruktur sind aus dem gleichen Material hergestellt. Wird die Membran durchgehend ausgebildet, wird eine einfache Herstellung der Membran sowie eine sehr gut definierte Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements ermöglicht. Sind die Membran, die Trägerstruktur und die Elektrodenstruktur aus dem gleichen Material hergestellt, hat ein derartiger Aufbau nahezu keinen intrinsischen Stress und insbesondere, wenn hierfür polykristallines Silizium als Material verwendet wird, weist dieser auch ein sehr gutes Temperaturverhalten auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Elektrodenstruktur über zumindest einen Isolierschichtbereich mit der Trägerstruktur verbunden, insbesondere wobei der Isolierschichtbereich durch eine dielektrische Schicht gebildet ist. Insbesondere ist dabei der Isolierschichtbereich zur Bereitstellung von lediglich punktuellen Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Elektrodenstruktur ausgebildet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf zuverlässige Weise die Trägerstruktur mit der Elektrodenstruktur verbunden werden kann. Weiter kann damit eine Grundkapazität zwischen Elektrodenstruktur und Trägerstruktur verringert werden, wodurch eine genauere Auswertung einer Kapazitätsänderung möglich wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Trägerstruktur und Membran über eine umlaufende Verbindung miteinander verbunden, wobei eine Öffnung im Bereich zumindest einer Verbindung zwischen Trägerstruktur und Substrat angeordnet ist. Vorteil hiervon ist, dass damit zum einen eine zuverlässige Festlegung von Trägerstruktur und Membran aneinander, zum anderen eine einfache Herstellung ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit die Elektronenstruktur auf einfache Weise elektrisch nach außen geführt werden kann, also kontaktiert werden kann und es dabei auch optional möglich, beispielsweise einen Ätzkanal und/oder einen Belüftungskanal in den Bereich der Membran hineinzuführen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Abstand zwischen Membran und Substrat weniger als ein Fünftel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel des Membrandurchmessers. Dies hat den Vorteil, dass, wenn sich Wasser im Raum zwischen Membran und Substrat sammelt und dieses gefriert, die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren durch Bewegung der Membran und der Trägerstruktur kompensiert werden kann. Mit anderen Worten wird lediglich eine derart geringe Menge von Wasser in diesem Bereich zugelassen, sodass das MEMS-Sensorelement nicht beim Gefrieren des Wassers zerstört wird, sondern eine Kompensation durch Bewegung von Membran und Trägerstruktur erfolgt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest ein Überlastanschlag für die Membran, vorzugsweise an der Trägerstruktur, angeordnet. Damit kann auf zuverlässige Weise ein Kurzschluss der Membran mit der Elektrodenstruktur bei Überlast verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstruktur von der der Trägerstruktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Mit anderen Worten können auf diese Weise die elektrischen Kontakte über die Substratrückseite geführt werden, was einen einfacheren Aufbau auf der Substratvorderseite ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors weist das zweite MEMS-Sensorelement eine Membran und eine Elektrodenstruktur auf, wobei das erste MEMS-Sensorelement in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich einen ersten Abstand zwischen seiner Membran und seiner Elektrodenstruktur aufweist und wobei das zweite MEMS-Sensorelement in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich einen zweiten Abstand zwischen seiner Membran und seiner Elektrodenstruktur aufweist und wobei erster Abstand und zweiter Abstand unterschiedlich sind. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache Weise Referenzkapazitäten definiert werden können. So kann beispielsweise bei gleicher Fläche einer Elektrode der Elektrodenstruktur eine Referenzkapazität bereitgestellt werden, die der einer bereits aus gelenkten Membran entspricht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Einstellung eines gewünschten Abstands zwischen Membran und Elektrodenstruktur besonders genau möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist das zweite MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgebildet und die Membran des zweiten MEMS-Sensorelements ist im Vergleich zu der des ersten MEMS-Sensorelements mindestens um einen Faktor 2 schwerer auslenkbar. Vorteil