微机械构件和用于微机械构件的制造方法与流程

本发明涉及一种微机械构件和一种电容式压力传感器设备。本发明还涉及一种用于微机械构件的制造方法。

背景技术：

在de102009000403a1中描述一种电容式压力传感器，该电容式压力传感器包括衬底和膜片，该膜片跨越(überspannen)位于膜片与衬底表面之间的腔该膜片借助至少一个框架结构保持与腔的底侧间隔开。

技术实现要素：

本发明实现一种具有权利要求1的特征的微机械构件、一种具有权利要求9的特征的电容式压力传感器设备以及一种具有权利要求10的特征的用于微机械构件的制造方法。

本发明的优点

本发明实现跨越腔的膜片的膜片内侧处的支撑结构，其具有支撑结构的如此有利的构造，使得与现有技术相比，在膜片凹入到腔中时和/或在膜片从腔中凸出时，直接在膜片中的支撑结构处出现的机械应力更广泛地分布。因此，与构造在膜片内侧处的常规结构相比，较少需要担心膜片的损坏、例如尤其是膜片的撕裂。因此，本发明有助于实现与现有技术相比具有更高使用寿命或更高负载极限的微机械构件或配备有该微机械构件的电容式压力传感器设备。

在微机械构件的一种有利实施方式中，从膜片内侧延伸到腔的底侧的支撑结构分别如此与膜片的自支承区域相邻地布置，使得在支撑结构中的每个中，相邻的自支承区域位于其第一边缘元件结构的背离其至少一个中间元件结构地定向的一侧上。由于从膜片内侧延伸到腔的底侧的支撑结构、尤其是其第一边缘元件结构的有利设计/布局，因此在支撑结构中的每个与相邻的自支承区域之间的相应边界区域中的支撑结构的这类取向的情况下，阻止可能导致膜片的损坏的机械应力的高的局部强度的出现。

特别地，从膜片内侧延伸到腔的底侧的支撑结构中的至少一个可以如此与膜片的外部区域相邻地布置，使得在至少一个支撑结构中，相邻的外部区域位于其第二边缘元件结构的背离其至少一个中间元件结构地定向的一侧上。在这种情况下，如此布置的至少一个支撑结构与相邻的外部区域之间的、通常非常容易受到机械应力影响的边界区域也被更好地保护免于膜片的可能的撕裂。

替代地或补充地，从膜片内侧延伸到测量电极的支撑结构中的至少一个第一支撑结构和从膜片内侧延伸到测量电极的支撑结构中的至少一个第二支撑结构如此彼此对齐，使得其第二边缘元件结构彼此对齐，其中，在其第二边缘元件结构之间构造有从腔的底侧延伸到膜片内侧的支承壁结构。因此，从膜片内侧延伸到测量电极的支撑结构也可以组合成测量电极的相对较大/较大面积的悬置结构

在微机械构件的另一有利实施方式中，在支撑结构中的至少一个中，其至少一个中间元件结构与其第一边缘元件结构和/或与其第二边缘元件结构连接。至少一个中间元件结构和所分配的边缘元件结构中的至少一个因此可以形成紧凑的/一件式的整体结构。替代地，至少一个支撑结构和所分配的两个边缘元件结构也可以以在空间上彼此分开的方式存在。

例如，在支撑结构中的至少一个中，其两个中间元件结构可以与其第一边缘元件结构并且与其第二边缘元件结构如此连接，使得其两个中间元件结构、其第一边缘元件结构及其第二边缘元件结构包围从腔的底侧延伸到膜片内侧的空腔。因此，由两个中间元件结构、第一框架元件结构和第二框架元件结构形成的空腔框架的“总外周”可以作为机械应力的作用面积以避免膜片的损坏/撕裂。

可选地，至少一个支撑结构——其两个中间元件结构、其第一边缘元件结构及其第二边缘元件结构包围相应的空腔——可以构造有至少两个圆形的外棱边。因此可以避免在尖锐的外棱边处局部出现机械应力。

优选地，腔借助存在于其中的参考压强如此以气密的方式进行密封，使得膜片至少部分地能够借助膜片的背离腔地定向的膜片外侧上的不等于参考压强的物理压强而变形，其中，布置在腔的底侧上的对电极和测量电极能够如此电接触，使得能够截取施加在对电极与测量电极之间的电压。因此，在此描述的微机械构件可以有利地用于测量在膜片外侧上主要的各个物理压强，其方式为：在考虑到在对电极与测量电极之间所截取的电压的情况下确定关于物理压强的测量值。

