微机械装置和用于制造微机械装置的方法与流程

本发明基于一种微机械装置，其具有硅基底，所述硅基底具有置于其上的氧化物层和置于其上的微机械功能层，它们平行于主延伸平面延伸，其中，至少在微机械功能层和氧化物层中构造有空穴。

背景技术：

基于硅微机械的传感器在汽车制造和娱乐电子部件中使用，以用于测量加速度、转速、压力、磁场和其他变量。硅晶片技术带来了批量制造这些传感器的优点。娱乐电子部件领域中的主要发展趋势是结构元件的小型化、多个不同功能的集成以及成本降低。

不同的传感器元件越来越多地集成在一个构件中，例如加速度和转动速率传感器。这既可以在封装中也可以在晶片层级上实现。如果将设计用于通过空穴内部压力来进行不同阻尼的加速度和转速芯片放置在一个晶片上，则能够以两种不同的类型调设内部压力。专利us8546928b2说明了空穴内部压力借助于吸气剂的调设。专利de102014202801说明了通过两阶段的方法、即借助于激光打孔或沟槽来打开并且利用激光熔化方法来再次封闭在晶片上的相邻腔中产生两个内部压力。该方法也适用于在空穴中包围特别低的内部压力或包围对温度特别敏感的介质。

技术实现要素：

本发明基于一种微机械装置，其具有硅基底，该硅基底具有置于其上的氧化物层和置于其上的微机械功能层，它们平行于主延伸平面延伸，其中，至少在微机械功能层和氧化物层中构造有空穴。本发明的核心在于，在氧化物层或也在微机械功能层中构造有入口通道，所述入口通道从空穴开始平行于主延伸平面地延伸并且在此在垂直于主延伸平面的投影方向上看延伸到空穴外部的入口区域中。

本发明的一种有利构型设置为，在功能层中构造另外的入口通道，该另外的入口通道在入口区域中垂直于主延伸平面延伸并且与入口通道连接。有利地，由此可以实现该入口通道并且因此实现空穴。

本发明的一个有利构型设置为，另外的入口通道构造为drie沟槽。因此，能够有利地实现具有高的宽高比的通道并且因此在主延伸平面中实现低的面积消耗。

本发明的一个有利构型设置为，另外的入口通道在键合垫区域中通到微机械装置的外表面上。有利地，由此可以调设空穴中的气氛。在这种布置中，不必将另外的入口通道引导穿过罩。

有利的是，在入口区域旁边的部分区域中去除功能层，其方式是，在那里引入缺口。有利地，在入口区域中以激光脉冲熔化功能层的一部分，并且由此封闭入口通道。凝固后，材料局部地冷却并在此相对于较冷的环境收缩。这在材料内产生拉应力。该应力会在功能层的边缘处降低，因此有利的是在围绕熔化区附近将功能层在部分区域中尽可能大范围地去除。此外有利的是，使功能层的棱边尽可能靠近熔化区地设置。特别有利的是功能层的围绕熔化区的区域的窄和高的几何形状，以便能够良好地降低应力。

有利的是，功能层的棱边关于熔化区设置有小于熔化区的两倍直径的距离。

特别有利的是，熔化区设置到功能层的舌部上，该舌部的宽度小于熔化区的直径的5倍。

有利的是，舌部在垂直于入口区域的棱边的方向上的长度至少相当于舌部在平行于棱边的方向上的宽度的一半。

此外有利的是，功能层的厚度至少为该结构在平行于入口区域的棱边的方向上的宽度的五分之一。

此外有利的是，在微机械功能层的区域中的垂直开口的直径小于功能层在垂直于入口区域的棱边的方向上的宽度的一半和/或垂直开口的直径小于功能层的两倍层厚度。该入口不应变得过大，因为否则熔化后会存在过少的材料并且在凝固后要构造的高度会过低。

此外，值得期望的是，仅功能层熔化并且基底材料不融化或不过多地融化，以便在凝固后在基底中尽可能少地建立应力。因此，一方面有利的是，对于功能层和功能层下方的结构使用具有比基底的导热能力更低的导热能力的材料系统。同时有利的是，利用短的激光脉冲将功能层熔化，以便将基底用作散热器。这样可以实现功能层熔化，但是由于相对较好的导热能力、更有利的几何形状以及由于时间动态性，基底根本不熔化或局部非常有限地熔化。