hiervon ist, dass der Messbereich des MEMS-Sensors insgesamt erhöht werden kann, da die MEMS-Sensorelemente für verschiedene Druckbereiche unterschiedlich empfindlich sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors weisen erstes und zweites MEMS-Sensorelement eine gemeinsame Trägerstruktur auf, wobei zumindest eines der beiden MEMS-Sensorelemente in seinem auslenkbaren Bereich über eine Versteifungseinrichtung mit der Trägerstruktur verbunden ist. Damit kann auf besonders einfache Weise eine Referenzkapazität zur Verfügung gestellt werden, was die Genauigkeit des MEMS-Sensors insgesamt erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors sind erstes und zweites MEMS-Sensorelement auf demselben Substrat angeordnet und geometrisch im Wesentlichen gleich ausgebildet sind. Damit ist man in der Lage auf einfache Weise ein zweites MEMS-Sensorelement herzustellen, welches auf das erste MEMS-Sensorelement gut abgestimmt werden kann. Das zweite MEMS-Sensorelement kann dann beispielsweise als Referenzelement mit sehr gut definierter Kapazität in Relation zur Grundkapazität des ersten MEMS-Sensorelements genutzt werden oder als Element zur Erweiterung des Messbereichs des MEMS-Sensors, wobei der Überlapp der beiden Messbereiche sehr genau definiert ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor dem Aufbringen der Isolationsschicht eine dritte Opferschicht aufgebracht und insbesondere strukturiert. Dies ermöglicht eine besonders einfache Aufbringung der nachfolgenden Isolationsschicht. Damit kann die Aufhängung der Elektrodenstruktur an der Trägerstruktur nur an einzelnen Punkten vorgenommen werden. Dies ermöglicht wiederum die Menge an dielektrischem Material im Bereich der beweglichen Membran und der Elektrodenstruktur und der Trägerschicht zu reduzieren. Schädliche Effekte aufgrund beispielsweise unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem dielektrischen Material und den leitenden Materialien können damit deutlich verringert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird im Substrat und/oder in zumindest der ersten Opferschicht zumindest ein Zugang ausgebildet. Damit können die Opferschichten später auf besonders einfache Weise entfernt und die Membran freigestellt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigen in schematischer Form und im Querschnitt
- 1 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen MEMS Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen Chip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5-14 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 15 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 16 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein MEMS-Sensor mit einem MEMS-Sensorelement 1b gezeigt. Das MEMS-Sensorelement 1b weist dabei folgenden Schichtaufbau von unten nach oben auf. Auf einem Substrat 2 ist eine Isolierschicht 3 angeordnet, die strukturiert ist. Auf dieser strukturierten Isolierschicht 3 ist eine Membran 4 angeordnet, die beweglich in vertikaler Richtung ausgebildet ist. Auf der Oberseite der Membran 4 und beabstandet von dieser ist eine Elektrodenstruktur 6 angeordnet, die über punktuelle Isolierschichtverbindungen 8 mit einer oberhalb der Elektrodenstruktur 6 angeordneten Trägerstruktur 9 verbunden ist. Die Trägerstruktur 9 weist dabei Zugänge 30 zu dem Raum 40 auf, der durch die Membran 4 und die Trägerstruktur 9 gebildet wird. Die Zugänge 30 sind hierbei über eine weitere Schicht 10, auf der eine Kontaktierung 11 angeordnet ist, druckdicht abgeschlossen. Der Raum zwischen Substrat 2 und Membran 4 weist eine - in 1 auf der rechten Seite - Öffnung 16 auf. Darüber hinaus beträgt ein Abstand zwischen Membran 4 und Substrat 2 weniger als 1/5, vorzugsweise weniger als 1/10 des Membrandurchmessers 60. Die Membran 4
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In der Elektrodenstruktur 6 sowie im oberen Bereich des Substrats 2 unterhalb des Auslenkungsbereichs der Membran 4 sind Ätzkanäle 20, 21 angeordnet. Im Bereich in der Mitte des auslenkbaren Bereichs der Membran 4 ist ein Anschlag 50 für die Membran 4 an der Trägerstruktur 9 angeordnet. Als Membranmaterial kann hier polykristallines Silizium verwendet werden. Die Membran 4 wird nicht mit Zugangslöchern versehen, wodurch erreicht wird, dass die Membran 4 nur aus einem oder wenigen Materialien hergestellt werden kann. Die Membran 4 wird dabei seitlich - hier mittels vertikaler Verbindungen 64a, 64b aus Elektrodenmaterial links und rechts des auslenkbaren Bereichs