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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Mikromechanikstruktur für
integrierte Sensoranordnungen gemäß dem Patentanspruch 1 und
eine Mikromechanikstruktur für
integrierte Sensoranordnungen gemäß dem Patentanspruch 11.
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Sensoranordnungen
beziehungsweise integrierte Sensorarrays werden in zunehmendem Maße mit Techniken
der Mikromechanik hergestellt. Derartige Sensoren bzw. Sensorarrays
umfassen z. B. mechanische Sensoren oder thermische Sensoren, die auf
einem Halbleitertragkörper
ausgebildet sind. In vielen Fällen
hat der Halbleitertragkörper
eine Ausnehmung, die von einer Membran überdeckt ist, wobei auf der
Membran eine sensitive Struktur angeordnet ist.
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Bei
integrierten Infrarotsensoren bzw. hochauflösenden Infrarot-Detektorarrays
ist auf dem Halbleitertragkörper
bzw. Chip ein Sensorelement zur Messung der Intensität einer
Infrarotstrahlung ausgestaltet, beispielsweise in Form eines pyroelektrischen
Kondensators. Neben dem Sensorelement bzw. der Sensorstruktur befindet
sich auf dem Chip weiterhin eine Ausleseelektronik, die zur Verarbeitung
der von der Sensorstruktur erzeugten Signale dient. Dabei sind die
Ausleseelektronik und die Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip
aufgebracht. Die Ausleseelektronik ist im Chip integriert.
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Weitere
Sensoren mit mikromechanisch hergestellten Strukturen sind z. B.
Drucksensoren, Beschleunigungssensoren und Kraft sensoren. Auch bei derartigen
Sensoren können
Schaltungen bzw. Ausleseelektroniken im Chip integriert sein.
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Die
bekannten Sensorstrukturen mit integrierter Ausleseelektronik haben
jedoch den Nachteil eines großen
Platzbedarfs, da die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur auf
dem Chip nebeneinander aufgebracht sind. Dies führt dazu, dass auf einer vorgegebenen
Detektorfläche
bzw. bei einer vorgegebenen Chipgröße in einem integrierten Sensorarray
die Anzahl der Sensorelemente begrenzt ist. Dadurch kann z. B. die
Qualität
der Messergebnisse beschränkt
werden und es ergibt sich insbesondere bei bildgebenden oder optischen
Sensoren beispielsweise eine verschlechterte Auflösung.
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Ein
weiterer Nachteil bekannter Sensorstrukturen ist die mangelnde Stabilität gegenüber mechanischen
Einflüssen
von außen,
insbesondere bei Chips, die in ihrem Inneren Hohlräume aufweisen und
sehr dünn
ausgestaltet sind.
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In
DE 689 23 589 T2 ist
eine Matrix aus Bolometern für
die Erfassung von Strahlung in einem Spektralbereich beschrieben,
wobei die Matrix als monolithische integrierte Schaltung ausgeführt ist. Die
Schaltung enthält
eine Matrix aus Widerständen, die
jeweils einen Abstand von einer Fläche eines Substrats haben und
zum Empfangen von Strahlung ausgerichtet sind. Das Substrat trägt eine
Leseschaltung für
die Bolometer, wobei jeder Widerstand über angrenzend an die Fläche gebildeten
Leseschaltungselementen in elektrischer Verbindung mit diesen angebracht
ist. Der Widerstand und die Leseschaltungselemente bilden zusammen
ein Bolometer der Matrix.
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Aus
WO 99/05723 A1 ist
ein Bolometer mit Bandbreiten bekannt, wobei das Bolometer ein Substrat,
einen Detektor für
sichtbares Licht und eine Detektorschicht sowie eine Absorberschicht
aufweist. Der Detektor für
sichtbares Licht ist in dem Substrat ausgebildet, wobei die Detektorschicht
in einer ersten Distanz von dem Substrat und durchlässig für sichtbares
Licht ist, um eine Temperaturänderung
zu detektieren. Die Absorberschicht ist auf einer Oberfläche der
Detektorschicht angeordnet, die dem Substrat zugewandt ist und durchlässig für sichtbares Licht
ist für
wenigstens teilweise absorbierende Infrarotstrahlung.