在上述段落中描述的微机械构件的优点在具有这种微机械构件和分析处理电子器件的电容式压力传感器设备中也得到保证，该分析处理电子器件设计用于，至少在考虑到在对电极与测量电极之间截取的电压的情况下确定并输出关于在膜片外侧上主要的各个物理压强的测量值。

此外，用于微机械构件的相应制造方法的实施也实现上述优点。明确指出，制造方法可以根据微机械构件的上述实施方式进行扩展。

附图说明

下面基于附图阐述本发明的其他特征和优点。附图示出：

图1a至1c示出微机械构件的第一实施方式的示意图；

图2至图15示出微机械构件的其他实施方式的示意图；

图16示出用于阐述用于微机械构件的制造方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

图1a至1c示出微机械构件的第一实施方式的示意图。

在图1a至1c中示意性示出的微机械构件包括具有衬底表面10a的衬底10。衬底10优选地是半导体衬底，例如尤其是硅衬底。然而，应当指出，替代硅或除了硅之外，衬底10还可以包括至少一种另外的半导体材料、至少一种金属和/或至少一种电绝缘的材料。

该微机械构件还具有膜片12，该膜片以与位于膜片12与衬底表面10a之间的腔14的背离膜片12地定向的底侧14a间隔开的方式跨越腔14。然而，膜片12与衬底表面10a之间的腔14的位置不必理解如下：腔14的底侧14a直接邻接衬底表面10a。替代于此，至少部分地覆盖衬底表面10a的至少一个层16和18(例如至少一个层绝缘层16和18)还可以位于腔14的底侧14a与衬底10的衬底表面10a之间。至少一个绝缘层16和18尤其可以是氧化硅层和/或(富含硅的)氮化硅层。

微机械构件还具有多个支撑结构20a和20b，这些支撑结构分别从膜片12的膜片内侧12a延伸到腔14的底侧14a和/或从膜片内侧12a延伸到悬置在膜片12处的测量电极28。膜片内侧12a应理解为膜片12的朝向衬底10取向的一侧。支撑结构20a和20b尤其可以转入(übergehen)到膜片12中，从而膜片内侧12a也理解为“虚拟边界平面”，该“虚拟边界平面”与背离衬底10地定向的膜片外侧12b相距一定间距，该间距等于膜片12在垂直于衬底表面10a方向上的最小层厚度dmin。膜片12至少借助从膜片12的膜片内侧12a延伸到腔14的底侧14a的第一支撑结构20a保持与腔14的底侧14a间隔开。从膜片内侧12a延伸到测量电极28的第二支撑结构20b用于“电极悬置”。支撑结构20a和20b中的每个都单独地与膜片12连接。同样地，第一支撑结构20a中的每个都单独地锚定在腔14的底侧14a处，并且第二支撑结构20b中的每个都单独地锚定在测量电极28处。

在图1a至1c的实施方式中，腔14示例性地以气密的方式密封。为此，在此未更详细地讨论的框架结构22例如可以如此以气密的方式密封腔14，使得参考压强p0封闭(eingeschlossen)在腔14中。如在图1b中可以看到的那样，因此膜片12的至少一个自支承区域24能够借助膜片外侧12b上的不等于参考压强p0的物理压强p而变形。能够探测到膜片12的至少一个自支承区域24的由于作用于其上的不等于参考压强p0的物理压强p而引起的变形，其方式为：截取布置在腔14的底侧14a上的对电极26与测量电极28之间的电压。为此，对电极26和测量电极28能够如此电接触，使得可以截取存在于对电极26与测量电极28之间的电压。接着，至少在考虑所截取的电压的情况下可以确定关于在膜片外侧12b上主要的(vorherrschend)各个物理压强p的测量值。因此，图1a至1c的微机械构件可以有利地用作电容式压力传感器设备的至少一部分。然而，应当指出，基于在此所描述的和以下的附图实施的微机械构件的可用性不限于电容式压力传感器设备。

如在图1b中可以看到的那样，在膜片12的至少一个自支承区域24变形时，在第一支撑结构20a中的每个与自支承区域24之间的相应的“内部”边界区域30a中出现机械应力。同样地，在膜片12的至少一个自支承区域24变形时，机械应力也可能出现在第一支撑结构20a中的每个与膜片12的外部区域之间的相应的“外部”边界区域30b中，例如框架结构22处的膜片边缘。在膜片12的至少一个自支承区域24变形时，在与第二支撑结构20b中的每个相邻的相应的“外部”电极悬置边界区域31中也可能出现机械应力。然而，如下面更详细地阐释的那样，膜片12的由于机械应力而引起的损坏的风险、尤其是膜片12的通过机械应力而导致的撕裂的风险可以借助支撑结构20a和20b的有利构造而显著降低。

