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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische
Vorrichtung mit einem auf einem Substrat vorgesehenen Verankerungsbereich,
in dem ein über
dem Substrat befindlicher Teil der Vorrichtung verankert ist, wie
z. B. für
einen Beschleunigungssensor oder für einen Aktor in Form eines Schwingspiegels.
Weitere Beispiele sind chemische Sensoren sowie passive Bauteile
in Form von Spulen, Düsen
etc.
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Solche
mikromechanischen Vorrichtungen, die üblicherweise mit Auswerteschaltungen
integriert werden, finden beispielsweise Anwendung in der Automobiltechnik,
Maschinensteuerung bzw. -regelung sowie in vielen Konsumelektronikbereichen.
Für alle
Anwendungsbereiche ist entscheidend, dass die zum Einsatz kommenden
Bauelemente mit der zugehörigen
Auswerteschaltung kostengünstig,
zuverlässig
und von hoher Funktionalität
sind.
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Obwohl
prinzipiell auf beliebige mikromechanische Vorrichtungen anwendbar,
werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende
Problematik in bezug auf einen mikromechanischen Schwingspiegel erläutert.
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Aus
der nachveröffentlichten
Druckschrift
DE 197
19 601 A1 ist ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische
Vorrichtung mit einem auf einem Substrat vorgesehenen Verankerungsbereich,
in dem ein über
dem Substrat befindlicher Teil der Vorrichtung verankert ist, bekannt.
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Mikromechanische
Schwingspiegel finden beispielsweise Anwendung als Schaltelemente
in der optischen Nachrichtenübertragungstechnik
oder als Scan-Element zur Ablenkung eines Laserstrahls zur Balkencodeerkennung,
zur Raumüberwachung
oder als Markierungsinstrument.
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Mikromechanische
Schwingspiegel sind durch die Verwendung spannungsarmer Galvanikschichten insbesondere
hinsichtlich der Spiegelflächen
ohne Verwölbung
herstellbar. Solche metallischen mikromechanischen Bauelemente werden üblicherweise
in LIGA-Technik, 3D-Tiefenlithografie und ADD-ON-Techniken hergestellt.
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Insbesondere
die letztere ADD-ON-Technik bzw. additive Technik ermöglicht eine
Verringerung der Baugröße der mikromechanischen
Lösungen
und damit verbunden eine Reduzierung des Preises und die Erschließung neuer
Einsatzmöglichkeiten.
Das schafft somit kostengünstige,
zuverlässige
und langlebige mikromechanische Vorrichtungen. Auch erlaubt die
additive Technik die Realisierung frei beweglicher Metallstrukturen
auf einem beliebigen Substrat, wie z. B. einem Siliziumsubstrat,
einen Glassubstrat oder einem Keramiksubstrat.
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Die
additive Technik erlaubt zudem, große unperforierte Flächen freizulegen,
so dass massive Spiegelflächen
mit Abmessungen bis zu einigen Millimetern hergestellt werden können. Als
Einlagen-Galvanik ist die Technik kostengünstig und gut beherrschbar.
Eine Mehrfachgalvanik ist ebenfalls durchführbar, um etwa die Verankerungsbereiche
und die Spiegelfläche
oder die Aufhängungen
getrennt herzustellen. Durch entsprechend dicke Opferschichten lassen
sich große
Kippwinkel erreichen.
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Galvanisch
abgeschiedene Metallstrukturen enthalten üblicherweise einen auf einem
Substrat vorgesehenen Verankerungsbereich, in dem ein über dem
Substrat befindlicher Teil der betreffenden Vorrichtung, z. B. eine über dem
Substrat frei bewegliche Struktur, verankert ist, um eine mechanische
und/oder elektrische Anbindung an das Substrat zu schaffen. Substrat
soll dabei im allgemeinen Sinne als Unterlage verstanden werden.
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3a–g zeigen
eine Darstellung der Prozessschritte einer ersten Ausführungsform
des üblichen
Herstellungsverfahrens für
eine mikromechanische Vorrichtung im Querschnitt.
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In 3a–g bezeichnet 10 ein
Substrat mit einer fertigprozessierten Betriebsschaltung, welches
eine Passivierungsschicht 15 mit darin eingebetteten geöffneten
An schlusspads 20 aufweist. 25 bezeichnet eine Opferschicht
in Form einer ersten Fotolackschicht, 30 eine Haftschicht
in Form einer aufgesputterten Galvanik-Startschicht (Plating Base), 40 eine
zweite Fotolackschicht, 50 eine Siliziumdioxidschicht, 60 eine
dritte Fotolackschicht und 35 eine Galvanikschicht in Form
einer Nickelgalvanik.
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Ausgangspunkt
zur Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die fertigprozessierte Betriebsschaltung
mit der Passivierungsschicht 15 und dem geöffneten
Anschlusspad 20.