der Membran 4 - direkt mit der Trägerstruktur 9 gekoppelt. Die linke Verbindung 64a weist dabei eine Öffnung 64' oder eine Unterbrechung beispielsweise einer umlaufenden Verbindung 64a, 64b auf, durch die die Elektrodenstruktur 6 zur elektrischen Kontaktierung seitlich nach links herausgeführt wird. Wie vorstehend beschrieben ist zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 eine Elektrodenstruktur 6 vorgesehen, die nur über kleine Isolationsinseln 8 punktuell mit der Trägerstruktur 9 verbunden ist. Im Raum 40 zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 wird ein Referenzdruck eingeschlossen. Die Auslenkung der Membran 4 bei Druck wird durch Messung der Kapazitätsänderung zwischen Membran 4 und der Elektrodenstruktur 6 bestimmt. Die Membran 4 ist in der 1 zwischen den Substrat 2 und der Trägerstruktur 9 angeordnet, kann jedoch auch in anderer Weise angeordnet sein. Die Trägerstruktur 9 und die Membran 4 sind dabei im Wesentlichen „frei schwebend“ über dem Substrat 2 angeordnet. Wie hier in 1 dargestellt werden bevorzugt die Trägerstruktur 9 und die Membran 4 nur in einem Teilbereich 80, 80' jeweils mit dem Substrat 2 verbunden. Genauer ist links der Zugänge 30 in 1 im Bereich 80' die Trägerstruktur 9 über Material der Elektrodenstruktur 6, Material der Membran 4 sowie Material der Isolierschicht 3 mit dem Substrat 2 verbunden. Auf der rechten Seite im Bereich 80, also rechts der Zugänge 30 ist die Trägerstruktur 9 über Material der Elektrodenstruktur 6, mit der Membran 4 und diese über Material der Isolierschicht 3 mit dem Substrat 2 verbunden. Der Teilbereich 80' ist vorzugsweise auf der der Öffnung 16 abgewandten Seite der Membran 4 angeordnet, der Teilbereich 80 vorzugsweise im Bereich der Festlegung der Elektrodenstruktur 6 über Membranmaterial und Isoliermaterial am Substrat 2 und/oder auf der Seite der Zugänge 30 angeordnet, welche dem Bereich der Trägerstruktur 9 mit den Isolierschichtverbindungen 8 abgewandt ist. Es ist ebenfalls möglich, Trägerstruktur 9 und Membran 4 in mehreren Teilbereichen mit den Substrat 2 zu verbinden, wobei zumindest ein Teilbereich 15 dann federnde Eigenschaften aufweist, wie dies in 4 dargestellt ist.
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2 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS Sensor 1 gemäß 1 ist bei dem MEMS-Sensor 1 gemäß 2 nun anstelle des Anschlags 50 eine Versteifung 51 für die Membran 4 angeordnet. Im Wesentlichen ist damit der Anschlag 50 der 1 als Versteifung ausgebildet worden, indem dieser bis zur Membran 4 in Ihrer Ruhelage verlängert und mit dieser verbunden worden ist. Damit kann auf demselben Substrat 2 nicht nur ein erstes MEMS-Sensorelement 1b erzeugt werden, sondern auch ein zweites MEMS-Sensorelement 1a in Form eines Referenz-MEMS-Sensorelements, welches beispielsweise die gleiche Kapazität aufweist wie das erste MEMS-Sensorelement 1b, und insbesondere auf alle äußeren Parameter, außer auf Druck, in gleicher Weise wie das erste MEMS-Sensorelement 1b reagiert. Mit einer Auswerteschaltung, die die Kapazität des ersten MEMS-Sensorelements 1b mit der Kapazität des Referenz-MEMS-Sensorelements 1a vergleicht, können damit Drifteffekte, die nicht auf eine Druckänderung zurückzuführen sind, eliminiert werden. Weiter kann im Referenz-MEMS-Sensorelement 1a während dessen Herstellung eine geringere Opferschichtdicke zwischen der dort steifen Membran 4 und der Elektrodenstruktur 6 vorgesehen werden. Erstes MEMS-Sensorelement 1b und dessen Referenz-MEMS-Sensorelement 1a sind dann im Wesentlichen geometrisch ähnlich gebaut. Bei einem Zielarbeitsdruck, der höher ist als der im ersten MEMS-Sensorelement 1b eingeschlossene Referenzdruck, kann dann dennoch die Kapazität des ersten MEMS-Sensorelements 1b mit der Kapazität des Referenz-MEMS-Sensorelements 1a übereinstimmen, sodass eine besonders genaue und driftfreie Auswertung, insbesondere bei dem Zielarbeitsdruck, ermöglicht wird. Das zweite oder Referenz-MEMS-Sensorelement 1a weist in 2 in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich 72 einen zweiten Abstand 70 zwischen der gemeinsamen Membran 4 und der gemeinsamen Elektrodenstruktur 6 auf. Entsprechend weist das erste MEMS-Sensorelement 1b in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich 73 einen ersten Abstand 71 zwischen der gemeinsamen Membran 4 und seiner Elektrodenstruktur 6 auf. In 2 sind erster Abstand 71 und zweiter Abstand 70 unterschiedlich groß, insbesondere ist der erste Abstand 71 größer als der zweite Abstand 70.
