用于电容式传感器设备的微机械构件的制作方法

本发明涉及一种用于电容式传感器设备的微机械构件和一种电容式传感器设备。本发明也涉及一种用于电容式传感器设备的微机械构件的制造方法和一种用于制造电容式传感器设备的方法。

背景技术：

在de102009000403a1中说明了一种微机械电容式压力传感器和一种用于制造这种压力传感器的方法。压力传感器具有构造在衬底上的测量装置，该测量装置包括固定的第一测量电极和借助膜片在所述第一电极上方可调节地悬置的第二测量电极。第一测量电极由间接沉积在衬底上的掺杂的第一多晶硅层结构化出。第二测量电极由第二多晶硅层形成，该第二多晶硅层布置在第一多晶硅层的离开衬底指向的侧上。所述膜片由第三多晶硅层形成。

技术实现要素：

本发明提出一种用于电容式传感器设备的微机械构件、一种电容式传感器设备、一种用于电容式传感器设备的微机械构件的制造方法以及一种用于制造电容式传感器设备的方法。

本发明提出一种微机械构件或者说一种配备有所述微机械构件的电容式传感器设备，在所述电容式传感器设备中，微机械构件的作为集成保护盖的对应盖装置保护微机械构件的高度敏感的膜片以防污染、被液体浸润和物体或人撞击到该膜片上。借助本发明实现的微机械构件由于其膜片被更好地保护而具有更长的使用寿命。本发明的微机械构件或者说配备有所述微机械构件的电容式传感器设备由于其膜片被更好地保护也具有与现有技术相比改进的功能能力或者说更低的功能受损风险。本发明的另一优点在于，作为集成到相关微机械构件中的保护盖的对应盖装置使微机械构件的微型化变容易。也指出，本发明不需要将盖装置固定键合(festbonden)或固定粘接在对应的微机械构件上。

在微机械构件的一个有利实施方式中，结构化出至少一个穿过盖装置的贯通开口。穿过盖装置成型出的至少一个贯通开口例如可以作为压力平衡开口实现一种“压力入口”，该压力入口使存在于盖装置的离开衬底指向的一侧上的物理压力到膜片的无支撑区域的离开衬底指向的外侧上。

尤其，第二电极可以是由第二半导体层和/或金属层形成的膜片的一部分。因此，为了形成盖装置，可以使用在传统方式中被用于形成所述膜片的第三半导体层和/或金属层。在这种情况下，配备有盖装置的本发明微机械构件不会/几乎不会引起容积增大。此外，利用对应的第三半导体层和/或金属层来形成盖装置有助于在制造微机械构件时节省材料并从而降低成本。这些是在此所述的微机械构件与根据现有技术的附加覆盖装置相比的主要优点。

替代地，第二电极也可以悬置在膜片上，并且膜片可以由布置在第二半导体层和/或金属层与第三半导体层和/或金属层之间的另一半导体层和/或金属层形成。因此，在这里所述的微机械构件的实施方式中也可以无问题地在膜片上构造复杂的强化结构。

在微机械构件的另一有利实施方式中，在盖装置和膜片之间构造有至少一个电绝缘的缓冲结构。在这种情况下有利的是，盖装置能这样电接触，使得盖装置和膜片之间能施加电势差。在这种情况下，施加到盖装置上的电势有助于电屏蔽共同作用的电极以防外部干扰。这改进了借助微机械构件的电极所实施的测量的测量精度并且降低(由外部干扰引起的)测量误差的频繁性。

此外，第一半导体层和/或金属层的第一最小层厚度可以大于等于第二半导体层/或金属层的第二最小层厚度的一半和/或大于等于第三半导体层和/或金属层的第三最小层厚度的一半。附加地，还可以在固定的第一电极的离开衬底指向的一侧上形成凹槽，其中，凹槽的与衬底的衬底表面平行地定向的间隙宽度小于第一半导体层和/或金属层的第一最小层厚度。这些凹槽可以在这里所述的实施方式中作为“横向蚀刻入口”使牺牲层蚀刻加速，并且有助于减少牺牲层的蚀刻时间。

优选，第一电极和膜片被框架结构包围，在所述框架结构上布置有盖装置。这有助于附加地保护膜片以防污染、被液体浸润和物体或人不希望地撞到膜片上。此外，第一电极、膜片、盖装置和框架结构可以借助半导体技术的简单的沉积法和结构化法来形成。

例如，被框架结构和膜片包围的、其中存在有参考压力的内容积可以这样气密地密封，使得所述膜片的至少一个无支撑区域能借助施加在无支撑区域的离开衬底指向的外侧上的不等于参考压力的物理压力发生变形。如下面更详细地阐明那样，这种微机械构件可以有利地被用在电容式压力传感器设备中。