在微机械构件中，第一支撑结构20a和第二支撑结构20b中的每个都构造有各自的第一边缘元件结构32、各自的第二边缘元件结构34和各自的布置在所分配的第一边缘元件结构32与所分配的第二边缘元件结构34之间的至少一个中间元件结构36。图1c示例性地示出第一支撑结构20a中的一个，其中，每个第一支撑结构20a的子结构32至36都分别从膜片12的膜片内侧12a延伸到腔14的底侧14a。然而，在此应当指出，第二支撑结构20b也可以具有以下描述的特征，其中，在这种情况下，每个第二支撑结构20b的子结构32至36分别从膜片12的膜片内侧12a延伸到测量电极28。

对于支撑结构20a和20b中的每个都能够限定对称平面38，关于该对称平面，至少相应的支撑结构20a或20b的第一边缘元件结构32和相应的支撑结构20a或20b的第二边缘元件结构34是镜像对称的。可选地，至少一个中间元件结构36也可以关于对称平面38镜像对称地构造。对称平面38与腔14的底侧14a和膜片12的膜片内侧12a相交。对称平面38尤其可以垂直于衬底10的衬底表面10a取向。

此外，在支撑结构20a和20b中的每个中，其第一边缘元件结构32的垂直于其对称平面38的第一最大延展a1及其第二边缘元件结构34的垂直于其对称平面38的第二最大延展a2分别大于其至少一个中间元件结构36的垂直于其对称平面38的至少一个相应的最大延展a3。因此，在支撑结构20a和20b中的每个中，由于在此描述的、支撑结构20a和20a的构造，其接触区域/锚定区域的与膜片12(在膜片内侧12a处)的边界的线长度与现有技术相比明显延长。因此，支撑结构20a和20b中的每个提供明显更多的“作用面积”给在与相应的支撑结构20a或20b相邻的膜片12中出现的机械应力，从而降低机械应力并且因此较少地导致膜片12的损坏，尤其是较少地导致膜片12的撕裂。优选地，支撑结构20a和20b中的每个的相应的第一边缘元件结构32的第一最大延展a1和/或支撑结构20a和20b中的每个的相应的第二边缘元件结构34的第二最大延展a2位于2μm(微米)与20μm(微米)之间的范围中。支撑结构20a和20b中的每个的至少一个中间元件结构36的相应的最大延展a3可以位于例如0.5μm(微米)与2μm(微米)之间的范围中。

优选地，第一支撑结构20a分别如此与膜片12的自支承区域24相邻地布置，使得在第一支撑结构20a中的每个中，相邻的自支承区域24位于其第一边缘元件结构32的背离其至少一个中间元件结构36地定向的一侧上。因此，第一边缘元件结构32的相对较大的第一最大延展a1保证相应的第一支撑结构20a的相对较长的端侧/端面，该端侧/端面朝向膜片12的自支承区域24取向。因此，在相应的“内部”边界区域30a中出现的机械应力分布在相对较大的“作用面积”上，从而在第一边缘元件结构32的背离其至少一个中间元件结构36地定向的一侧处机械应力的局部强度保持为相对较低。

优选地，第一支撑结构20a中的至少一个也如此与膜片12的外部区域(例如框架结构22处的膜片边缘)相邻地布置，使得在至少一个第一支撑结构20a中，相邻的外部区域位于其第二边缘元件结构34的背离其至少一个中间元件结构36地定向的一侧上。因此，第二边缘元件结构34也由于其垂直于对称平面38的相对较大的第二延伸a2而提供相对较大的端侧/端面给在膜片12的外部区域与相应的支撑元件20a之间的“外部”边界区域30b中出现的机械应力。因此，在膜片12的外部区域与至少一个支撑元件20a之间的“外部”边界区域30b中出现的机械应力的局部强度也保持为相对较低。

下面还将讨论第二支撑结构20b的有利定向。

如在图1c中可以看到的那样，在第一支撑结构20a和第二支撑结构20b中的至少一个中，其至少一个中间元件结构36可以与其第一边缘元件结构32和/或其第二边缘元件结构34连接。在图1a至1c的实施方式中，(单个的)中间元件结构36与两个边缘元件结构32和34连接。然而，替代地，至少一个中间元件结构36以及两个所分配的边缘元件结构32和34也可以彼此分开地/分离地构造(参见例如图2)。在图1a至1c的实施方式中，支撑结构20a和20b的相应的第一边缘元件结构32分别是长方体，该长方体垂直于对称平面38以第一最大延展a1进行延伸。相应地，支撑结构20a和20b的相应的第二边缘元件结构34也分别是长方体，该长方体垂直于对称平面38以第二最大延展a2进行延伸。相比之下，(单个的)中间元件结构36是沿着对称平面38延伸的长方体，该长方体关于对称平面38是镜像对称的，并且该长方体的垂直于对称平面38的最大延展a3明显小于其在对称平面38内的延展。因此，支撑结构20a和20b在平行于衬底10的衬底表面10a取向的平面中分别具有呈“i”(大写字母i)形式的横截面。