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3 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß 1 sind beim MEMS-Sensor 1 gemäß 3 nun anstelle der Zugänge beziehungsweise Zugangskanäle 30 in der Trägerstruktur 9 entsprechende Zugänge oder Kanäle 30' im Substrat 2 angeordnet. Die Kontaktierung der Elektrodenstruktur 6 erfolgt mittels einer Durchkontaktierung 12 im Substrat 2. Die Zugänge 30' werden dann mittels einer weiteren Schicht 10' und einer Kontaktierung 11' zur Kontaktierung der Durchkontaktierung 12 verschlossen.
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4 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 4 ist ein Chip 100 in Ball-Grid-Array-Bauform gezeigt. Der Aufbau des Chips 100 in 4 von unten nach oben ist hierbei wie folgt: auf einem Ball Grid Array 101, kurz BGA, ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 102, kurz ASIC, 102 angeordnet, der mittels einer Bonddrahtverbindung 103 vom BGA 101 kontaktiert wird. Auf der Oberseite des ASIC 102 ist ein MEMS-Sensor 1 angeordnet, der im Wesentlichen gemäß 1 ausgebildet ist. Im Unterschied zum MEMS Sensor 1 gemäß 1 sind beim MEMS Sensor 1 gemäß 4 nun die Zugänge 30 nicht direkt auf der Trägerstruktur 9 verschlossen, sondern oberhalb der Trägerstruktur 9 wird ein Kappenwafer 13 bei definiertem Druck aufgebondet und im Bondprozess werden die Zugänge 30 durch den Kappenwafer 13 hermetisch verschlossen. Der Kappenwafer 13 dient nicht nur als Verschluss der Zugänge 30, sondern auch zum mechanischen Schutz der Trägerstruktur 9 und ist im Bereich oberhalb der Membran 4 von der Trägerstruktur 9 beabstandet. Die Trägerstruktur 9 ist über Kontaktierungen 11 mit dem Kappenwafer 13 verbunden. ASIC 102 und MEMS-Sensor 1 sind mittels einer Bonddrahtverbindung 104 elektrisch verbunden und in ein Gehäuse 105 seitlich eingehaust. Auf der Oberseite des Kappenwafers 13 und des Gehäuses 105 ist eine winddichte, wasserdichte, aber wasserdampfdurchlässige und damit atmungsaktive Membran 14 angeordnet, um zu vermeiden, dass Wasser in den MEMS-Sensor 1 eindringt. Darüber hinaus ist die Trägerstruktur 9 über eine Federstruktur 15 zusätzlich am Substrat 2 verankert.
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Die 5-14 zeigen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 5 ist ein Substrat 2 gezeigt. Auf dem Substrat 2 werden vorzugsweise Ätzkanäle 20 angelegt. Es werden dabei insbesondere sehr schmale Gräben ins Substrat 2 geätzt, die sich bevorzugt nach unten hin öffnen, so dass in einer folgenden Oxidabscheidung ein Hohlraum 20' entsteht. Alternativ hierzu können Ätzkanäle in einer späteren Opferschicht zwischen dem Substrat 2 und einer Membranschicht erzeugt und/oder werden diese in einem der Folgeschritte vor einer Entfernung der Opferschicht hergestellt, vorzugsweise wird eine Kavität von der Rückseite des Substrats zur Opferschicht hergestellt.
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In 6 ist nun die Situation nach Abscheidung einer Opferschicht 3 und einer Membranschicht 4 gezeigt. Die Opferschicht 3 ist bevorzugt aus einer Oxidverbindung hergestellt. Die Opferschicht 3 auch nachfolgend strukturiert werden, um beispielsweise Substratkontakte zu erzeugen. Es können auch zwei oder mehr Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden. Weiterhin kann über eine oder mehrere Zeitätzungen die Opferschicht 3 in einzelnen Bereichen in ihrer Dicke reduziert werden. Damit können beispielsweise Versteifungsrillen in der Membranschicht 4 in einzelnen Bereichen erzeugt werden. Die Membranschicht 4 wird bevorzugt aus Polysilizium hergestellt. Die Membranschicht 4 kann nachfolgend auch strukturiert werden, um beispielsweise in Bereichen außerhalb der Membran 4 als Leiterbahn genutzt werden zu können.
