用于制造具有与载体机械脱耦的区域的衬底的方法，用于制造至少一个弹簧和衬底的方法与流程

本发明涉及一种用于制造具有与载体机械脱耦的区域的衬底的方法、一种用于制造至少一个弹簧的方法以及一种具有机械脱耦区域的衬底。

背景技术：

在微机械压力传感器中作为机电换能器使用的半导体元件不仅接收直接通过作用到膜片上的压力影响而产生的机械应力，而且同样接收通过来自周围环境的机械干扰影响所引起的应力。这种干扰影响例如可以通过在其上装配有压力传感器的电路板或衬底的变形或通过不同材料和压力传感器的覆盖层或衬底的温度特性产生。

已知具有全面露出的压力传感器膜片的压力传感器。在此，一个或多个沟槽或者说凹槽在衬底的正面上围绕压力传感器被引入。随后，沟槽之间的接片通过在衬底的背面上引入空腔被露出并且形成用于接收机械力的弹簧。

技术实现要素：

本发明所基于的任务可以视为，提出一种具有与衬底的其余区域或者说与载体机械脱耦的区域的衬底。本发明的另一任务可以视为，降低该机械脱耦的刚度。

该任务借助从属权利要求的相应主题被解决。本发明的有利构型是与从属权利要求分别相关的主题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于制造具有与衬底机械脱耦的区域的衬底的方法，所述区域具有至少一个在该区域上布置的构件，其中，在衬底的正面上引入至少一个凹槽，在衬底的背面上准备蚀刻图案并且这样各向异性地蚀刻，使得在衬底的背面上产生垂直通道。随后，在衬底的背面上通过各向同性的蚀刻产生空腔，其中，使衬底正面上的所述至少一个凹槽与在衬底背面上的空腔连接。至少两个并排布置的凹槽或一个凹槽的至少两个区段在衬底正面和衬底背面上的空腔之间的至少一个区域中通过至少一个蚀空部相互水平连接，使得产生在所述至少两个凹槽或一个凹槽的所述至少两个区段之间布置的至少一个弹簧，该弹簧通过所述至少一个蚀空部沿其水平延伸部被划分为至少两个弹簧区段。在此，水平面相当于衬底表面的延伸或平行于该表面的延伸走向。垂直延伸相当于垂直于衬底表面延伸。

通过在衬底的正面中围绕布置有构件的区域引入凹槽或沟槽，形成在凹槽之间的接片。替代地，接片通过单独的凹槽实现，其中，凹槽例如可以圆形地或角螺旋地走向并且在至少一个区段中至少局部地具有所述单独的凹槽的至少一个相邻区段。相邻的区段同样可以形成接片。该接片通过从衬底的背面形成空腔被露出。由此，形成作为梁弹簧起作用的弹簧。所述弹簧使待脱耦区域与衬底的其余区域或者说载体连接。因此，弹簧可以使待脱耦区域与衬底之间的机械力脱耦。在此，弹簧具有垂直延展尺寸，该垂直延展尺寸相应于衬底正面的表面和衬底背面上的空腔之间的距离。弹簧根据其形状和延展尺寸具有与方向相关的刚度。弹簧梁沿垂直方向的刚度与其垂直延展尺寸的立方呈正比。通过将具有例如10μm的垂直延展尺寸的弹簧划分为两个彼此叠置的分别具有5μm的垂直延展尺寸的弹簧区段，可以使两个弹簧区段沿垂直方向的刚度降低到四分之一。在划分为三个垂直地彼此叠置的分别具有3.33μm的弹簧区段的情况下，可以使沿垂直方向的刚度以系数9减小。在此，沿水平方向的刚度不改变。所述至少两个凹槽或一个凹槽的至少两个区段在衬底正面与空穴之间的至少一个区域中通过至少一个蚀空部相互连接。在此，蚀空部使所述至少两个凹槽或一个凹槽的至少两个区段沿其整个水平延展部或仅部分地沿水平延展部连接。由此，由具有确定垂直延展尺寸的弹簧形成至少两个弹簧区段，所述弹簧区段垂直地彼此叠置并且通过蚀空部相互分开。通过该措施可以使弹簧沿垂直方向的刚度减小，由此可以实现待脱耦区域或者说构件与衬底或者说剩余衬底的改善的机械脱耦。在此，所述一个弹簧也可以是多个弹簧，这些弹簧有利地布置在待脱耦区域上或围绕待脱耦区域布置。在此，衬底可以是由硅或其他掺杂或未掺杂的半导体或非导体组成的晶片、基板、电路板、印刷电路板或类似物。