本发明也涉及一种用于制造微机械装置的方法。利用该根据本发明的方法可以省去到目前为止所需的附加处理步骤。可以取消微机械装置中到目前为止用作为射束捕获部的位置。由此能够实现更小和成本更有利的构件。

利用激光钻孔方法或挖槽过程的打开过程能够以化学和电的方式改变微机械功能元件的表面。在根据本发明的方法中，打开过程局部地远离微机械功能元件地并且也在空穴外部进行。因此，更好地保护了微机械功能元件的表面免受化学和电变化。

在现有技术中，在以激光封闭之前，将用于封闭的局部表面回降到罩晶片的原始表面之下，以防止在随后的处理和封装步骤期间损伤封闭点。在技术上，该回降只能在非常有限的范围内进行。在根据本发明的方法中，封闭部由结构决定地位于明显更深的地方，因而在随后的处理和封装步骤期间被更好地保护。

在现有技术中，在激光封闭时会在材料中建立一定量的拉应力。在根据本发明的方法中，在所有材料部件中都建立明显更低的应力。因此，封闭部在机械上更加稳固和更不敏感。

在现有技术中，激光脉冲必须非常精确地遇到要封闭的开口，因而在凝固之后在围绕入口通道产生对称的应力分布并且避免形成裂纹。根据本发明的方案，通过功能层的结构化和所选择的导热能力来实现激光器关于功能层中的结构的自调节效应，由此给出明显更好和更不敏感的可制造性。

附图说明

图1示出现有技术中的微机械装置。

图2a至2g示出各个制造阶段中的具有水平入口通道的根据本发明的微机械装置。

图3示出具有封闭的水平通道的根据本发明的微机械装置。

图4示意性示出根据本发明的用于制造微机械装置的方法。

具体实施方式

图1示出了现有技术中的微机械装置。该装置具有硅基底100，该硅基底具有置于该硅基底上的氧化物层200和置于该氧化物层上的微机械功能层300，它们平行于主延伸平面10延伸。氧化物层200多层地构造并且包含接触微机械装置的至少一个电布线平面220。在微机械功能层300和氧化物层200中形成两个空穴320、321。所述空穴由罩600封闭。穿过罩600将垂直的入口通道2引入到空穴320中。与入口通道2相对地布置有射束捕获部4。在该射束捕获部旁边，在空穴320中布置有微机械功能结构。入口通道2被激光熔化封闭部3封闭。垂直于主延伸平面10地看，在罩600旁边布置有键合垫区域500，该键合垫区域构造在功能层300中。键合垫区域500具有键合垫520，该键合垫用于电接触微机械装置。

专利de102014202801说明了，通过两阶段的方法在晶片上的相邻腔中建立两个内部压力。

在此，首先借助于博世过程(boschprozess)(drie，“挖槽”)通过硅蚀刻施加罩晶片中的气体可穿透的通道2(“通风孔”)。该蚀刻步骤可以与用于mems元件的外部接触的键合垫520的露出一起进行。然而，该蚀刻步骤的过程时间由于通风通道的较高的宽高比与没有该通道的蚀刻步骤相比增大。

在随后的步骤中调设所期望的气压，然后借助于短激光脉冲以激光熔化封闭部从上方将该通道气密封闭。在此，多余的激光能量被射束捕获部4吸收。

在硅熔化和凝固时形成尖端。为了防止在随后的处理和封装步骤期间损伤封闭点，在以激光封闭之前将用于封闭部的局部表面回降到罩晶片的原始表面之下，如在de102015220890中所说明的那样。因为激光束的强度选择成使得硅熔化并且为了通风设置有通风孔，所以激光辐射也到达传感器晶片的表面上。因此，在通风通道下方未布置有源电路或机械结构。

图2a至2d示出了在各个制造阶段中的具有水平入口通道的根据本发明的微机械装置。图2a在第一阶段中示出了硅基底100，其具有置于该硅基上的氧化物层200和置于该氧化物层上的微机械功能层300，它们平行于主延伸平面10地延伸。氧化物层200多层地构造并且包含接触微机械装置的至少一个电布线平面220。在微机械功能层300和氧化物层200中设有两个空穴320、321。在空穴320、321中布置有微机械功能结构。在氧化物层200中施加具有空腔6的水平氧化物通道，该空腔从键合垫区域500开始达到空穴320。