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7 zeigt die Situation nach Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Opferschicht 5.
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Hierbei ist die zweite Opferschicht 5 strukturiert mit Aussparungen 5a, um beispielsweise über einer nachfolgend aufgebrachten Elektrodenstruktur 6 eine Verbindung zwischen Membran 4 und einer Trägerschicht 9 zu ermöglichen. Optional können auch zwei oder mehr Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden. Lediglich angedeutet sind Aussparungen 5a', die außerhalb der Zeichenebene hergestellt werden. Es ist ebenso möglich, über eine oder mehrere Zeitätzungen die Opferschicht 5 in einzelnen Bereichen in ihrer Dicke zu reduzieren. Damit können Anschläge mit reduziertem Abstand 70, 71 oder Referenzkapazitäten mit reduzierten Grundabstand oder auch Bereiche mit größerem Abstand 70, 71, um parasitäre Kapazitäten zu reduzieren, erzeugt werden. Optional können auch Ätzkanäle in der Opferschicht 5 erzeugt werden.
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8 zeigt die Situation nach Abscheiden und Strukturieren von Aussparungen 6a in einer Elektrodenstruktur 6.
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Bevorzugt wird eine Strukturierung verwendet, wie die, die in der
DE 10 2011 080 978 A1 beschrieben wird und die hiermit durch Verweis einbezogen ist. Damit werden Topographien vermieden und Hohlräume werden erzeugt, die als Ätzkanäle verwendet werden können. Die Strukturierungen
5a,
5a',
6a sind werden dabei so hergestellt, dass die Elektrodenstruktur
6 mit dem Substrat
2 trotz weiterer Herstellungsschritte verbunden bleibt, gleichzeitig eine Verbindung einer späteren Trägerstruktur
9 mit dem Substrat
2 ermöglicht wird, ohne die Elektrodenstruktur
6 mit der späteren Trägerstruktur
9 zu verbinden zum Substrat
2 hin, zu verbinden.
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Optional wird nun eine dritte Opferschicht 7 abgeschieden und strukturiert mit Aussparungen 7a, wie in 9 gezeigt. Lediglich angedeutet sind Aussparungen 7a', die außerhalb der Zeichenebene hergestellt werden. Diese werden korrespondierend zu den Aussparungen 7a' hergestellt, sodass diese dann die linke Verbindung 64a mit Öffnung 64' zur Herausführung der Elektrodenstruktur 6 bilden, wie dies in den weiteren 11-14 gezeigt ist.
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Anschließend wird eine Isolationsschicht 8 abgeschieden und strukturiert, wie in 10 gezeigt. Bevorzugt wird eine Nitridschicht oder eine siliziumreiche Nitridschicht abgeschieden.
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Anschließend wird eine Trägerschicht 9 abgeschieden und mit Zugängen 30 zu den Opferschichten 3, 5, 7 strukturiert, wie in 11 gezeigt ist. Bevorzugt wird als Trägerschicht 9 eine Polysiliziumschicht abgeschieden. Die Summe aus der Dicke der Trägerschicht 9 und der Elektrodenstruktur 6 wird mindestens doppelt so dick gewählt wie die Dicke der Membran 4. Die Zugänge 30 werden vorzugsweise in dem Bereich der Trägerstruktur 9 hergestellt, indem keine Isolierschichtverbindungen 8 angeordnet sind, vorzugsweise direkt benachbart zu dem Bereich in dem die Isolierschichtverbindungen 8 Trägerstruktur 9 und Elektrodenstruktur 6 verbinden und auf der abgewandten Seite der seitlichen Öffnung 16. Hierdurch werden auch die Bereiche 80, 80' gebildet wie in der Beschreibung zur 1 beschrieben.
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Anschließend werden die Opferschichten 3, 5, 7 geätzt, die Membran 4 also freigestellt, wie in 12 gezeigt ist.