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In
der
US 4 754 139 A ist
eine zweidimensionale Infrarotfokalebene beschrieben, die mit einem Detektor-Array
zum Reduzieren der thermischen Leitfähigkeit zwischen Detektoren
und zwischen Detektor und seiner Umgebung ausgestattet ist, um den Störabstand
und die räumliche
Auflösung
zu erhöhen,
ohne dass eine Kühlung
erforderlich ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung einer Mikromechanikstruktur, insbesondere für integrierte
Sensoranordnungen anzugeben, mit dem sehr kleine und dennoch stabile
Sensorstrukturen bzw. Sensorarrays gefertigt werden können. Weiterhin
soll eine Mikromechanikstruktur für integrierte Sensoranordnungen
geschaffen werden, die stabil gegen äußere Einflüsse ist und sehr kompakt bzw.
Platz sparend ausgestaltet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren zur Herstellung einer Mikromechanikstruktur
gemäß Patentanspruch
1 und durch die Mikromechanikstruktur gemäß Patentanspruch 11. Weitere
vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Deteils der Erfindung er geben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Mikromechanikstruktur, die insbesondere für integrierte
Sensoranordnungen geeignet ist, umfasst die Schritte: Bereitstellen
eines Substrats, das eine Ausleseelektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik
aufweist und das mit ein oder mehreren Kontaktflächen versehen ist; Aufbringen
einer Schichtfolge auf das Substrat, so dass die Kontaktflächen überdeckt
sind, wobei die Schichtfolge eine Hilfsschicht und eine Membran
umfasst; Einbringen von ein oder mehreren Metallstrukturen in die
Hilfsschicht, so dass sie die Kontaktflächen berühren; und selektives Ätzen der
Hilfsschicht wobei die Metallstrukturen zur Stützung der Mikromechanikstruktur und
zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktflächen bestehen bleiben.
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Die
Metallstrukturen können
gegebenenfalls noch mit einer isolierenden Schicht umgeben werden oder
sein.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren können Mikromechanikstrukturen
für integrierte
Sensorarrays sehr platzsparend hergestellt werden, wobei dennoch
eine hohe Stabilität
gewährleistet
ist. Damit entsteht eine sehr platzsparende, insbesondere CMOS-kompatible
Oberflächenmikromechanikstruktur,
wobei die Sensorstruktur und die Ausleseelektronik mit großer Dichte
auf einem Chip ausgeführt werden
kann.
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Insbesondere
können
die Ausleseelektronik beziehungsweise die Bauelemente der Ausleseelektronik
und die Sensorstruktur auf einem Chip vertikal bzw. vertikal übereinander
angeordnet werden, so dass Chipfläche eingespart wird. Damit
können
die Sensorstrukturen und einzelne Sensorelemente besonders dicht
aneinander angeordnet werden.
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Durch
das Einfügen
eines Elements in die Struktur, das gleichzeitig zum Stützen der
Struktur und zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen
der Ausleseelektronik bzw. -schaltung oder deren Bauelemente und
den Sensorstrukturen dient, wird insbesondere die vertikale Anordnung
von Ausleseelektronik und Sensorstruktur und damit ein wesentlich
verringerter Bedarf an Chipfläche
ermöglicht.
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Bevorzugt
umfasst die Schichtfolge eine Passivierung, die vor dem Aufbringen
der Hilfsschicht auf das Substrat aufgebracht wird. Damit erfolgt
auf wirksame Weise ein Ätzstopp
beim Ätzen der
Hilfsschicht, so dass das darunter liegende Substrat nicht durch
das Ätzmittel
angegriffen wird.
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Vorteilhafterweise
wird zur Ausbildung der mindestens einen Metallstruktur ein Kontaktloch durch
die auf das Substrat aufgebrachte Schichtfolge geätzt, das
anschließend
z. B. mit einem Metall gefüllt
wird. Damit kann auf relativ einfache Weise eine säulenartige
Stützstruktur
geschaffen werden, die darüber
hinaus eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und somit
zur Stützung
und gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung dient.
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Bevorzugt
erfolgt das Ätzen
der Hilfsschicht durch ein oder mehrere Öffnungen in der Membran, um
einen Hohlraum in der Hilfsschicht auszubilden. Dadurch kann beispielsweise
eine thermische Isolierung der Membran bzw. der darüberliegenden
Sensorstruktur gegenüber
dem darunter liegenden Substrat erfolgen.
