用于微机械系统的制造方法和微机械系统与流程

本发明涉及一种用于微机械系统的制造方法和微机械系统。

背景技术：

虽然可以应用于任意的微机械系统，但本发明和本发明所基于的背景关于以硅技术制造的微机械压力传感器阐释。

de102011080978a1公开一种用于制造微机械结构的方法，通过所述方法可以使mems功能层的形貌自由结构化。该方法典型地用于使多个mems功能层彼此相叠地布置。在此，在移除mems功能层的区域中在过程进行中产生空腔。这些空腔可以有意地用于，例如作为蚀刻通道局部地加速经常在mems工艺中使用的牺牲层蚀刻并且由此以受控的方式局部地改变下部蚀刻。

在其中例如可以使用这些蚀刻通道并且对于构件的功能而言也需要这些蚀刻通道的方法是电容式压力传感器。

图8a)、8b)示出呈电容式微机械压力传感器的形式的微机械系统的示例，以用于阐释本发明基于的问题。

在图8a)中，附图标记s表明衬底、例如硅衬底，在该衬底上施加有第一绝缘层i1和位于该第一绝缘层上方的第二绝缘层i2。第一绝缘层i1例如由二氧化硅制成，并且第二绝缘层i2由氮化硅制成。

例如由多晶硅制造的薄的印制导线层l施加在第二绝缘层i2上并且所述印制导线层这样结构化，使得所述印制导线层构造第一电极e1。

在印制导线层l上方施加由多晶硅制造的第一微机械功能层f1和由多晶硅制造的第二微机械功能层f2并且结构化。尤其地，从第二微机械功能层f2结构化出膜片区域m，该膜片区域跨越腔k。

在膜片的下侧上存在功能元件1，该功能元件从第一微机械功能层f1结构化出来。该功能元件1一方面作为用于膜片m的加固元件使用，并且另一方面作为用于电极e1的第二电极e2或对应电极使用并且在其功能方面在制造过程中还用于加速在要移除牺牲层的区域中的牺牲层蚀刻。尤其地，这些(未示出的)牺牲层位于第一电极e1和第二电极e2之间的区域中。

为了加速牺牲层蚀刻过程，在功能元件1的下侧上设置有蚀刻通道，所述蚀刻通道平行于绘图平面地沿一方向彼此平行地走向。

就此而言，图8a)示出加固区域的剖面，并且图8b)示出蚀刻通道的剖面。因此，加固区域可以仅仅引起在一个方向上的加固，但不引起与该方向垂直的方向上的加固。此外不能够使经过功能元件1走向的蚀刻通道相互连接，否则会损害加固特性。

技术实现要素：

本发明实现一种用于微机械系统的制造方法和一种微机械系统。

本发明基于的思想在于，通过至少两阶的蚀刻方法实现蚀刻沟结构，在该蚀刻沟结构中所有的蚀刻沟在流体方面相互连接，其中，二维的机械加固通过蚀刻沟的、由微机械功能层制造的桥形的中断区域实现。这种蚀刻沟结构尤其能够通过第一各向异性的蚀刻步骤和随后的各向同性的蚀刻步骤的组合实现，其中，各向同性的蚀刻步骤引起中断区域的下部蚀刻，使得在下部蚀刻区域中蚀刻沟在微机械功能层的内部相互连接，其中，机械稳定的中断区域保持在微机械功能层的上侧上。根据本发明的制造方法也可以针对较厚的功能层缩放(skalieren)并且在功能层的厚度方面不承受限制。

这种具有二维的蚀刻沟结构的微机械系统例如可以作为用于在牺牲层蚀刻步骤中引导蚀刻流体的蚀刻通道系统使用，但不限制于此。也可设想的是在微流体系统或其他微机械系统中的应用。

下面列举的特征涉及本发明的相关主题的有利的扩展方案和改进方案。

根据优选的扩展方案，蚀刻沟具有第一多数的第一蚀刻沟和第二多数的第二蚀刻沟，其中，中断区域具有第一多数的第一中断区域和第二多数的第二中断区域。在第一各向异性的蚀刻步骤和随后的各向同性的蚀刻步骤中，第一多数的第一蚀刻沟沿第一纵向方向走向地构造并且第二多数的第二蚀刻沟沿第二纵向方向走向地构造。第一蚀刻沟和第二蚀刻沟沿第一纵向方向分别交替地布置并且第二蚀刻沟沿第二纵向方向彼此成排地布置，其中，沿第一纵向方向在第一和第二蚀刻沟之间分别设置有第一中断区域，并且其中，沿第二纵向方向在第二蚀刻沟之间分别设置有第二中断区域。