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Anschließend erfolgt, wie in 13 dargestellt, ein Verschluss 10 des Hohlraums 40 zwischen Membran 4 und Trägerschicht 9 durch Verschließen der Zugänge 30, wobei ein Referenzdruck eingestellt wird. Es werden hierzu Verfahren wie oben beschrieben verwendet. Es können sowohl die Membran 4 und die Trägerstruktur 9 als auch die offenen, also zugänglichen Oxide der Isolierschichten 3, 5, 7 mit einer dünnen Schutzschicht überzogen werden. Bevorzugt wird eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht oder eine Aluminium-Oxid-Schicht hierzu verwendet. Bevorzugt wird hierzu ein ALD-Abscheideverfahren, also ein Atomlagenabscheideverfahren, verwendet. Bevorzugt wird die Schutzschicht weniger als halb so dick wie die Membran 4 abgeschieden.
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Weiterhin kann eine weitere Schutzstruktur über der Trägerstruktur 9 aufgebracht werden. Über der Trägerstruktur 9 kann beanstandet mit einer weiteren Opferschicht, bevorzugt eine Oxidschicht, eine mechanische und elektrische Schutzschicht aufgebracht werden, bevorzugt eine Polysiliziumschicht, und bei Bedarf zusätzlich eine Aluminium-Schicht. Optional kann eine Kappe aufgebondet werden, mit der bevorzugt auch gleichzeitig der Referenzdruck eingestellt wird.
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15 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 15 sind Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein MEMS-Sensorelement gezeigt. Dieses umfasst die folgenden Schritte.
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In einem ersten Schritt T1 wird ein Substrat 2 bereitgestellt und vorzugsweise werden Ätzkanäle 20 angelegt.
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In einem zweiten Schritt T2 wird eine Opferschicht 3 abgeschieden und insbesondere strukturiert.
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In einem dritten Schritt T3 wird eine Membranschicht 4 abgeschieden und strukturiert.
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In einem vierten Schritt T4 wird eine weitere Opferschicht 5 abgeschieden.
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In einem fünften Schritt T5 wird eine Elektrodenschicht 6 abgeschieden und strukturiert, wobei insbesondere Ätzkanäle erzeugt werden.
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In einem sechsten Schritt T6 wird eine Opferschicht 7 abgeschieden und strukturiert.
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In einem siebten Schritt T7 wird eine Isolationsschicht 8 abgeschieden und strukturiert.
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In einem achten Schritt T8 wird eine Trägerschicht 9 abgeschieden und strukturiert.
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In einem neunten Schritt T9 werden die Opferschichten geätzt und in einem zehnten Schritt T10 erfolgt ein Verschluss 10 des zwischen Membran 4 und Trägerschicht 9 gebildeten Hohlraums.
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16 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 16 sind Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran gezeigt.
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Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen eines Substrats 2.
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In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Aufbringen einer ersten Opferschicht 3 auf das Substrat, insbesondere wobei die erste Opferschicht 3 nachfolgend strukturiert wird.
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In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Aufbringen einer Membranschicht 4 auf die erste Opferschicht 3, insbesondere wobei die Membranschicht 4 nachfolgend strukturiert wird.
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In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht 5.
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In einem fünften Schritt S5 erfolgt ein Bereitstellen zumindest einer Elektrodenstruktur 6, 6a auf der zweiten Opferschicht 5 mittels Aufbringen zumindest einer Elektrodenschicht 6, welche anschließend strukturiert wird.
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In einem sechsten Schritt S6 erfolgt ein Aufbringen einer Isolationsschicht 8 auf die Elektrodenstruktur 6, 6a.
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In einem siebten Schritt S7 erfolgt ein Bereitstellen einer Trägerstruktur 9, 30 auf der Isolationsschicht 8 mittels Aufbringen zumindest einer Trägerschicht 9, welche anschließend strukturiert wird.
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In einem achten Schritt S8 erfolgt ein Entfernen der Opferschichten 3, 5 mittels zumindest eines Zugangs 30 zur jeweiligen Opferschicht 3, 5.
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In einem neunten Schritt S9 erfolgt ein Verschließen des zumindest einen Zugangs 30.
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Mit anderen Worten stellt die vorliegende Erfindung in gleichen oder unterschiedlichen Ausführungsformen die folgenden Merkmale bereit:
- Eine dünne Membran 4 wird mit einem definierten Abstand über einem Substrat 2 angeordnet. Im Substrat 2 oder in einer Opferschicht 3 zwischen Substrat 2 und Membran 4 werden bevorzugt Ätzkanäle 20 angeordnet, damit die Membran 4 schnell und definiert unterätzt werden kann. Vorteilhaft ist ein Abstand zwischen Membran 4 und Substrat 2, der geringer ist als 1/10 des Membrandurchmessers. Sammelt sich Wasser in Raum zwischen Membran 4 und Substrat 2 und gefriert, so kann die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren durch die Bewegung der Membran 4 und einer Trägerstruktur 9 kompensiert werden.