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Nach
dem Ätzen
der Hilfsschicht können
die Öffnungen
in der Membran verschlossen werden. Dadurch ist es möglich, einen
abgeschlossenen Innenraum innerhalb der Mikromechanikstruktur zu schaffen,
wobei der Aufwand beim Fertigungsprozess gering gehalten wird.
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Insbesondere
kann die Metallstruktur aus Wolfram gebildet sein, das sehr gute
elektrische und mechanische Eigenschaften für den vorgesehenen Zweck aufweist.
Jedoch können
als Material für
die Metallstrukturen auch andere Metalle oder Edelmetalle verwendet
werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Prozessschritt zum Ätzen
der Hilfsschicht so geführt,
dass das Material der Hilfsschicht an der Metallstruktur und/oder um
die Metallstruktur herum bestehen bleibt. Dies hat den Vorteil,
dass die Metallstruktur vor einem Ätzangriff wirksam geschützt wird
und die Isolation der Stützen
untereinander verbessert wird. Darüber hinaus können die
angrenzenden Teile der Hilfsschicht auch eine Stützfunktion übernehmen, wodurch sich eine
noch höhere
Festigkeit der Mikromechanikstruktur bzw. eine größere Stabilität gegenüber mechanischen
Einflüssen
ergibt.
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Bevorzugt
ist das Substrat ein Wafer, der eine Ausleseelektronik oder Bauelemente
einer Ausleseelektronik umfasst, wobei die Kontaktflächen zur Kontaktierung
der Ausleseelektronik dienen. Dadurch können z. B. die Ausleseelektronik
bzw. Halbleiterschaltung beziehungsweise deren Bauelemente in dem
Wafer angeordnet bzw. integriert sein und durch die auf den Kontaktflächen befindlichen
Metallstrukturen kann die Ausleseelektronik mit einem darüber liegenden
Sensorelement elektrisch leitend verbunden werden. Die als Stützen ausgebildeten
Metallstrukturen können
sich auf den Kontaktflächen
an der Oberfläche
des Substrats bzw. Wafers abstützen, darüber liegende
Strukturen stabil tragen und gleichzeitig elektrisch kontaktieren.
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Weiterhin
kann auf einem Verschlussmaterial, das auf der Membran aufgebracht
ist und beispielsweise zur Verschließung des Hohlraums dient, eine
Verdrahtung elektrischer Bauelemente insbesondere mittels Phototechnik
erfolgen. Weiterhin kann nach der Ausbildung der Metallstrukturen
restliches Metall von der Oberfläche
der Membran entfernt werden. Dadurch kann eine Oberfläche geschaffen werden,
auf der elektrisch leitende Strukturen und Sensorelemente angeordnet
werden können.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird eine Mikromechanikstruktur für integrierte
Sensoranordnungen geschaffen, die ein Substrat umfasst, das mit
einer Ausleseelektronik oder Bauelementen einer Ausleseelektronik
und an seiner Oberfläche
mit einer oder mehreren Kontaktflächen versehen ist, sowie eine
Schichtfolge, die auf dem Substrat aufgebracht ist und die eine
Hilfsschicht und eine darüberliegende
Membran umfasst, wobei innerhalb der Schichtfolge ein Hohlraum ausgebildet
ist, und ein oder mehrere metallische Stützelemente zur Stützung der
Mikromechanikstruktur vorgesehen sind, durch welche die innenliegenden
Kontaktflächen
von außen
elektrisch kontaktiert sind.
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Durch
die Mikromechanikstruktur ist es möglich, Chipfläche einzusparen
und gleichzeitig eine hohe Stabilität zu gewährleisten. Insbesondere bei der
Ausbildung von integrierten Sensorarrays ergibt sich ein wesentlich
geringerer Raumbedarf, wobei Sensorstrukturen und Ausleseschaltungen
in einem Chip vertikal übereinander
angeordnet werden können.
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Vorteilhafterweise
sind die Stützelemente säulenartig
auf den Kontaktflächen
ausgebildet und sie verlaufen beispielsweise senkrecht zur Oberfläche des
Substrats. Damit können
sie eine besonders große
Kraft aufnehmen, ohne dass die Gefahr einer Zerstörung besteht.
Es ergibt sich eine sehr gute Stützfunktion
zur Abstützung
von Sensorstrukturen, die auf der Membran ausgebildet sind, gegenüber der
Substratoberfläche.