根据另外的优选扩展方案，第一纵向方向基本上垂直于第二纵向方向地布置。这样能够形成具有矩形图案的蚀刻沟结构。

根据另外的优选扩展方案，在施加第一微机械功能层之前将第一牺牲层施加在衬底上，其中，紧接着各向同性的蚀刻步骤在第二各向同性的蚀刻步骤中将蚀刻沟蚀刻直至第三蚀刻深度，该第三蚀刻深度延伸经过第一微机械功能层的整个深度并且蚀刻沟使第一牺牲层露出，其中，中断区域保持在第一微机械功能层的上侧上，并且其中，在第一微机械功能层的下侧上形成另外的中断区域，所述另外的中断区域沿第一微机械功能层的深度方向朝着所述中断区域定向。根据本发明的制造方法尤其在使用第三各向异性的蚀刻步骤的情况下特别好地适用于在微机械功能层下方的薄的牺牲层，以便在功能层和底座之间产生特别大的电容。

根据另外的优选扩展方案，在第一区域的周边(peripherie)中通过第一和第二各向异性的蚀刻步骤以及各向同性的蚀刻步骤形成另外的蚀刻沟。

根据另外的优选扩展方案，所述另外的蚀刻沟具有第三多数的蚀刻沟，所述第三多数的蚀刻沟环形闭合地围绕第一区域。这样可以形成第一微机械功能层的隔开的自由悬浮(freischwebende)的第一区域。

根据另外的优选扩展方案，构造第二牺牲层，该第二牺牲层使蚀刻沟和所述另外的蚀刻沟在上侧处封闭并且在内部中覆盖，其中，在蚀刻沟的扩开的区域中保留相应的空腔。这种空腔加速随后的牺牲层蚀刻步骤。

根据另外的优选扩展方案，在第一区域的周边中在第二牺牲层中构造第一贯通部，该第一贯通部使位于其下方的第一机械功能层局部地露出。

根据另外的优选扩展方案，在另外的各向同性的蚀刻步骤中，局部地移除位于第一贯通部下方的第一机械功能层，其中，第二牺牲层作为蚀刻停止部起作用。这样能够移除第一微机械功能层的限定的区域。

根据另外的优选扩展方案，构造第三牺牲层，该第三牺牲层封闭第一贯通部。

根据另外的优选扩展方案，在第一区域中构造有一个或多个第二贯通部，所述第二贯通部使位于其下方的第一机械功能层局部地露出，其中，构造并结构化第二微机械功能层，该第二微机械功能层在第二贯通部内部与第一微机械功能层连接。这样能够形成第一微机械功能层在第二微机械功能层处的悬挂。

根据另外的优选扩展方案，在使用蚀刻沟和/或所述另外的蚀刻沟作为蚀刻通道的情况下通过牺牲层蚀刻步骤移除第一、第二和第三牺牲层。蚀刻通道不引起第一微机械功能层的机械特性的限制。尤其地，持续互连的蚀刻沟不引起微机械功能层的机械分开。在使用具有较大直径的蚀刻沟作为蚀刻通道的情况下，也可以应用迄今不可能的借助液态介质的蚀刻方法。基于液态介质的多种蚀刻方法成本明显更有利并且也经常提供相对于蚀刻停止层的更高或更好的选择性。

附图说明

下面参照附图阐释本发明的其他特征和优点。

图1a)-1c)至图7a)-7c)示出根据本发明的用于微机械系统的制造方法的实施方式的相继的过程阶段；分图a)分别示出上俯视图，分图b)分别示出沿着分图a)中的线a-a’的剖面，并且分图c)分别示出沿着分图a)中的线b-b’的剖面。

图8a)、8b)示出呈电容式微机械压力传感器的形式的微机械系统的示例，以用于阐释本发明所基于的问题。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记标明相同的或功能相同的元件。

图1a)-1c)至图7a)-7c)示出根据本发明的用于微机械系统的制造方法的实施方式的相继的过程阶段；分图a)分别示出上俯视图，分图b)分别示出沿着分图a)中的线a-a’的剖面，并且分图c)分别示出沿着分图a)中的线b-b’的剖面。