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Alternativ kann auch von der Rückseite ein Zugang 30' durch das Substrat 2 zur Membran 4 geätzt werden, damit entfällt der Schutz der Membran 4, es kann aber ebenfalls eine einfache und definierte Ätzung der Opferschicht 3 erfolgen. Damit wird ein Druckzugang von der Rückseite des Substrats 2 ermöglicht, was die Flexibilität erhöht.
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Oberhalb der Membran 4 wird mit einem definierten Abstand 70, 71 eine Elektrodenstruktur 6 vorgesehen. Dies wird durch eine Opferschicht 5 zwischen Membran 4 und Elektrodenstruktur 6 erreicht. Es können auch mehrere Opferschichten verwendet werden, um unterschiedliche Abstände zwischen Elektrodenstruktur 6 und Membran 4 zu realisieren. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, in Bereichen außerhalb der Elektrodenstruktur 6 oder am Rand der Elektrodenstruktur 6 einen größeren Abstand 70, 71 einzustellen, um die Grundkapazität des MEMS-Sensorelements 1b relativ zu einer Kapazitätsänderung gering zu halten. Weiter können mit geringeren Abständen und zusätzlichen Elektrodenstrukturen, die auf Membranpotential liegen, definierte Anschläge 50 der Membran 4 gegen Überlast definiert werden, um einen Kurzschluss der Membran 4 mit der Gegenelektrode in Form der Elektrodenstruktur 6 bei Überlast zu verhindern. Weiter können Referenzkapazitäten definiert werden, die geometrisch der eigentlichen Sensorstruktur sehr ähnlich sind. Damit können Drifteffekte kompensiert werden. Mit einer geringeren Opferschichtdicke kann beispielsweise bei gleicher Elektrodenfläche eine gleiche Grundkapazität für die Referenzkapazität ermöglicht werden wie diejenige Kapazität bei Arbeitsdruck einer schon ausgelenkten Sensormembran, wie in 2 dargestellt ist. Weiter kann die Membran 4 der Referenzkapazität in gleicher Weise wie die Membran 4 freigestellt werden. Die Membran 4 kann über zusätzliche Elektrodenstrukturelemente 51, die eine Verbindung zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 herstellen, versteift werden. Günstig ist wenn diese Verbindungselemente 51 in gleicher Weise und mit ähnlicher Geometrie wie die Anschlagselemente 50 der Membran 4 angeordnet beziehungsweise ausgebildet werden.
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Die Elektrodenstruktur 6 wird weiter durch eine dielektrische Schicht 8 an der Trägerstruktur 9 „aufgehängt“. Es ist vorteilhaft, zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerstruktur 9 zusätzlich eine Opferschicht 7 vorzusehen, die es ermöglicht, die Elektrodenstruktur 8 nur an wenigen Punkten an der Trägerstruktur 9 aufzuhängen. Vorteilhafterweise sind die Membran 4, die Elektrodenstruktur 6 und die Trägerschicht 9 aus dem gleichen Material hergestellt, so dass in diesem Schichtaufbau kein intrinsischer Stress „eingebaut“ wird. Ein besonders vorteilhaftes Material ist dabei polykristallines Silizium. Weiter ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, kleine Aufhängungen 8 zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerstruktur 9 zu verwenden, um so die Menge an Fremdmaterial, also Material mit anderen physikalischen Eigenschaften zu verringern. Damit können beispielsweise unerwünschte Bimetalleffekte aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten verringert werden.
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Die Membran 4 wird in vorteilhafterweise umlaufend mit der Trägerstruktur 9 verbunden. Nur in einem Bereich 80, wo die Trägerstruktur 9 mit dem Substrat 2 verbunden ist, wird in diesem die genannte Verbindung aufgehoben, um einerseits die Elektrodenstruktur 6 elektrisch nach außen führen zu können und um optional auch einen Ätzkanal und einen Belüftungskanal in den Membranbereich hinein führen zu können.
