用于制造微结构的方法与流程

本发明涉及一种用于在衬底中制造具有膜状的、跨接式或悬伸式的面的微结构、尤其mems和moems(微机电系统和微光机电系统)的方法，所述面是由于通过蚀刻过程导致的材料弱化、通过材料去除来在衬底中产生凹空(腔)而获得的。

这类微结构例如作为基于这样的微机电系统(mems)的压力检测装置或麦克风已知，其中，提供跨接式结构，跨接式结构作为膜构成微机械系统的基础。因此，重要的方面是有针对性的材料弱化，通过该材料弱化提供易弯曲的面。

因此，悬伸式或跨接式的结构最佳地适合于麦克风或传感器。在实践中，目前几乎唯一使用的用于制造这样的结构的方法是深反应离子刻蚀(英文：deepreactiveionetching，缩写：drie)，该方法可实现受控的去除，以便将层厚度减小至希望的残留厚度。该方法目前只能与硅结合使用，这导致高的材料成本。

例如，专利文献us4,236,137a公开了一种半导体测压传感器。此外，专利文献us5,178,016a和us6,093,579a公开了半导体压力传感器。

专利文献de102017216418a1涉及一种具有加长的浅多边形腔的压力检测装置、尤其基于微机械系统(mems)的压力检测装置。该压力检测装置具有硅载体衬底、在硅载体衬底的上侧中形成的加长的浅多边形腔、嵌入的二氧化硅层、形成在该二氧化硅层上的装置层以及至少四个结合片，这些结合片在装置层的上侧中形成并且布置在该上侧上。该至少四个结合片与加长的浅多边形腔隔开。更准确地说，至少四个结合片与加长的浅多边形腔如此隔开，使得这些结合片不与加长的浅多边形腔连接。压力检测装置可以具有布置在多边形腔上方的膜，该膜的形状由多边形腔的形状确定，并且该膜的尺寸与多边形腔的尺寸大致相同。

已知由于硅膜的挠曲在mems压力检测装置中可能出现压力非线性(pressurenonlinearity)。然而，膜挠曲的能力还决定了mems压力检测装置检测压力变化的能力。如果膜挠曲增加，则输出非线性也增加。

当膜尺寸减小时，mems压力检测装置的压力灵敏度变得更成问题。然而，较小的膜和较小的mems压力检测装置能够使mems压力检测装置自身的以及其中要放置mems压力检测装置的壳体的制造成本降低。

还已知由这种微结构构造的麦克风，其构造类似于压力传感器，并且麦克风将声压转换成电信号，同时泄漏路径确保了麦克风前后的容积之间的静压力均衡。麦克风由至少一个独立式结构构成，该结构暴露于环境中并且根据施加的声压移动。

其中，通过测量膜和位于膜前或膜后的穿孔的反电极之间的电容来检测膜的移动。

可选择的已知的基本原理基于直接的压电效应，该基本原理允许检测独立式结构的移动。在这种类型的麦克风中，通过结构的挠曲来影响压电层，继而在压电层的表面上产生电荷。该电荷可以作为输出电压被检测和评估。

通过激光诱导深度蚀刻对玻璃进行精密加工的通用方法已经以lide(laserinduceddeepetching)为名。lide方法能够以最高的速度引入极精确的孔和结构并且因此为在微系统技术中更多地使用玻璃作为材料创造了条件。

本发明所要解决的技术问题是提供一种微结构，利用该微结构可以在提高灵敏度和减小压力非线性的同时实现mems压力感测装置的模子尺寸的减小。

该技术问题通过根据独立权利要求1所述的微结构来解决。优选的设计方案在从属权利要求中给出。

按照本发明，在通过由玻璃构成的衬底形成的玻璃衬底中制造所述微结构，方式是：在第一步骤中，将修饰部借助于激光辐射沿着优选环形地、不必须是圆形地闭合的周围轮廓引入衬底中，并且将至少一个膜层面状地施加到玻璃衬底上来制造跨接式或悬伸式的面，其中，在衬底和膜层之间将牺牲层至少包围在包围所述修饰部的周围轮廓的局部面中，其中，随后使衬底的背离膜层的一侧受到蚀刻作用通过该蚀刻作用(或称为蚀刻攻击)主要沿着激光修饰的区域的周围轮廓进行材料去除，直至达到牺牲层，从而导致通过横向蚀刻溶解或减少牺牲层，并且最终导致玻璃衬底的被周围轮廓包围的轮廓的连接部从周围的玻璃衬底以及从膜层分离。