根据所述方法的实施例，载体和机械脱耦区域通过至少一个弹簧相互连接。弹簧使待脱耦区域与衬底的其余区域或者说载体连接。因此，弹簧可以通过其偏移接收载体的变形并且明显降低作用到脱耦区域上的机械力。

在所述方法的另一实施例中，所述至少一个凹槽通过各向异性的材料去除向衬底正面中引入到至少一个第一深度上。在此，各向异性的材料去除可以是铣削过程或可以等离子辅助实现的定向蚀刻过程。因此，第一深度可以限定弹簧的第一弹簧区段的垂直延展尺寸。由此，第一弹簧区段的刚度可以被确定。

根据所述方法的另一实施例，在凹槽中进行各向同性的材料去除之前，通过钝化保护区域免受材料去除。由此，各向异性的材料去除可以在多个步骤中进行而不损害受保护的区域，使得可以制造更大的深度和由此更大的弹簧区段。此外，所述钝化能够实现蚀空部的几何构型。

在所述方法的另一实施例中，所述至少两个凹槽或一个凹槽的所述至少两个区段通过借助各向异性的材料去除引入的蚀空部相互连接并且通过未去除的区域彼此分开。由此，可以产生多个弹簧区段。如上所述，弹簧的刚度可以通过弹簧区段的数量的增大而降低。在此，弹簧可以由多个弹簧区段组成，所述弹簧区段沿垂直方向彼此叠置并且相对彼此分别具有相应于蚀空部的距离。由此尤其可以改善构件的机械脱耦。

根据所述方法的另一实施例，所述至少一个蚀空部通过带来侧壁扩宽的至少两个各向异性的材料去除而产生。代替于具有所产生的几乎竖直的垂直走向并且因此具有竖直壁的各向异性的材料去除，也可以进行具有凹槽的朝着衬底背面的方向例如锥状的侧壁扩宽的材料去除。因此，侧壁扩宽可以实现划分弹簧的水平连接。例如可以使用具有大于垂直蚀刻速率的横向蚀刻速率的各向异性蚀刻步骤。这例如可以借助衬底的koh(氢氧化钾)蚀刻过程和合适的晶体取向实现，或者借助干化学深蚀刻(drie)实现，其中，钝化/蚀刻周期时间匹配于这种扩宽。该过程也可以多部分地进行，直到在衬底正面与衬底侧面上的空腔之间形成连续的垂直连接。优选地，在该过程中，弹簧沿其水平延展部被划分为多个弹簧区段。

根据所述方法的另一实施例，通过蚀刻过程进行各向同性的材料去除。由此，各向同性的材料去除例如可以是化学蚀刻过程，所述化学蚀刻过程非定向地并且均匀地溶解和去除衬底材料。

在所述方法的另一实施例中，通过离子深蚀刻进行各向异性的蚀刻。由此，例如可以根据drie过程(deepreactiveionetching)使用反应的离子深蚀刻来引入凹槽。