Zusätzlich
besteht beispielsweise eine direkte elektrische Verbindung zwischen vertikal übereinander
angeordneten Sensorstrukturen und Auswerteschaltungen.
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Bevorzugt
umfassen die Stützelemente
Material der Hilfsschicht und einen metallischen Kern, wobei die
Stützelemente
vorteilhafterweise an den Hohlraum angrenzen und die z. B. deckelartige
Membran durchdringen und gleichzeitig abstützen können. Dadurch ergeben sich
Stützelemente
mit einer besonders wirksamen Stützfunktion,
da ein Teil der Hilfsschicht zur Abstützung beiträgt und die Membran wirksam
abgestützt
wird. Weiterhin kann eine derartig ausgestaltete Mikromechanikstruktur
auf relativ einfache Weise mikromechanisch bzw. oberflächenmikromechanisch
hergestellt werden.
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Die
Mikromechanikstruktur umfasst beispielsweise eine Sensorstruktur,
wobei die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur vertikal angeordnet sind.
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Die
Stützelemente
sind vorteilhafterweise aus Wolfram gebildet, das beispielsweise
mit Hilfe eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) in den
Kontaktlöchern
innerhalb der Hilfsschicht abgeschieden (eingefüllt) wurde. Dadurch können die Stützelemente
sehr exakt platziert werden, wobei der Aufwand bei der Herstellung
gering gehalten wird.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein integriertes Sensorarray
mit einer Sensorstruktur und einer daran gekoppelten Ausleseelektronik
geschaffen, das eine erfindungsgemäße Mikromechanikstruktur, wie
sie oben beschrieben wurde und nachfolgend noch näher erläutert wird, umfasst.
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Vorteile
und Merkmale, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben sind, gelten
selbstverständlich
auch für
die Mikromechanikstruktur, ebenso wie Vorteile und Merkmale, die
im Zusammenhang mit der Mikromechanikstruktur genannt werden, auch
für das
erfindungsgemäße Verfahren
gelten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen her beschrieben. Dabei zeigt
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1 in
schematischer Darstellung die einzelnen Schritte bei der Herstellung
der Mikromechanikstruktur gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
der technologische Ablauf des Herstellungsverfahrens gezeigt, wobei
die Buchstaben A bis L die Mikromechanikstruktur in verschiedenen
Phasen der Herstellung zeigen.
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Ausgegangen
wird von einem Wafer 1, der mit einer Ausleseelektronik
oder Teilen davon versehen ist. An der Oberfläche des Wafers 1 sind
metallische Kontaktflächen 2 beispielsweise
in Form von Aluminium-Pads oder Poly-Padsausgebildet. Der Wafer 1 bildet
ein Substrat, das die Ausleseelektronik beziehungsweise Teile davon
enthält,
wobei die Kontaktflächen 2 zur
Kontaktierung der Ausleseelektronik bzw. Halbleiterschaltung dienen.
Auf den so bereitgestellten Wafer können weitere Schichtfolgen aufgebracht
werden (A).
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Nun
wird eine Passivierung 3 auf die Oberfläche des Substrats bzw. Wafers 1 aufgebracht,
wobei die Passivierung 3 die Kontaktflächen 2 bzw. Pads überdeckt.
Die Passivierung 3 ist vorzugsweise durch eine oder mehrere
Nitridschichten bzw. Si-Nitrid-Schichten
gebildet. Die obere Silizium-Nitridschicht der Passivierung 3 dient
als Ätzstopp
für eine spätere Hohlraumätzung oberhalb
der Passivierung 3, so dass das darunterliegende Substrat 1 nicht
angegriffen wird. (B) In dem nun folgenden Prozessschritt wird auf
die Nitridschicht der Passivierung 3 eine Hilfsschicht 4 aufgebracht,
die beispielsweise eine Plasmaoxidschicht ist. Die Plasmaoxidschicht bzw.
Hilfsschicht 4 ist z. B. eine 0,5 μm dicke Schicht, die zur Herstellung
der Stützstruktur
mit einem elektrischen Kontakt dient. Die Plasmaoxidschicht bildet eine
Opferschicht für
die spätere
Hohlraumätzung (C).
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Nun
wird auf das Plasmaoxid der Hilfsschicht 4 eine weitere
Schicht als Membran 5 aufgebracht. Die Membranschicht bzw.