本发明基于意料之外的认识，即，通过使用玻璃衬底来代替目前为止几乎唯一使用的硅衬底可以明显减小所谓的压力非线性，这一方面是由于玻璃衬底的与此有关的更好的材料特性，另一方面是由于膜层的层厚度中的小得多的公差。尤其地，按照本发明仅去除包括牺牲层在内的玻璃衬底，而膜层保持不变，从而膜层在整个施加面上是均匀的。换言之，在蚀刻去除的过程中，材料去除可靠地在达到牺牲层时结束，从而将实施该方法时的误差影响减小到最小。同时，由于使用玻璃代替硅，通过按照本发明的方法能够显著降低制造成本，其中，可用的玻璃衬底的明显更大的面积相对于在这方面受限制的硅衬底实现了另外的成本优势。

在此业已证明，牺牲层不必完全溶解或者说解体，而是在短暂的蚀刻作用之后相对于玻璃衬底和/或膜层的连接部就被如此弱化，使得该连接部松脱并且被周围轮廓包围的玻璃体剥离。

按照本发明的特别有利的实施方式，所述方法通过以下方法步骤实施：

·将修饰部借助于激光辐射沿着至少一个优选环形闭合的周围轮廓引入玻璃衬底中；

·对玻璃衬底进行蚀刻并且由此将至少一个凹空、例如作为槽状的凹陷引入玻璃衬底的外表面中；

·在包围凹空的第一区域中，将牺牲层施加到玻璃衬底上；

·在包围第一区域的第二区域中，将膜层施加到牺牲层上，其中，第二区域大于第一区域；

·从玻璃衬底的背离膜层的一侧对玻璃衬底进行蚀刻，从而材料去除至少基本上沿着激光修饰的区域的修饰部的周围轮廓进行，直至达到牺牲层，从而导致牺牲层的溶解或减少，并且最终导致玻璃衬底的被周围轮廓包围的轮廓的连接部从周围的玻璃衬底以及从膜层分离。

以此方式，可以通过第一蚀刻步骤引入玻璃衬底的轮廓化的外表面，例如形式为由于蚀刻作用产生的环形的凹陷，该轮廓化的外表面对在后续的工艺过程中待施加的膜层起成形作用。因此，膜层不限于平坦的延伸，而是可以例如具有波纹的形状，该波纹的形状与波纹管类似地可以用作减轻拉力结构。因此，以类似的方式可以制造用于扬声器或压力传感器的膜。如此，按照本发明可以制造几乎任意的表面形状。

在此业已证明特别有利的是，所述修饰部沿着多个环形闭合的周围轮廓被引入玻璃衬底中，其中，所述多个周围轮廓优选同心地包围彼此。

当然，除了圆形的周围轮廓和任意形状的轮廓之外，还可以制造多边形的周围轮廓，其中，相邻的周围轮廓尤其彼此平行地间隔，使得与相邻的周围轮廓的距离在周围轮廓的延伸中是恒定的。

可以针对不同的周围轮廓选择激光辐射的强度。但对许多应用特别有意义的是，沿着第一周围轮廓的激光辐射的参数不同于沿着被第一周围轮廓包围的第二周围轮廓的激光辐射的参数，使得例如凹陷的幅度朝第一区域的中心减小。

此外，当例如通过使用掩蔽来使玻璃衬底的仅局部区域受到蚀刻作用时，蚀刻作用还可以不均匀地设计。

可以使用本身已知的各种方法将层施加到玻璃衬底的外表面上，其中，已经证明溅射过程对于构造膜层或牺牲层是适宜的。

可以沿着柱体形或多边形的周面引入周围轮廓，其中，还可以制造配备有棱边的轮廓，这类轮廓用目前为止的方法不能实现。根据另外的特别实用的设计方案，在朝向膜层的一侧中的周围轮廓可以与背离膜层的一侧不同地设计，以便例如实现周围轮廓的和如此产生的凹空的锥形或截锥形的延伸(或者说走向)。如此，尤其可以产生针对许多技术应用带来显著的优点的定义的张角。

尽管在实际测试中已经证明在施加牺牲层和膜层之前将修饰部引入玻璃衬底中是有利的，但根据一种变型方法，还可以在事后、即在玻璃衬底已经预先制造有牺牲层和膜层的情况下引入修饰部。

在这种情况下，可以将牺牲层以限制在周围轮廓的区域的方式尤其以在实践中通过测试可确定的重叠度选择性地施加到玻璃衬底上。与此相反，当然也可以整面地施加牺牲层，其中，随后去除中间区域是有用的，以便避免玻璃衬底与膜层完全分离。