在所述方法的另一实施例中，光刻地施加蚀刻图案。由此，能够特别容易地将用于进一步蚀刻过程的掩膜安置到衬底上。因此，也可以同时执行多个蚀刻过程。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通过衬底中的至少一个凹槽制造至少一个弹簧以使一区域与衬底的载体机械脱耦的方法。在此，在第一步骤中，将所述至少一个凹槽通过各向异性的材料去除引入到第一深度上。在至少一个第二步骤中，通过各向同性的材料去除在第一深度的高度上将至少一个蚀空部引入到衬底中直至第二深度，并且通过所述至少一个蚀空部使两个不同的凹槽或至少一个单独的凹槽的至少两个区段相互连接。在至少一个第三步骤中，使所述至少一个凹槽通过各向异性的材料去除继续延伸到第三深度。由此，在第一步骤中将所述至少一个凹槽以限定的深度引入到衬底中。在第二步骤中，使凹槽或一个凹槽的至少两个区段相互连接，使得用于使区域与载体机械脱耦的所述至少一个弹簧的第一弹簧区段露出。在第三步骤中可以继续实施各向异性的材料去除，使得所述至少一个凹槽建立与衬底背面上的空腔或与衬底背面的连接。由此，能够通过简单的技术手段制造具有两个弹簧区段的弹簧。

根据用于制造至少一个弹簧的方法的实施例，交替重复至少一个第二步骤和至少一个第三步骤，直到所述至少两个凹槽或一个凹槽的至少两个区段与衬底背面上的空腔或与衬底背面连接。上述步骤也可以被多次重复。在此，通过相应的材料去除可达到的深度可以被这样控制或者说调节，使得形成多个弹簧区段，直到凹槽建立在衬底正面与衬底背面上的空腔或衬底背面之间的连接。

根据本发明的另一方面，提供具有载体和与载体机械脱耦的区域的衬底，其可以根据本发明的上述方面的方法制造，其中，机械脱耦区域具有至少一个在其上布置的构件并且机械脱耦区域具有至少部分地围绕脱耦区域走向的至少一个凹槽，该凹槽限定至少一个弹簧，其中，所述至少一个弹簧通过平行于弹簧走向的至少一个蚀空部划分为至少两个彼此平行走向的、垂直叠置的弹簧区段。由此，衬底具有通过弹簧与衬底的其余部分或者说载体脱耦的区域。通过将弹簧垂直地划分成多个弹簧区段，可以弹簧改善沿垂直方向的刚度并且因此能够实现待脱耦的区域与载体的优化的机械脱耦。在此，待脱耦的区域可以具有一个或多个构件。优选地，待脱耦区域具有带膜片的压力传感器，所述膜片与压电元件直接连接并且在压力升高或压力降低时这样机械地激励所述压电元件，使得可以在压电元件上测量和分析处理与压力有关的电压。替代地，温度传感器也可以作为构件布置在待脱耦区域上，因为温度波动同样可以导致与温度传感器相邻的区域的强烈的热膨胀和由此的负载。替代地或附加地，可以在构件旁在待脱耦的区域上布置温度传感器，以便能够准确地确定脱耦区域上的温度。脱耦区域通过机械脱耦也具有热脱耦。

在衬底的实施例中，在至少两个凹槽或一个凹槽的至少两个区段之间的至少一个弹簧上布置电导体，该电导体使机械脱耦区域与载体电连接。由此，在待脱耦区域上的构件或者说多个构件可以被供应以电能并且可以测量相关参数、例如压电电压或热电压。弹簧例如可以在衬底的正面上具有一个或多个电导线和/或在衬底的背面上同样具有电导线，所述电导线可以引导至待脱耦区域或从所述待脱耦区域引导出。

根据衬底的另一实施例，所述至少一个弹簧具有布置在载体和机械脱耦区域之间的至少一个圈。由此，弹簧可以螺旋形地实施并且多次折叠。通过该措施尤其能够减小弹簧的水平刚度并且优化沿水平方向的脱耦。