在具有这种微机械构件和电子分析评估装置的电容式传感器设备中也确保了前述这些优点，所述电子分析评估装置设置为用于在至少考虑实时求取的关于施加在第一电极和第二电极之间的电压或电容的测量参量的情况下确定测量值并将其输出。

此外，用于电容式传感器设备的微机械构件的相应制造方法和用于制造电容式传感器设备的相应方法也实现前述优点。明确指出，在本段中所列举的方法可以根据微机械构件和电容式传感器设备的前述实施方式来扩展。

附图说明

下面，根据附图阐明本发明的其他特征和优点。在此示出：

图1微机械构件的第一实施方式的示意图；

图2微机械构件的第二实施方式的示意图；

图3微机械构件的第三实施方式的示意图；

图4微机械构件的第四实施方式的示意图；

图5a和5b微机械构件的第五个实施方式的示意图。

图6微机械构件的第六实施方式的示意图；和

图7用于阐明微机械构件的制造方法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出微机械构件的第一实施方式的示意图。

在图1中示意性示出的微机械构件包括衬底10、固定的第一电极12和相对于第一电极12可调节的第二电极14。衬底10例如可以是硅衬底。然而，在此指出，衬底10可以代替硅或作为对硅的补充地还包括至少一种另外的材料。

第一电极12的固定布置应理解为第一电极12仅能通过损坏机械构件相对于衬底10来调节。固定的第一电极12由直接或间接布置在衬底10上的第一半导体层和/或金属层16形成。固定的第一电极12尤其可以由第一半导体层和/或金属层16结构化出。选择性地，第一半导体层和/或金属层16可以直接沉积在衬底10的衬底表面10a上或沉积在至少部分覆盖衬底表面10a的中间层18和20上。例如，至少一个中间层18和20可以是至少一个绝缘层18和20，例如尤其是氧化硅层18和(富硅的)氮化硅层20。

相对于第一电极12(并且相应地也相对于衬底10)可调节的第二电极14借助膜片22悬置在第一电极12上方。至少一个第二电极14由第二半导体层和/或金属层24形成，该第二半导体层和/或金属层布置在第一半导体层和/或金属层16的离开衬底10指向的一侧上。

微机械构件也具有盖装置26，所述盖装置覆盖(überspannen)膜片22。盖装置26由第三半导体层和/或金属层28形成，该第三半导体层和/或金属层布置在第二半导体层和/或金属层24的离开衬底10指向的一侧上。盖装置26用作集成的保护盖，用于保护膜片22以防污染、被液体浸润和/或物体或人撞到膜片22上。从而，盖装置26有助于改进受保护的膜片22的功能能力。

第一半导体层和/或金属层16、第二半导体层和/或金属层24和/或第三半导体层和/或金属层28分别可以是尤其由多晶硅组成的硅层。因此，可以使用低成本且能易沉积的材料用于这三个半导体层和/或金属层16、24和28中的每一个。然而在此指出，这三个半导体层和/或金属层16、24和28中的每一个都可以代替硅地或作为对硅的补充地还包括至少一种另外的(未经掺杂或经掺杂的)半导体材料和/或金属。在第一半导体层和/或金属层16和第二半导体层和/或金属层24之间，可选地也可以存在至少一个电绝缘的中间区域27a和27b，例如由氧化物区域27a和覆盖的另一氧化物区域27b组成的至少一个堆垛。相应地，也可以在第二半导体层和/或金属层24和第三半导体层和/或金属层28之间构造至少一个电绝缘的中间区域29a和29b，例如由氧化物区域29a和覆盖的另一氧化物区域29b组成的至少一个堆垛。氧化物区域27a和27b的初始材料层和/或氧化物区域29a和29b的初始材料层，即结构化出氧化物区域27a、27b、29a和29b的初始材料层，也可以用于成型由第二半导体层和/或金属层24和/或第三半导体层和/或金属层28形成的部件。例如，可以借助氧化物区域27a的初始材料层27a的结构化引起膜片22的膜片强化。

优选，结构化出穿过盖装置26的至少一个贯通开口30。图1中所示的盖装置26仅示例性地具有多个贯通开口30/贯通开口30的图案。至少一个贯通开口30优选平行于衬底10的衬底表面10a地具有这样小的膨胀部，使得禁止了颗粒或液体侵入对应的贯通开口30中。至少一个贯通开口30的平行于衬底10的衬底表面10a定向的膨胀部例如可以位于0.05μm(50纳米)和2μm(2微米)之间、尤其0.1μm(100纳米)和0.5μm(0.5微米)之间的范围内。因此，构造有至少一个贯通开口30的盖装置26可以无问题地满足传统戈尔特斯膜片(goretex-membran)的功能，然而其中，与传统戈尔特斯膜片不同的是，盖装置26可以直接由第三半导体层和/或金属层28形成。