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Die Trägerstruktur 9 wird vorzugsweise, um eine gute Stressentkopplung zu erreichen, nur an einer Stelle mit dem Substrat 2 verbunden. Auf einem Chip 100 können mehrere Trägerstrukturen 9 vorgesehen werden. Es können auch auf einer Trägerstruktur 9 mehrere Membranen angeordnet werden. Wird eine große Trägerstruktur 9 vorgesehen, so kann sie vorteilhafterweise an einer Stelle fest mit dem Substrat 2 verbunden werden. An dieser Festlegeposition kann dann auch die elektrische Zuführung zur Elektrodenstruktur 6 erfolgen. An weiteren Stellen kann die Trägerstruktur 9 über Federn 15 zusätzlich am Substrat 2 verankert werden. Die Federn 15 können derart gewählt werden, dass sie die Robustheit der Trägerstruktur 9 erhöhen, aber die Stressempfindlichkeit des MEMS-Sensorelements 1b auf Verbiegung noch nicht zu stark beeinflussen.
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Der Referenzdruck im Hohlraum 40 zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 kann in einem einfachen Fall durch Ätzzugänge in der Trägerstruktur 9, einer Opferschichtätzung durch diese Ätzzugänge 30 und einen anschießenden Verschluss 10 der Ätzzugänge 30 durch beispielsweise eine Oxidabscheidung erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es aber, den Ätzzugang 30 und den Einschlussbereich des Referenzdrucks über die Aufhängung der Trägerstruktur 9 vom Bereich der beweglichen Membran 4 wegzuleiten und den Verschluss 10 in einem Bereich, wo die Trägerstruktur 9 mit dem Substrat 2 verbunden ist, vorzusehen. Um dies zu ermöglichen, können entweder innerhalb der Elektrodenstruktur 6, 21 und/oder in der Opferschicht 5 zwischen Membran 4 und Elektrodenstruktur 6 oder in der Opferschicht 7 zwischen Membran 4 und Trägerschicht 7 Ätzkanäle vorgesehen werden. Unter Ätzkanälen werden entweder Hohlräume verstanden oder es können auch Materialien zum Beispiel Oxide, dotierte Oxide oder dergleichen verwendet werden, die schneller geätzt werden als das dielektrische Material, zum Beispiel Nitrid, siliziumreiches Nitrid oder dergleichen zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerschicht 9.
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Der Verschluss 10 des Ätzzugangs 30 kann zum Einschluss des Referenzdrucks verwendet werden. Dies kann bevorzugt durch eine Oxidabscheidung (Bezugszeichen 10), oder durch eine Abscheidung von polykristallinem Silizium, durch eine epitaktische Silizium-Abscheidung, durch eine Metallabscheidung oder einen Aufschmelzvorgang, insbesondere einen Laser-Reseal-Prozess, insbesondere von Silizium, bevorzugt unter Vakuum, erreicht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann auch ein Kappenwafer 13 auf einen Sensorwafer mit dem MEMS-Sensor 1 gebondet werden. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 auf dieser Schicht 13 aufgebracht werden, um Wasser im MEMS-Sensor 1 zu vermeiden. Durch den Bondvorgang kann auch ein Ätzzugang 30 verschlossen werden. Gleichzeitig kann der Kappenwafer 13 zum Schutz der Trägerstruktur 9 verwendet werden. Auch kann damit eine Stufe im Bereich der Pads 11 für das Drahtbonden erzeugt werden. Das so gebildete Bauteil kann in dieser Variante in ein günstiges Package gemoldet werden, wobei die Kappe 13 mit einem Druckzugang aus dem Moldgehäuse herausragt und die empfindlichen Drahtbonds 103, 104 durch die Moldmasse 105 geschützt sind. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 auf dem Gehäuse aufgebracht werden, um Wasser im Sensorelement 1 zu vermeiden.
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Zur elektrischen Kontaktierung können elektrische Kontakte über TSVs, Durchkontaktierungen 12, über die Substratrückseite geführt werden. Der Einschluss des Referenzdrucks und die Opferschichtätzung können insbesondere über die Rückseite des Substrats 2 zusammen mit dem TSV-Herstellungsprozess vorgenommen werden. Insbesondere in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, über der Trägerstruktur 9 über eine Opferschicht eine weitere, bevorzugt elektrisch leitfähige Schicht anzuordnen. Diese kann als mechanischer und elektrischer Schutz des MEMS-Sensors 1 dienen. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 aufgebracht werden, um, wie oben beschrieben, Wasser im MEMS-Sensor 1 zu vermeiden.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Vollständige Entkopplung von Membran und Trägerstruktur vom Substrat.
- • Stress-Unabhängigkeit, insbesondere kein intrinsischer Stress.
- • Gutes Temperaturverhalten.
- • Kostengünstige Herstellung.
- • Einfache Herstellung.
- • Hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit.
- • Schutz der Membran.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.