图2至图15示出微机械构件的其他实施方式的示意图。

借助图2至图15示意性示出的微机械构件具有上述实施方式的特征中的多个。因此，以下仅讨论图2至图15的微机械构件与图1a至图1c的实施方式之间的差异。除非另有说明，否则图2至图15的微机械构件也可以具有上述实施方式的特征。

在借助图2示意性示出的微机械构件中，支撑结构20a和20b与前述实施方式的支撑结构的不同之处仅在于，在每种情况下，在相同支撑结构20a或20b的(单个的)中间元件结构36与第一边缘元件结构32之间存在第一间隙40a，并且在相同支撑结构20a或20b的(单个的)中间元件结构36与第二边缘元件结构34之间存在第二间隙40b。因此，每个支撑结构20a和20b的相应的子结构32至36彼此分离地/分开地构造。

在借助图3示意性示出的微机械构件处，在支撑结构20a和20b中的至少一个中，其两个中间元件结构36a和36b与其第一边缘元件结构32及其第二边缘元件结构34如此连接，使得其两个中间元件结构36a和36b、其第一边缘元件结构32及其第二边缘元件结构34包围从腔14的底侧14a延伸到膜片内侧12a的空腔42。将相应的支撑结构20a或20b构造为包围相应的空腔42的空腔框架44，有助于增加其接触区域/锚定区域在膜片12处的边界的线长度。相应地，构造为空腔框架44的支撑结构20a或20b提供甚至更多的“作用面积”给机械应力，由此在相应的支撑结构20a或20b处出现的机械应力的局部强度显著降低。优选地，空腔框架44以关于对称平面38镜像对称的方式构造。

如在图4中可以看到的那样，至少一个支撑结构20a或20b(其两个中间元件结构36a和36b、其第一边缘元件结构32及其第二边缘元件结构34包围相应的空腔42)可以构造有至少两个圆形的外棱边46。示例性地，在图4的微机械构件中，圆形的外棱边46在其第二边缘元件结构34的背离中间元件结构36a和36b地定向的一侧处构造。

相比之下，图5的微机械构件具有构造为空腔框架44的至少一个支撑结构20a和20b，其中，圆形的外棱边46在第一边缘元件结构32的背离中间元件结构36a和36b地定向的一侧处构造。图6的微机械构件具有至少一个支撑结构20a和20b，所述至少一个支撑结构具有四个圆形的外棱边46，其中，各两个圆形的外棱边46在第一边缘元件结构32的背离中间元件结构36a和36b地定向的一侧处以及在第二边缘元件结构34的背离中间元件结构36a和36b地定向的一侧处构造。因此，图6的微机械构件的支撑结构20a和20b中的至少一个在平行于衬底10的衬底表面10a取向的平面中具有呈“倒圆角的(abgerundet)矩形”形式的横截面。

以下描述的实施方式尤其有利地适合作为第二支撑结构20b。有利地，在这种情况下，第二支撑结构20b如此取向，使得相邻的“外部”电极悬置边界区域31位于其第一边缘元件结构32的背离其至少一个中间元件结构36的一侧上。因此，第一边缘元件结构32由于其垂直于对称平面38的相对较大的第一延展a1而将相对较大的端侧/端面提供给在“外部”电极悬置边界区域31中出现的机械应力。因此，在“外部”电极悬置边界区域31中出现的机械应力的局部强度也保持为相对较低。

在借助图7示意性示出的微机械构件中，(至少)第二支撑结构20b分别构造为空腔框架44。但是，中间元件结构36a和36b在对称平面38内平行于衬底表面10a地取向的空间方向上具有长度l36，该长度明显大于其第一边缘元件结构32的垂直于其对称平面38的第一最大延展a1及其第二边缘元件结构34的垂直于其对称平面38的第二最大延展a2。中间元件结构36a和36b在对称平面38内平行于衬底表面10a取向的空间方向上的长度l36例如可以大于等于5μm(微米)、尤其是大于等于10μm(微米)。

在图8中示意性示出的支撑结构20b与在图7中示出的支撑结构的不同之处仅在于，与第一边缘元件结构32连接的第一中间元件结构36a通过第一间隙48a与第二边缘元件结构34间隔开，而与第二边缘元件结构34连接的第二中间元件结构36b通过第二间隙48b与第一边缘元件结构32间隔开。