至少一个贯通开口30例如可以分别理解为压力平衡开口30。因此，至少一个贯通开口30可以实现一种“压力入口”，该压力入口使存在于盖装置26的背离衬底10指向的一侧上的物理压力作用到膜片22的无支撑区域的离开衬底10指向的外侧上。

在图1的实施方式中，膜片22仅示例性地也由第二半导体层和/或金属层24形成。具有第二电极14的(整个)膜片22尤其可以由第二半导体层和/或金属层24结构化出。因此，包括第一电极12、包括具有第二电极14的膜片22和包括盖装置26的测量装置可以仅由三个半导体层和/或金属层16，24，28形成。因此，除了这三个半导体层和/或金属层16、24和28以外不需要对另外的半导体层和/或金属层进行沉积来构造测量装置。这有助于在制造以能用作集成保护盖的盖装置26扩展的微机械构件时降低成本。将盖装置26构造为集成到微机械构件中的保护盖附加地还是微机械构件的微型化变容易，其中，除了三个半导体层和/或金属层16、24和28以外，不需要另外的半导体层和/或金属层来制造配备有集成防护盖的测量装置。

在图1的实施方式中，第二电极14示例性地是膜片22的一部分，因此，图1的微机械构件的第二电极14不是“悬置在膜片22上的电极”。第二电极14尤其可以理解为膜片22的无支撑区域的一部分，该部分“直接”覆盖第一电极12。优选，在这里所述的实施方式中，膜片无强化地成型。在这种情况下，第二电极14应理解为膜片22没有被强化。尤其，包括(整个)第二电极14的膜片22可以这样成型，使得至少该膜片的覆盖第一电极12的无支撑区域(具有第二电极14作为其部分)垂直于衬底10的衬底表面10a地具有恒定层厚度d。

在图1的示例中，第一电极12和膜片22被框架结构32包围，在该框架结构上布置有盖装置26。框架结构32可以包括至少一个由第一半导体层和/或金属层16结构化出的第一框架部分32a，由第二半导体层和/或金属层24结构化出的第二框架部分32b，和与由第三半导体层和/或金属层28形成的盖装置26一件式形成的第三框架部分32c。

在图1中示出的框架结构32也包围与由第二半导体层和/或金属层24形成的膜片22一件式形成的膜片支撑结构34，通过该膜片支撑结构，膜片22直接或间接地锚固在衬底10上。例如，在图1中以图示出的膜片22通过其膜片支撑结构34支撑至少一个在由第一半导体层和/或金属层16结构化出的导电区段36上，该导电区段在覆盖衬底10的衬底表面10a的中间层16和18上延伸。例如，膜片22可以通过至少一个导电区段36进行电接触。

相邻于膜片支撑结构34地可以构造至少一个牺牲层蚀刻入口38，通过该牺牲层蚀刻入口，能这样对在第二半导体层和/或金属层进行沉积之前至少覆盖第一电极12的牺牲层(例如，二氧化硅牺牲层)实施牺牲层蚀刻，使得膜片22能暴露出。为此，在膜片支撑结构34中构造(未画出的)开口，这些开口也能够在电极12和14之间实现蚀刻介质的入口。在实施牺牲层蚀刻之后，至少一个牺牲层蚀刻入口38可以借助至少一个闭锁材料40a和40b气密地被封闭。

因此，通过确定施加在电极12和14之间的电压或电容可以可靠地、不受外部影响地求取作用到膜片22上的力/周围环境条件。在此，不用担心由于污染、被液体浸润和物体或人撞到膜片22上所引起的不利影响。因此，在此所述的微机械构件很好地适用于具有电子分析评估装置的电容式传感器设备，该电子分析评估装置设计为用于至少在考虑实时求取的关于施加在第一电极12和第二电极14之间的电压/电容的测量参量的情况下确定(说明作用到膜片22上的力/周围环境条件的)测量值并将其输出。

优选，被框架结构32和膜片22包围的、具有存在于其中的参考压力p0的内容积42被这样气密地密封，使得至少膜片22的无支撑区域能借助在其外侧上的不等于参考压力p0的物理压力p发生变形。在膜片22的无支撑区域外侧上的物理压力p与参考压力p0之间存在压力不平衡的情况下，第一电极12与膜片22的无支撑区域的用作第二电极14的部分之间的距离因此发生变化，由此施加在电极12和14之间的电压或电容发生变化。因此，在图1中示意性地示出的微机械构件有利地适合于使用在电容式压力传感器设备中，该电容式压力传感器设备的分析评估装置设计为用于确定关于分别存在于膜片22的无支撑区域外侧上的物理压力p而言的测量值并将其输出。