在图1a)-1c)中，附图标记s表明衬底、例如硅衬底。可选地(未示出)，可以在预处理中在衬底s上生长并且结构化出不同的功能层和/或绝缘层(参见图8a)、8b))。

第一牺牲层o生长并且结构化在衬底s上，该衬底例如由二氧化硅形成。第一牺牲层o还可以结构化，以便制造相对于可选功能层中的一个功能层的衬底接触部或接触平面。在当前示例中，在第一牺牲层o上形成由能导电的掺杂多晶硅或类似的能导电材料制成的第一微机械功能层f1。

然后将多个二维布置的、彼此间隔开的、长形的蚀刻沟k2、k3在第一各向异性的蚀刻步骤中构造在第一微机械功能层f1的第一区域b1中。蚀刻沟k2、k3可以基本上彼此垂直地定向。替代地，蚀刻沟也可以平行地或平行错开地布置。可选地，蚀刻沟k2和k3可以在所有实施例中具有不同的宽度和/或长度。

蚀刻沟k2、k3在一个或两个纵向端部处通过相应的由第一微机械功能层f1形成的中断区域u1、u2与相邻的蚀刻沟k2、k3间隔开。

第一各向异性的蚀刻步骤实施直至第一蚀刻深度，该第一蚀刻深度小于第一微机械功能层f1的厚度，并且例如在使用借助sf6(六氟化硫)的等离子方法的情况下进行。在第一各向异性的蚀刻步骤的最后阶段中可以在蚀刻沟k2、k3的侧壁上沉积钝化层。

在随后的各向同性的蚀刻步骤中，例如同样在使用借助sf6(六氟化硫)的等离子方法的情况下，进行蚀刻沟k2、k3的直至第二蚀刻深度的扩展，该第二蚀刻深度大于第一蚀刻深度并且小于第一微机械功能层f1的厚度。这样控制各向同性的蚀刻步骤，使得在该步骤中横向的下部蚀刻至少相应于中断区域u1、u2的一半的宽度。

在此，使蚀刻沟k2、k3在第一微机械功能层f1的内部扩开并且对中断区域u1、u2这样进行下部蚀刻，使得相邻的蚀刻沟k2、k3在第一微机械功能层f1的内部在中断区域u1、u2下方通过加宽而相互连接，其中，中断区域u1、u2保持在第一微机械功能层f1的上侧上并且形成所述结构的机械稳定或加固。

蚀刻沟k2、k3在当前示例中具有第一多数的第一蚀刻沟k2和第二多数的第二蚀刻沟k3，并且中断区域u1、u2具有第一多数的第一中断区域u1和第二多数的第二中断区域u2。

在第一各向异性的蚀刻步骤和随后的各向同性的蚀刻步骤中，第一多数的第一蚀刻沟k2沿第一纵向方向x走向地构造并且第二多数的第二蚀刻沟k3沿第二纵向方向y走向地构造。

第一蚀刻沟k2和第二蚀刻沟k3沿第一纵向方向x分别交替地布置，其中，第二蚀刻沟k3沿第二纵向方向y彼此成排地布置。

沿第一纵向方向x在第一和第二蚀刻沟k2、k3之间分别设置有第一中断区域u1，其中，沿第二纵向方向y在第二蚀刻沟k3之间分别设置有第二中断区域u2。

在当前示例中，第一纵向方向x基本上垂直于第二纵向方向y地布置。

此外，例如在第一区域b1的周边中通过第一和第二各向异性的蚀刻步骤以及各向同性的蚀刻步骤形成另外的蚀刻沟k0、k1、k1’，其中，所述另外的蚀刻沟k0、k1、k1’具有第三多数的蚀刻沟k1、k1’，所述第三多数的蚀刻沟环形闭合地围绕第一区域b1并且在两个蚀刻步骤之后与第一和第二蚀刻沟k2、k3连接。

因此，根据图1a)–1c)，存在具有在区域b1中互连的、机械稳定的蚀刻沟结构的微机械系统，对于蚀刻沟结构存在不同的应用可能性。

在当前示例中，根据图2a)–2c)，紧接着各向同性的蚀刻步骤进行第二各向异性的蚀刻步骤，其中，蚀刻沟k0、k1、k1’、k2、k3蚀刻直至第三蚀刻深度，该第三蚀刻深度延伸经过第一微机械功能层f1的整个深度，例如同样在使用借助sf6(六氟化硫)的等离子方法的情况下，该第一微机械功能层必要时具有在蚀刻沟k0、k1、k1’、k2、k3的上方区域中的附加钝化层。