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Wie
in 3a illustriert, wird in einem ersten Schritt eine
erste Fotolackschicht als Opferschicht 25 aufgebracht und
derart strukturiert, dass das Anschlusspad 20 freiliegt.
Dieses Anschlusspad 20 dient als Unterlage für den Verankerungsbereich
der herzustellenden mikromechanischen Vorrichtung. Zweckmäßigerweise kann
die erste Fotolackschicht 25 sowohl zur Öffnung des
Anschlusspads 20 als auch als Opferschicht dienen, falls
zunächst
die Öffnung
des Anschlusspads 20 in der Passivierungsschicht 15 erfolgen
muss.
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Wie
in 3b gezeigt, wird in einem nächsten Schritt die Haftschicht 30 in
Form einer Galvanik-Startschicht (Plating Base) aufgesputtert. Beim
vorliegenden Beispiel handelt es sich um eine leitfähige Schicht
aus Chrom-Kupfer. Das Chrom sorgt dabei für die Haftung zur darunterliegenden
ersten Fotolackschicht 25, das Kupfer dient als Startschicht
für den
nachfolgenden Schritt der galvanischen Abscheidung.
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Wie
in 3c dargestellt, wird auf die Haftschicht 30 eine
ca. 15 μm
dicke zweite Fotolackschicht 40 aufgeschleudert und bei
Temperaturen von typischerweise 200°C ausgehärtet.
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Mittels
dem Plasma-CVD-Verfahren (CVD = chemische Dampfphasenabscheidung)
wird dann auf der zweiten Fotolackschicht 40 eine etwa
600 nm dicke Siliziumdioxidschicht 50 abgeschieden. Die
Siliziumdioxidschicht 50 dient im folgenden als Hartmaske
zur Strukturierung der darunterliegenden zweiten Fotolackschicht 40 und
wird zu diesem Zweck mittels eines fotolitografischen Prozesses
unter Verwendung einer dritten Fotolackschicht 60 und durch
anschließendes
Plasmaätzen
strukturiert, wie in 3d gezeigt.
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Nach Überätzen der
Siliziumdioxidschicht 50 erfolgt ein Trenchätzen der
zweiten Fotolackschicht 40 durch einen anisotropen Plasmaätzprozess.
Die daraus resultierende Struktur ist in 3e gezeigt.
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In
die so entstandene, durch die zweite Fotolackschicht 40 gebildete
Polymer-Negativform wird eine mehrere Mikrometer dicke Nickelgalvanik
abgeschieden. Daraus ergibt sich die in 3f und 3g gezeigte Kammstruktur.
Dazu sei bemerkt, dass die einzelnen Bereiche der zweiten Galvanikschicht 35 an
in dieser Querschnittsdarstellung nicht sichtbaren Bereichen zusammenhängen.
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Anschließend werden
die Siliziumdioxidschicht 50 durch nasschemisches Ätzen und
die Polymer-Negativform in Form der strukturierten zweiten Fotolackschicht 40 durch
trockenchemisches Ätzen
entfernt.
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Es
folgt ein selektives nasschemisches Ätzen der Haftschicht 30 sowie
ein Ätzen
der Opferschicht in Form der ersten Fotolackschicht 25 in
einem Plasma, woraus sich die in 3g gezeigte
Struktur ergibt. Das Entfernen der Opferschicht 25 in Form
der ersten Fotolackschicht ist ein isotroper Ätzprozess, wobei der Fotolack
unter den Nickelkämmen 35 vollständig entfernt
wird.
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Das
Ergebnis ist eine kapazitive betreibbare mikromechanische Vorrichtung
mit frei beweglichen Strukturen, wie 3g entnehmbar
ist.