在图1的实施方式中，第一半导体层和/或金属层16垂直于衬底10的衬底表面10a地具有第一最小层厚度d1，该最小层厚度明显小于第二半导体层和/或金属层24的垂直于衬底10的衬底表面10a定向的第二最小层厚度d2，并且明显小于第三半导体层和/或金属层28的垂直于衬底10的衬底表面10a定向的第三最小层厚度d3。例如，第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1可以小于等于第二半导体层和/或金属层24的第二最小层厚度d2的三分之一和/或小于等于第三半导体层和/或金属层28的第三最小层厚度d3的三分之一。

图2示出微机械构件的第二实施方式的示意图。

与前述实施方式不同的是，在图2的微机械构件中，第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1大于等于第二半导体层和/或金属层24的第二最小层厚度d2的一半和/或大于等于第三半导体层和/或金属层28的第三最小层厚度d3的一半。第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1尤其可以大于等于第二半导体层和/或金属层24的第二最小层厚度d2的四分之三和/或大于等于第三半导体层和/或金属层28的第三最小层厚度d3的四分之三。第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1优选大于等于1μm。

此外，在固定的第一电极12的离开衬底10指向的一侧上形成凹槽44，其中，凹槽44的平行于衬底10的衬底表面10a定向的间隙宽度δ小于第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1。第一半导体层和/或金属层16的第一最小层厚度d1尤其可以比凹槽44的间隙宽度δ大至少2倍，优选大至少3倍。例如，凹槽44的间隙宽度δ例如可以小于等于0.3μm。优选在该情况中，氧化物区域27a和27b的垂直于衬底10的衬底表面10a定向的层厚度的总和比凹槽44的间隙宽度δ的一半大至少一倍。氧化物区域27a和27b的垂直于衬底10的衬底表面10a定向的层厚度的总和例如可以大于或等于0.5μm。

如果凹槽44以其较小的间隙宽度δ在对氧化物区域27a和27b的初始材料层进行沉积之前结构化到第一电极12中，则在之后对氧化物区域27a和27b的初始材料层进行沉积时，凹槽44不会被完全回填。以这种方式在凹槽44中留下的空腔44引起蚀刻介质的快速分布，并从而加速了为了使第二电极14暴露而实施的蚀刻过程，由此，减少了要遵守的最小蚀刻时间并且节约了制造成本。此外，具有较大的第一最小层厚度d1的至少一个导电区段36的构造引起该导电区段的电阻减小。

关于图2的微机械构件的其他特征和性能参考前述实施方式。

图3示出微机械构件的第三实施方式的示意图。

作为对图1中的实施方式的补充，图3的微机械构件在其盖装置26和膜片22之间还具有至少一个电绝缘的缓冲结构46。尤其，盖装置26可以通过至少一个电绝缘的缓冲结构46支撑在膜片22上。盖装置26能这样与该膜片电接触，使得能在盖装置26和膜片22之间施加电势差。借助施加到盖装置26上的电势可以引起电极12和14的电屏蔽以防外部干扰。

优选，至少一个电绝缘的缓冲结构46由至少一种电绝缘材料组成，该电绝缘材料相对于用于对氧化物区域27a、27b、29a和29b的初始材料层结构化的蚀刻介质具有蚀刻电阻。至少一个电绝缘的缓冲结构46例如可以由氮化硅和/或碳化硅形成。

关于图3的微机械构件的其他特征和性能参考图1的实施方式。

图4示出微机械构件的第四实施方式的示意图。

与图1的实施方式不同，在图4的微机械构件中，第二电极14是“悬置在膜片22上的电极”。对此可以理解为，第二电极14构造为膜片22强化部/增厚部。然而，具有在其上构造的第二电极14的(整个)膜片22(完全)由第二半导体层和/或金属层24形成。

在图4的微机械构件中，第二电极14构造为紧凑的长方体。因此，在形成第二半导体层和/或金属层24时第二电极14的材料的附加沉积会导致第二半导体层和/或金属层24上的不平整性，然而，这种不平整性可以借助化学机械抛光法被去除。