根据衬底的另一实施例，机械脱耦区域通过至少一个弹簧与载体连接。由此，待脱耦区域可以通过至少一个弹簧与载体连接并且平衡两个区域之间的机械力。

附图说明

下面借助强烈简化的示意性视图详细阐述本发明的优选实施例。

在此示出了：

图1根据第一实施例的衬底的示意性俯视图，

图2图1的示意性横截面a-a并且阐述了根据第一实施例的用于制造弹簧的方法和

图3图1的示意性横截面a-a并且阐述了根据第二实施例的用于制造弹簧的方法。

在附图中相同的结构设计元件分别具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据第一实施例的衬底1的实施例。衬底1具有载体2。载体2形成衬底1的围绕机械脱耦区域4布置的区域。在机械脱耦区域4上布置有构件6，其中，所述构件根据实施例是压电元件6，所述压电元件可以记录脱耦区域4的变形并且产生与脱耦区域4的变形有关的电压。载体2和脱耦区域4通过弹簧8彼此间隔开。虽然弹簧8使脱耦区域4与载体2连接，然而仍可以平衡或接收机械力。因此，弹簧8防止机械力或者说机械应力的传递。弹簧8通过在两侧布置的凹槽12、14形成。凹槽12、14使衬底1的在图1中可见的正面10与衬底1的不可见的背面20连接。凹槽12、14l形地构型，使得凹槽12、14分别形成两个弹簧8的一侧。由此，可以通过四个l形的凹槽12、14形成四个弹簧。替代地，也可以使用两个或多个单独的凹槽12、14以用于形成弹簧8。在衬底1的正面10上，电导体16被布置到弹簧8上。根据实施例，电导体16可以由铜组成，但也可以由任意导电材料或合金组成，如铝、银、锡、石墨或类似物。在此，电导体16分别将压电元件6与布置在载体2上的未示出的分析处理电子器件连接。

在图2中示出了图1的示意性横截面a-a。在此，图2通过图2a-2c中的方法步骤阐述了根据第一实施例的用于在衬底1中制造弹簧8的方法。根据该实施例，衬底1具有空腔22，该空腔已通过相应的蚀刻图案24在衬底1的背面20上被蚀刻。在图2a和图2b中还没有形成弹簧8、9，因为凹槽12、14还未使正面10与衬底1的背面20连接。在第一步骤中，将各向异性的蚀刻执行到直至第一深度，使得形成具有水平沟状延伸部的凹槽12、14的第一深度区段。在图2b中示出的第二步骤中，进行直至第二深度的各向同性的蚀刻过程。在该各向同性的蚀刻过程中形成蚀空部26，该蚀空部使两个凹槽12、14沿所述凹槽12、14的水平延展部相互连接。通过凹槽12、14和蚀空部26形成弹簧8、9的第一弹簧区段8。在图2c中示出的第三步骤中，蚀空部26通过进一步的各向异性的蚀刻继续延伸，直到凹槽12、14使衬底1的正面10与衬底1的背面20上的空腔22相互连接。因此，通过凹槽12、14、空腔22和蚀空部26形成弹簧8、9的第二弹簧区段9。因此，弹簧8、9具有两个沿其水平延展部平行走向的弹簧区段8、9，所述两个弹簧区段相对于可比较的一体式弹簧具有降低的刚度。两个弹簧区段8、9使载体2与待脱耦的区域4连接。根据实施例，待脱耦的区域4同样具有空腔28，该空腔在待脱耦的区域4上形成膜片30。通过对膜片30加载以压力或负压，膜片30可以变形并且因此机械地作用于图1中示出的压电元件6。

在图3中示出了图1的示意性横截面。在此，图3通过图3a-3c中的方法步骤阐述了根据第二实施例的用于在衬底1中制造弹簧8的方法。与根据第一实施例的方法不同，根据第二实施例的方法在其步骤中仅具有各向异性的材料去除，该材料去除产生侧壁扩宽。由此，在蚀刻过程中蚀刻通道朝着衬底1的背面20的方向被锥状地扩宽。由此，侧壁扩宽可以这样匹配于相邻凹槽12、14的距离，使得蚀刻通道在第一深度上连接。通过该步骤形成弹簧8的第一弹簧区段32。这时可以逐步地继续该各向异性的蚀刻过程，直到例如凹槽12、14建立衬底1的正面10和背面20之间的连接。优选地，在每个蚀刻过程或者说蚀刻步骤中形成弹簧区段32、34、36、38。通过该方法可以制造具有多个弹簧区段32、34、36、38的弹簧8。在需要时，可以在蚀刻过程之前将钝化层涂覆到衬底1上或凹槽12、14中和其侧壁上，所述钝化层用作为蚀刻掩膜。