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Als
nachteilhaft bei dem üblichen
Herstellungsverfahren hat sich die Tatsache herausgesetllt, dass
die Verankerungsbereiche eine laterale Designgröße von typischerweise 30 μm × 30 μm aufweisen
müssen,
weil es bei der Entfernung der Haftschicht 30 (Galvanik-Startschicht
bzw. Plating Base) durch selektives nasschemisches Ätzen zu
einer starken lateralen Unterätzung
kommt. Dies beschränkt
die Designmöglichkeiten
erheblich.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber bekannten Lösungsansätzen den
Vorteil auf, dass sich damit Verankerungsbereiche für additive
Strukturen mit einer minimalen Größe von typischerweise 4 μm × 4 μm und einem
Abstand von typischerweise 3 μm
realisieren lassen, was eine Verbesserung um einen Faktor 7,5 im
Vergleich zum üblichen
Herstellungsverfahren bedeutet. Damit ist es möglich, neue Layoutansätze für Bauelemente
in additiver Technik zu realisieren, wobei im Vergleich zum üblichen
Prozessablauf lediglich eine Maskenebene hinzugefügt ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass die Verankerungsbereiche der Haftschicht als Quasi-Inselbereiche
ausgebildet werden, welche nur einen dünnen Steg zur elektrischen Ankopplung
an den Rest der Haftschicht aufweisen, wodurch es zu einem lateralen Überwachsen
der Haftschicht bei dem Aufwachsen der Galvanikschicht kommt, was
eine spätere
Unterätzung
beim Entfernen der Haftschicht verhindert. Die Überwachsung wird durch Bilden
einer derart strukturierten Maske auf der Haftschicht vor der Galvanikabscheidung
realisiert, dass der Verankerungsbereich und ein daran angrenzender Überwachsungsbereich
unmaskiert bleiben.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
in Anspruch 1 angegebenen Herstellungsverfahrens.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung findet ein Bilden einer Opferschicht auf
dem Substrat, ein Freilegen des Unterlagebereichs, ein Abscheiden
der Haftschicht auf der Opferschicht und dem Unterlagebereich und
ein Entfernen der Opferschicht nach dem Abscheiden der Galvanikschicht
statt. So lassen sich frei über
dem Substrat bewegliche Strukturen erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden der oder die dünnen Stege
derart ausgebildet, dass sie eine wesentlich geringere Breite als
Länge aufweisen.
Damit ist keine Unterätzung
beim Entfernen des nicht überwachsenen
Teils der Haftschicht zu befürchten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird als Unterlagebereich ein
metallisches Anschlusspad, vorzugsweise von einer in dem Substrat
integrierten Schaltung, bereitgestellt. Es ist sowohl eine Herstellung
als diskrete Vorrichtung als auch eine Herstellung in mit einer
Betriebsschaltung integrierten Form möglich. Bei der Integration
der mikromechanischen Vorrichtung auf einer integrierten Schaltung
kann vorteilhafterweise die Metallisierung der integrierten Schaltung
zur Verankerung verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird als Opferschicht eine erste
Fotolackschicht mit einer Dicke von einigen Mikrometern gebildet.
Der Fotolack ist in einem isotropen Ätzprozess leicht entfernbar. Bei
Verwendung einer polymeren Opferschicht ist der Abstand des Spiegelelements zum
Substrat sehr genau einstellbar, wobei Abstände von einigen Mikrometern
bis zu ungefähr
150 μm realisierbar
sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die erste Fotolackschicht
zum Freilassen des Unterlagebereichs fotolithografisch strukturiert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Haftschicht aufgesputtert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Haftschicht eine einige
Nanometer dicke leitfähige
Schicht aus Cu-Cr. Das Chrom dient als Haftschicht zum darunterliegenden
Fotolack, das Kupfer als Startschicht für die nachfolgende galvanische
Abscheidung. Andere Haftschichten, wie z. B. Cr-Au usw., sind selbstverständlich auch
möglich.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Maske auf der Haftschicht
durch folgende Schritte gebildet: Bilden einer zweiten Fotolackschicht
auf der Haftschicht; Bilden einer Siliziumdioxidschicht auf der
zweiten Fotolackschicht; fotolithografisches Strukturieren einer
dritten Fotolackschicht und Plasmaätzen der Siliziumdioxidschicht
zur Ausbildung einer Hartmaske für
die zweite Fotolackschicht und Ätzen
der durch die strukturierte Siliziumdioxidschicht maskierten zweiten
Fotolackschicht bis zur Haftschicht. Dabei dient die zweite Fotolackschicht
als polymere Negativform für
die galvanische Abscheidung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird als Galvanikschicht eine
Nickelschicht oder eine Nickel-Cobaltschicht abgeschieden. Derartige
Schichten lassen sich spannungsfrei, glatt und mit gutem Reflexionsvermögen herstellen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die erste und zweite Fotolackschicht
und die Haftschicht nach Abscheiden der Galvanikschicht entfernt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Haftschicht durch einen
Nassätzprozess entfernt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mikromechanische Vorrichtung
ein Schwingspiegel, der derart gestaltet ist, da er mindestens um
eine Achse Torsionsschwingungen ausführen kann.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung zur Illustration eines speziellen Verfahrensschrittes
bei einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfah
rens;
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2 eine
Darstellung des abschließenden
Prozessstadiums der Verankerung bei Anwendung des speziellen Verfahrensschrittes
bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1; und
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3a–g eine
Darstellung der Prozessschritte eines üblichen Herstellungsverfahrens
für eine
mikromechanische Vorrichtung im Querschnitt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente.