关于图4的微机械构件的其他特征和性能参考图1的实施方式。

图5a和5b示出微机械构件的第五实施方式的示意图。

图5a和图5b的微机械构件以两个横截面图示出，其中，图5a的横截面垂直于图5b的横截面。在图5a和5b中能看出，构造为膜片22的强化部/增厚部的第二电极14由多个相互平行定向的接片结构形成。在此，接片结构的宽度可以如此小地选择，使得在形成第二半导体层和/或金属层24时第二电极14的材料的附加沉积不会/几乎不会导致在第二半导体层和/或金属层24上的不平整性。因此，可以不需要在形成第二半导体层和/或金属层24之后实施化学机械抛光。

关于图5a和5b的微机械构件的其他特征和性能参考图1的实施方式。

图6示出微机械构件的第六实施方式的示意图。

与图3的实施方式不同，在图6的微机械构件中，膜片22由布置在第二半导体层和/或金属层24与第三半导体层和/或金属层28之间的另一半导体层和/或金属层48形成。因此，可以使用所述另一半导体层和/或金属层48的材料用于悬置在膜片22上的第二电极14，而不会在形成第二半导体层和/或金属层24之后在第二半导体层和/或金属层24上出现不平整性。因此，所述另一半导体层和/或金属层48(即使在不实施化学机械抛光的情况下也)具有在图5a和5b中所示的第二半导体层和/或金属层24的有利平面度。即使在膜片22和第二电极14的这种构造中，盖装置26也可以通过至少一个电绝缘的缓冲结构46支撑在膜片22上。例如，第二电极14可以通过强化结构50悬置在膜片22上。

所述另一半导体层和/或金属层48例如可以是尤其由多晶硅组成的硅层。因此，可以使用低成本且易沉积的材料用于所述另一半导体层和/或金属层48。然而在此指出，所述另一半导体和/或金属层48可以代替硅地或作为硅的补充地还包括至少一种另外的(未经掺杂或经掺杂的)半导体材料和/或金属。

关于图6的微机械构件的其他特征和性能参考前述实施方式。

图7示出用于阐明微机械构件的制造方法的一个实施方式的流程图。

借助进一步所述的制造方法例如可以生产(也可以在晶片平面上作为批量生产)上述微机械构件中的任意一个。然而，该制造方法的可实施性不限于制造前述微机械构件之一。

在方法步骤s1中，直接或间接地在衬底上形成第一半导体层和/或金属层。随后，在方法步骤s2中，在第一半导体层和/或金属层的离开衬底指向的一侧上形成第二半导体层和/或金属层。附加地，在之后的方法步骤s3中，在第二半导体层和/或金属层的离开衬底指向的一侧上形成第三半导体层和/或金属层。适合于衬底和第一、第二和第三半导体层和/或金属层的材料在上面已被提及。

作为方法步骤s4，由第一半导体层和/或金属层形成固定的第一电极。该方法步骤s4可以在方法步骤s2和s3之前、在方法步骤s2和s3之间或在方法步骤s2和s3之后实施。

在方法步骤s5中，相对于第一电极可调节的第二电极借助膜片悬置在第一电极上方，其中，至少第二电极由第二半导体层和/或金属层形成。方法步骤s5可以在方法步骤s3之前或之后实施。第二电极尤其可以作为膜片的一部分形成。然而，第二电极也可以构造为膜片22的强化部/增厚部。优选，不仅第二电极而且(整个)膜片由第二半导体层和/或金属层形成。然而可选地，膜片也可以由布置在第二半导体层和/或金属层与第三半导体层和/或金属层之间的另一半导体层和/或金属层形成。

作为方法步骤s6，所述膜片被盖装置覆盖，其中，所述盖装置由第三半导体层和/或金属层形成。从而，即使在借助在此所述的制造方法制造的微机械构件中，作为集成保护盖的盖装置也保护高度敏感的膜片以防污染、被液体浸润和物体或人撞到膜片上。因为盖装置由以传统方式被用于形成膜片的第三半导体层和/或金属层形成，所以微机械构件配备有盖装置不会引起微机械构件的容积增加，也不会引起在制造微机械构件时的附加材料需求。

在可选的方法步骤s7中，至少一个电绝缘的缓冲结构还可以这样构造在盖装置和膜片之间，使得在盖装置和膜片之间能施加电势差。在这种情况下，施加到盖装置上的电势有助于电屏蔽共同作用的电极以防外部干扰。

制成的微机械构件很好地适用于电容式传感器设备。因此，前述制造方法可以是用于制造电容式传感器设备的方法的一部分。在这种情况下还实施附加的方法步骤s8，在该方法步骤中，电子分析评估装置这样构造，使得该电子分析评估装置至少在考虑实时求取的关于施加在第一电极和第二电极之间的电压或电容的测量参量的情况下，确定测量值并将其输出。