图2b在第二阶段中示出了具有入口通道250的微机械装置，该入口通道构造在介电层、即氧化物层200中。入口通道250从空穴320开始平行于主延伸平面10地延伸。在此，在垂直于主延伸平面(10)的投影方向(20)上看，所述入口通道延伸至键合垫区域500。入口通道250由具有空腔的水平氧化物通道构成。为此，通过气相蚀刻已经去除了围绕水平蚀刻入口的氧化物。

图2c在第二阶段中示出了具有封盖部的微机械装置，该封盖部具有罩600，所述罩封闭空穴320和另外的空穴321。在此，罩600通过罩晶片形成，该罩晶片在借助于晶片键合之后已经被施加。

图2d示出了被封盖的微机械装置的俯视图。示出了在邻接的键合垫区域500旁边的罩600。在键合垫区域500中，在键合垫520旁边布置有蚀刻掩模510。蚀刻掩模510限定了入口区域400和另外的入口通道350的横截面，该另外的入口通道随后从这里开始掘进。

图2e在第一实施例中示出根据本发明的微机械装置。与现有技术中的装置不同，根据本发明的微机械装置在氧化物层200中具有水平的入口通道250，即从空穴320开始平行于主延伸平面10延伸并且在此在垂直于主延伸平面10的投影方向20上看延伸到空穴320外部的入口区域400中的入口通道。在所示实施例中，在功能层300中构造另外的入口通道350，其在入口区域400中垂直于主延伸平面10延伸并且与入口通道250连接。该另外的入口通道350在微机械装置的外表面上通入入口区域400中，该入口区域是键合垫区域500的一部分。在露出键合垫时在同一过程步骤中通过挖槽通过来实现另外的入口通道350，因此也实现通到入口通道250的入口。

图2f在第二实施例中示出根据本发明的微机械装置。与图2e中的装置不同，功能层300在此在入口区域400旁边具有缺口370。因此，入口区域400在那里具有棱边410。因此，入口区域400在此是功能层中的结构，另外的入口通道350如同软管一样穿过该功能层走向。

图2g示出了被封盖的微机械装置的俯视图，其具有在入口区域旁边的缺口。在围绕入口区域400的部分区域中去除微机械功能层300并且在那里具有缺口370。入口区域在平行于棱边410的第一方向30上具有宽度31，在第二方向40上具有长度41。另外的入口通道350具有直径51。围绕另外的入口通道的开口设置有熔化区，该熔化区的尺寸足以利用来自入口区域400的材料的熔液来封闭该另外的入口通道。

图3示出了具有封闭的入口通道的根据本发明的微机械装置。在该实施例中，整个另外的入口通道350以及入口通道250的在入口区域400中的部分被熔化封闭部450填充并因此被封闭。

图4示意性示出了根据本发明的用于制造微机械装置的方法。该方法包括以下顺序步骤：

(a)-将介电层沉积在具有主延伸平面的基底上；

(b)-沉积并结构化第一传导层；

(c)-沉积并结构化介电牺牲层，其中，利用这种沉积产生空腔，该空腔平行于主延伸平面延伸。

(d)-沉积并结构化多晶硅功能层，其中，设有用于空穴的至少一个缺口；

(e)-蚀刻牺牲层的一部分，优选利用气相蚀刻方法借助hf蚀刻，其中，由空腔形成入口通道，该入口通道从空穴出发平行于主延伸平面延伸并且在此在垂直于主延伸平面的投影方向上看延伸到空穴外部的入口区域中。