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1 zeigt
eine Darstellung zur Illustration eines speziellen Verfahrensschrittes
bei einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In 1 bezeichnen
zusätzlich
zu den bereits eingeführten
Bezugszeichen 120 eine Aussparung in der Haftschicht 30, 132 einen
Verankerungsbereich auf dem Anschlusspad 20, 130 einen
dünnen
Steg zur Verbindung des Verankerungsbereichs 132 mit dem
umgebenden Rest der Haftschicht 30, 133 einen Überwachsungsbereich
und 135 einen Umriss der später aufgewachsenen Galvanikschicht
(nur Verankerungspfosten ohne Fingerstruktur).
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Das
Verfahren beginnt, wie oben mit Bezug auf 3a und 3b beschrieben.
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Grundgedanke
dieses Ausführungsbeispiels
ist die Strukturierung der Haftschicht bzw. Galvanikstartschicht 30 nach
dem im Zusammenhang mit dem üblichen
Verfahren in 3b gezeigten Prozessstadium
vor dem Aufbringen der dicken zweiten Fotolackschicht 40.
Dadurch wird der Verankerungsbereich 132 bis auf den dünnen Steg 130,
der bei diesem Beispiel zur elektrischen Kontaktierung zum Bewirken
der Galvanoformung notwendig ist, von dem umgebenden Rest der Haftschicht 30 isoliert.
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Nach
der Strukturierung der Haftschicht 30, welche durch ein übliches
fotolithografisches, Verfahren bewerkstelligt werden kann, fährt das
Verfahren fort, wie oben im Zusammenhang mit 3c ff.
beschrieben.
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Bei
der Strukturierung der zweiten Fotolackschicht 40 ist allerdings
darauf zu achten, dass der den Verankerungsbereich 132 umgebende Überwachsungsbereich 133 ausgespart
wird. Dieser Überwachsungsbereich 133 hat
bei diesem Beispiel gerade die Breite der senkrechten Verkleidungsbereiche
im Kontaktloch in der Opferschicht 25 der Haftschicht 30 in 3b–f.
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Insbesondere
bewirkt die Strukturierung, dass die Galvanikschicht 35,
welche nach dem in 3e gezeigten Prozessstadium
abgeschieden wird, die Haftschicht 30 entlang des mit 135 bezeichneten
Umrisses überwächst und
lateral abdeckt. Dies führt
dazu, dass es bei der nasschemischen Entfernung der Haftschicht 30 zur
keiner Unterätzung
mehr kommt und damit zu keiner ungewollten Schwächung oder Ablösung der
Verankerungsbereiche mehr.
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Nur
im Bereich des dünnen
Stegs 130 kann das Ätzfluid
in Richtung des Verankerungsbereiches 132 wandern, aber
ihn wegen der geringen Breite von typischerweise 2 μm und der
verhältnismäßig großen Länge von
typischerweise 3–5 μm des dünnen Stegs 130 nicht
erreichen.
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Dadurch
können
die Verankerungspunkte und Anschlusspads gegenüber dem bisherigen Prozessablauf
wesentlich kleiner und dichter beabstandet gestaltet werden.
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2 ist
eine Darstellung des abschließenden
Prozesstadiums der Verankerung bei Anwendung des speziellen Verfahrensschrittes
bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1, welche der Darstellung von 3g
entspricht.
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Das
nasschemische Entfernen der restlichen Haftschicht 30 nach
der Fertigstellung der Galvanikschicht 35 (vgl. 3f)
verhindert einen elektrischen Kurzschluss der Verankerungsbereiche 132.
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Nach
dem Entfernen der Opferschicht 25 in Form der ersten Fotolackschicht
durch einen isotropen Ätzprozess,
wobei der Fotolack unter den Nickelkämmen 35 vollständig entfernt
wird, erhält
man als Ergebnis die in 2 gezeigte kapazitive betreibbare
mikromechanische Vorrichtung mit frei beweglichen Strukturen, beispielsweise
einen mikromechanischen Schwingspiegel.
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Anstelle
der Unterätzung
tritt die Überwachsung
der Ränder
des Anschlussbereichs 132 mit der Galvanikschicht 35 entlang
des Umrisses 135 (mit Ausnahme des kleinen in 2 nicht
gezeigten Stegbereichs).
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Obwohl
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist es darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar.
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Insbesondere
sind die Auswahl der Schichtmaterialien und die Dicke der aufgebrachten
Schichten anwendungsspezifisch auswählbar. BEZUGSZEICHENLISTE:
| 10 | Substrat |
| 15 | Passivierungsschicht |
| 20 | Anschlusspad |
| 25 | Opferschicht,
erste Fotolackschicht |
| 30 | Haftschicht |
| 40 | zweite
Fotolackschicht |
| 50 | Siliziumdioxidschicht |
| 60 | dritte
Fotolackschicht |
| 35 | Galvanikschicht |
| 120 | Aussparung |
| 130 | dünner Steg |
| 132 | Verankerungsbereich |
| 133 | Überwachsungsbereich |
| 135 | Umriss
des Überwachsungsbereichs |