在此已经证明有利的是，为了简化移除，被周围轮廓包围的玻璃体在周围轮廓内引入了至少一个另外的修饰部，并且通过后续的蚀刻作用在背离膜层的外表面和牺牲层之间制造通道状的凹空。由此促进移除，方式是如此产生的流体通路能够实现液压的压力补偿。这种补偿通道的数量和性质可以分别根据应用目的相应地调整。

根据所述方法的另外的、同样特别实用的变型，在蚀刻作用期间，尤其借助于超声波使玻璃衬底高频振动，以便加速玻璃衬底的被周围轮廓包围的区域的移除或使该移除变得容易。

本发明允许不同的实施方式。为了进一步阐明它们的基本原理，其中一种实施方式在附图中示出并且以下加以说明。在附图中：

图1示出用于沿着环形闭合的周围轮廓制造悬伸式结构的各个单独的方法步骤；

图2示出在图1中示出的用于制造多个包围彼此的环形闭合的周围轮廓的方法步骤；

图3示出在图2中示出的方法的变型，其中仅单侧地引入多个周围轮廓。

按照本发明的用于在衬底1中制造具有膜状的、跨接式的或悬伸式的面2的微结构的方法以下借助在图1中示出的各个单独的方法步骤更详细地说明。其中，悬伸式的面2是由于通过蚀刻过程导致的材料弱化并且通过材料去除来在衬底中产生凹空3而获得的。为此，在第一方法步骤中，在例如由玻璃构成的衬底1中，借助于激光辐射将修饰部4沿着环形闭合的周围轮廓5引入衬底1中，如在衬底1的俯视图中可以看到的那样。在第一步骤中，将不耐湿化学蚀刻浴的牺牲层6施加到如此修饰的衬底1上并且将耐蚀刻介质的膜层7、例如金属层施加到牺牲层6上。

随后主要在衬底1的背离膜层7的一侧上通过未进一步示出的蚀刻介质进行蚀刻作用。在此，蚀刻作用导致衬底材料的沿着周围轮廓5的线状的、槽状的去除，其中，蚀刻过程至少基本上垂直于衬底1的表面进行。通过逐步地去除和相应加深的槽状的材料去除，最终达到牺牲层6。由于蚀刻作用，牺牲层不仅按照周围轮廓5溶解，而且沿其横向溶解。由此，被周围轮廓5包围的区域失去其附着力或结合力，并且在重力的作用下可以容易地向下从衬底1移除。因此，希望的、例如可用作膜的悬伸轮廓5横跨凹空3。

此外，在图2和图3中还示出该方法的变型，这些变型与图1所示的方法的不同之处在于，与在施加牺牲层6和膜层7之前的另外的蚀刻步骤关联的多个例如同心地包围彼此的周围轮廓5。

不同的周围轮廓5不必为此以相同的距离相对彼此布置。例如，相邻的周围轮廓5也可以相交。被包围的周围轮廓5也不那么需要是环形闭合的，而是也可以以限制到衬底1的面区段的方式被引入到衬底1中。在沿着不同的周围轮廓5的激光修饰完成之后，首先在蚀刻浴中进行第一蚀刻作用，从而根据修饰部，在周围轮廓5的区域中将作为槽状的凹空3的材料去除部以相同或不同的深度引入衬底表面中。在根据图1所示的方法步骤的下一步骤中施加到其上的牺牲层6和膜层7中相应地产生不平坦的轮廓。后续的对衬底1的背离膜层7的一侧的蚀刻导致衬底材料的沿所有周围轮廓5的线状的去除，从而最终将由外部的周围轮廓5包围的区域从衬底1移除。因此，除了平坦的区域之外，面2还具有在边缘侧轮廓化的、波形的区域，这些波形的区域例如在波纹管的意义上可以用作长度补偿。尤其地，悬伸轮廓由此分段地具有柔性或弹性特性，这些特性开辟了全新的可能用途。

在图3所示的方法中，结果对应于图2所示的方法。在该变型中，用于膜层7的轮廓形成的被包围的周围轮廓5不是在衬底1的整个材料厚度上延伸，而是基本上限于待施加的、相应地轮廓化的膜层7的接近表面的区域。该具有较小的侵入深度的修饰部4例如通过改变的激光参数产生。如在图1中所示的变型中那样，衬底1的被外部的周围轮廓5包围的区域可以以唯一的一块被移除。

附图标记列表

1衬底

2面

3凹空

4修饰部

5周围轮廓

6牺牲层

7膜层