(f)-通过罩封闭空穴。

可选地或在之后，在步骤(g)中，优选通过利用激光脉冲使功能层局部熔化来进行入口通道在入口区域中的封闭。

优选的制造过程详细地以如下方式进行：

首先，在基底上沉积介电层。优选地沉积氧化物层。可选地，可以使该层结构化以便例如建立基底接触。随后，沉积并结构化第一传导层。优选地，使用掺杂的多晶硅层。可选地，可以沉积并结构化另外的介电层和另外的电布线层或功能层。沉积并结构化介电牺牲层。优选地涉及氧化物层，其中，利用该沉积产生空腔，所述空腔从空穴320开始平行于主延伸平面10延伸并且在此在垂直于主延伸平面10的投影方向20上看延伸到空穴320外部的入口区域400中。沉积并结构化传导功能层。优选地，为此使用多晶硅功能层。进行牺牲层蚀刻。为此优选使用借助氢氟酸(hf)的气相蚀刻方法。进行空穴的封闭。优选地，这通过键合方法和罩晶片来实现。使入口区域露出，其方式是，蚀刻穿过封闭层或罩晶片。优选地，在此同时露出键合垫区域500。在一个特别有利的变型中，也通过用于制造入口区域的蚀刻过程来制造通向水平入口通道250的竖直入口350。同时，由此也可以在入口区域中进行功能层的结构化。该蚀刻只能在牺牲层蚀刻之后才进行，由此牺牲层作为保护层保留在入口区域中。

所述结构化通过在功能层上布置并结构化的附加层来实现。这例如是al层，其本来就作为接触层被需要。或者，所述结构化通过在罩晶片的底侧上施加并结构化的附加层、例如通过氧化物层来实现。可选地，可以通过不同的和组合的温度步骤和/或清洁步骤和/或沉积步骤、例如ald(英文：atomiclayerdeposition，原子层沉积)来预处理第一空穴。在最后的步骤中，优选在限定的温度、限定的压力和限定的气氛下，优选通过借助激光脉冲使功能层局部熔化来进行入口通道在空穴外部的区域中的封闭。

根据本发明，从键合垫区域开始实现通向空穴的侧向入口。为此，设有水平走向的、气体可穿透的通道，该通道位于用于连接罩晶片和传感器晶片的键合框架下方。为此，在加工期间设有入口通道。在最简单的情况下，将第一氧化物层沉积到基底上。在该第一氧化物层上沉积并结构化掺杂的多晶硅层作为电布线层。在应形成入口通道的区域中，与多晶硅层的层厚度相比非常狭窄的沟被蚀刻到多晶硅层中，所述沟具有尽可能垂直或悬置的侧翼。随后，沉积另外的氧化物层。由于沟的高的宽高比(宽度相对于高度)，狭窄的沟不能完全被氧化物填充。狭窄的沟内留有空腔，该空腔还可以用作为入口通道。利用气相蚀刻使mems功能层露出的步骤可以用来扩宽入口通道并部分地去除围绕该入口通道的氧化物。如文献de102011080978中所公开的那样，也可以使用多阶段的方法来产生空腔。进入通道250不必在封盖之前已经作为空腔被施加。例如也可以考虑，到传感器晶片中的入口通道仅呈现在牺牲材料中，并且仅在封盖之后才通过选择性的蚀刻过程去除该牺牲材料。在传感器晶片平面内走向的这种通道从外部接触区域水平延伸至腔内的传感器核心，该腔由罩晶片产生(参见图1：位置5)。通过等离子体蚀刻步骤从上方露出接触区域中的入口。在接触区域中的通道的区域中需要掩膜以确保留有用于之后的封闭的硅。该掩模可以由铝或氧化硅的薄层组成。

替代地，可以在较早的过程步骤中已经设置有传感器平面的开口。

然后，通过de102014202801中说明的方法将入口通道或另外的入口通道封闭。该方法允许借助于激光来熔化硅并在固化后确保持久的气密密封的封闭。

附图标记列表

2垂直入口通道

3激光熔化封闭部

4激光束捕获部

6具有空腔的氧化物通道

10主延伸平面

20投影方向

30平行于入口区域的棱边的第一方向

31功能层在平行于入口区域的棱边的第一方向上的宽度

40垂直于入口区域的棱边的第二方向

41入口区域在垂直于入口区域的棱边的第二方向上的长度

51另外的入口通道的直径

100硅基底

200氧化物层

220电布线平面

250入口通道

300功能层

320空穴

321另外的空穴

350另外的入口通道

370功能层中的缺口

400入口区域

410棱边

450熔化封闭部

500键合垫区域

510用于另外的入口通道的蚀刻掩模

520键合垫

600罩