Membran 5 ist beispielsweise eine Si-Nitridschicht und
hat z. B. eine Stärke von
etwa 0,2 μm
(D).
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Anschließend wird
in die auf dem Substrat 1 aufgebrachten Schichten ein Kontaktloch 5a geätzt, das
bis auf die Pads bzw. Kontaktflächen 2 der
Ausleseelektronik reicht. Das Kontaktloch 5a wird senkrecht
von der Oberseite der Schichtfolge bzw. der Membran 5 nach
unten hin senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet. Der Durchmesser
des Kontaktlochs beträgt
beispielsweise 1 bis 2 μm
(E) und (F).
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Anschließend wird
das Kontaktloch 5a bzw. werden die Kontaktlöcher 5a mit
einem elektrisch leitenden Material bzw. einem Metall aufgefüllt, wobei vorteilhafterweise
Wolfram verwendet wird. Das elektrisch leitende Material in den
Kontaktlöchern 5a reicht
von der Oberfläche
der Membran 5 säulenartig hinab
bis auf die Oberfläche
der Kontaktflächen 2,
so dass es einen durchgehenden elektrischen Kontakt von der Oberfläche der
so gebildeten Struktur zu den im Inneren der Struktur gelegenen
Kontaktflächen 2 bildet.
Nach dem Füllen
der Kontaktlöcher
mit dem Metall bzw. Wolframmetall befindet sich eine Metallschicht 6 auf
der Oberfläche
der Membran 5 (G).
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Nun
wird das Metall bzw. Wolfram, das sich auf der Oberfläche der
Membran 5 befindet, entfernt (H), oder über eine Fototechnik strukturiert.
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Der
nächste
Schritt umfasst die Ätzung
von Löchern 5b in
die Membran 5 bzw. Silizium-Nitrid Membran. Die Öffnungen
bzw. Löcher 5b durchdringen
die Membran 5 vollständig über ihre
gesamte Dicke, so dass eine Verbindung von außen zu der Hilfsschicht 4 entsteht
(K).
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Als
nächster
Schritt erfolgt eine Hohlraumätzung,
wobei die Hilfsschicht 4 bzw. Plasmaoxidschicht zwischen
den Si-Nitridschichten,
d. h. zwischen der Passivierung 3 und der darüberliegenden Membran 5,
herausgeätzt
wird. Der Ätzprozess
wird dabei so geführt,
dass um das Wolfram in den Kontaktlöchern 5a Si-Oxid stehen
bleibt. Das Wolfram in den Kontaktlöchern bildet eine Metallstruktur 6a,
die als Durchkontaktierung dient. Durch das verbleibende Material
der Hilfsschicht 4 an den Metallstrukturen 6a wird
das Metall bzw. Wolfram vor einem Ätzangriff geschützt. Nun
werden die Ätzlöcher 5b in
der Membran 5 mit einem geeigneten Material nach einer
der bekannten Methoden verschlossen. Das Verschlussmaterial bildet
eine Verschlussschicht 7, auf der anschließend eine
Ver drahtung elektrischer Bauelemente z. B. mittels Phototechnik
durchgeführt
werden kann. Es ist aber auch möglich,
die Verschlussschicht 7 teilweise oder vollständig von
der Membran 5 zu entfernen (L).
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Die
so gefertigte Mikromechanikstruktur umfasst einen innen gelegenen
Hohlraum 4a, der nach außen hin abgeschlossen ist.
Durch die Herstellung der Kontakte durch die Oxidätzung auf
die Wolframkontakte bzw. W-flugs ergibt sich eine sehr platzsparende,
CMOS-kompatible Oberflächenmikromechanikstruktur
mit einem vom Innenraum auf die Waferoberfläche geführten Kontakt.
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Die
Mikromechanikstruktur eignet sich insbesondere für Pyrodetektoren bzw. Halbleiter-Detektoren
für Infrarotstrahlung,
wobei Ausleseschaltungen bzw. Halbleiterschaltkreise und Sensorstrukturen
in integrierten Sensorarrays platzsparend und insbesondere vertikal
bzw. übereinander
angeordnet werden können.
Das Verfahren ist mit einfachen Prozessschritten durchführbar und
somit für
die Serienfertigung geeignet. Bei der Schaffung integrierter Sensorarrays
kann Chipfläche
eingespart werden und es können
besonders dichte Sensorstrukturen geschaffen werden.