随后，蚀刻沟k0、k1、k1’、k2、k3使第一牺牲层o露出，其中，中断区域u1、u2保持在第一微机械功能层f1的上侧上，并且其中，在第一微机械功能层f1的下侧上形成另外的中断区域u3，该另外的中断区域相对于中断区域u1、u2沿第一微机械功能层f1的深度方向对称地定向。

此外，参照图3a)–3c)，由二氧化硅构造第二牺牲层o’，该第二牺牲层使第一和第二蚀刻沟k2、k3以及另外的蚀刻沟k0、k1、k1’在上侧处封闭并且在内部中覆盖，其中，在蚀刻沟k0、k1、k1’、k2、k3的扩开的区域中保留有空腔hz，所述空腔在随后的牺牲层蚀刻方法中可以用作为蚀刻通道。

此外，参照图4a)–4c)，在第一区域b1的周边中，在第二牺牲层o’中构造有第一贯通部d，所述第一贯通部使位于其下方的第一机械功能层f1局部地露出。

在另外的各向同性的蚀刻步骤中，局部地移除位于第一贯通部d下方的第一机械功能层f1，其中，第二牺牲层o’横向地作用为蚀刻停止部并且第一牺牲层o垂直地用作为蚀刻停止部。

根据图5a)–5c)，由二氧化硅构造第三牺牲层o”，所述第三牺牲层封闭第一贯通部d。

在第一区域b1中构造有一个或多个第二贯通部d’，所述第二贯通部使位于其下方的第一机械功能层f1局部地露出。

然后，由多晶硅构造第二微机械功能层f2并且对所述第二微机械功能层进行结构化，该第二微机械功能层在第二贯通部d2内部与第一微机械功能层f1连接。

在另外的可选步骤之后，根据图7a)–7c)，在使用第一和第二蚀刻沟k2、k3以及所述另外的蚀刻沟k0、k1、k1’作为蚀刻通道的情况下通过牺牲层蚀刻步骤移除第一、第二和第三牺牲层o、o’、o”。

在牺牲层蚀刻步骤中，蚀刻前部在第一和第二蚀刻沟k2、k3以及所述另外的蚀刻沟k0、k1、k1’的空腔hr中比在实心的牺牲层材料中更快速地扩展。优选地，在牺牲层蚀刻步骤中应用蚀刻方法，该蚀刻方法使用液态hf(氟化氢)或含hf的溶液。

另外的可选步骤可以随之而来。例如可以严密地封闭通过牺牲层蚀刻步骤产生的空腔。

在压力传感器中使用所述微机械系统时，根据图7b)第二微机械功能层f2的区域是膜片并且第一微机械功能层f1的区域b1是功能元件1’(参见图8a)、8b))，该功能元件用作为电极和加固元件。特别有利地，所述加固在这里二维地、即沿x和y纵向方向起作用。

虽然前面已经参照优选实施例描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式改变。

尤其地，本发明不局限于示例性提出的层材料。本发明也不仅适用于示例性提到的压力传感器，而是原则上适用于所有微机械传感器或致动器，尤其在所述微机械传感器或致动器中两个能导电的功能区域机械连接地、但电隔离地悬挂在衬底上。

在变型方案中，第一各向异性的蚀刻步骤例如也可以通过漆掩膜以两个蚀刻划分成两个不同的区域。在第一区域中，各向异性的蚀刻不在功能层的整个深度上进行。在第二区域中，蚀刻在功能层的整个深度上进行。在第二区域中，在后续步骤中不产生侧面的下部蚀刻。该行为可以用于限定以下区域，在该区域中蚀刻更慢地进行，或者在该区域中期望垂直的沟，以便例如产生电容式驱动或探测结构或产生非常精确限定的弹簧。

根据本发明的概念也为封装的加速度传感器或转速传感器或谐振器带来新的设计自由度。原则上，由此也可以使用新的封闭方法，所述封闭方法仅允许少量开口，如激光再封装方法。迄今必须在用于牺牲层蚀刻的非常多的过程流程中设置非常多的、紧密分布的蚀刻入口，所述蚀刻入口由于大数量的入口难以被封闭。