在图9和图10中示出的支撑结构20b在平行于衬底10的衬底表面10a取向的平面中也分别具有呈“i”(大写字母i)形式的横截面。与图1c和图2的实施方式不同，(单个的)中间元件结构36在对称平面38内平行于衬底表面10a取向的空间方向上具有长度l36，该长度明显大于相邻的第一边缘元件结构32的垂直于其对称平面38的第一最大延展a1和相邻的第二边缘元件结构34的垂直于其对称平面38的第二最大延展a2。与图10的实施方式不同，图9示出支撑结构20b，在该支撑结构中分别在相同支撑结构20b的(单个的)中间元件结构36与第一边缘元件结构32之间存在第一间隙40a并且在相同支撑结构20b的(单个的)中间元件结构36与第二边缘元件结构34之间存在第二间隙40b。

如在图11和12中可以看到的那样，每个支撑结构20a和20b的第一边缘元件结构32和第二边缘元件结构34也可以分别构造为呈(直的)棱镜的形式。在这种情况下，相应的(直的)棱镜的垂直于对称平面38的延展在朝向相应的支撑结构20a或20b的(单个的)中间元件结构36的方向上逐渐变细。可选地，在这种情况下，也可以在相同支撑结构20a或20b的第一边缘元件结构32与(单个的)中间元件结构36之间构造第一间隙50a，并且在相同支撑结构20a或20b的第二边缘元件结构34与(单个的)中间元件结构36之间构造第二间隙50b(参见图12)。

借助图13示意性示出的支撑结构20b具有第一边缘元件结构32，该第一边缘元件结构在其背离相同支撑结构20b的(单个的)中间元件结构36地定向的一侧处具有凸出部。因此，第一边缘元件结构32包括长方体，该长方体在背离相同支撑结构20b的(单个的)中间元件结构36地定向的一侧处构造有球体部段。因此，第一边缘元件结构32“钉头状地”成形。第一边缘元件结构32的这种形状也有助于附加地增加其用于机械应力的“作用面积”，并且因此降低膜片12直接在相应的支撑结构20a或20b处撕裂的风险。可选地，相同支撑结构20a或20b的第二边缘元件结构34也可以“钉头状”构造，其方式为：第二边缘元件结构34包括长方体，该长方体在背离相同支撑结构20a或20b的(单个的)中间元件结构36地定向的一侧处构造有球体部段。边缘元件结构32和34也可以(借助至少一个间隙)与相同支撑结构20a或20b的(单个的)中间元件结构36分开。

在借助图14和15示意性示出的微机械构件中，第二支撑结构20b中的至少一个和第二支撑结构20b中的另外一个如此彼此对齐，使得其第二边缘元件结构34彼此对齐，其中，在其第二边缘元件结构之间构造有从腔14的底侧14a延伸到膜片内侧12a的支承壁结构52。支承壁结构52优选地在对称平面38内平行于衬底表面10a取向的方向上具有长度l52，该长度明显大于第一最大延展a1和第二最大延展a2。支承壁结构52在对称平面38内平行于衬底表面10a取向的空间方向上的长度l52例如可以大于等于10μm(微米)，尤其是大于等于15μm(微米)。支承壁结构52可以可选地与相邻的支撑结构20b中的至少一个连接(图14)。替代地，第一间隙54a也可以位于相邻的支撑结构20b与支承壁结构52之间，并且第二间隙54b也可以位于另外的相邻的支撑结构20b与支承壁结构52之间。

关于借助图2至15示意性示出的微机械构件的其他特性和特征，参考图1a至图1c的实施方式。

支撑结构20a和20b的上述形状也可以如此彼此“组合”，使得微机械构件具有不同形状的支撑结构20a和20b。

与现有技术相比，所有上述支撑结构20a和20b保证其与膜片12(在膜片内侧12a处)的接触区域/锚定区域的边界的线长度增大。这也可以描述为用于膜片接触的线长度的增大。通过增大支撑元件20的用于膜片接触的线长度，降低在其与膜片12的接触区域/锚定区域的边界处机械应力的局部强度。以这种方式，与现有技术相比，也降低膜片12中裂纹形成的风险。支撑结构20a和20b还可以具有至少两个中间元件结构36、36a或36b，该至少两个中间元件结构布置在沿着或平行于对称平面38取向的列中。

上述微机械构件可以分别用于电容式压力传感器设备中。优选地，电容式压力传感器设备附加地包括分析处理电子器件，该分析处理电子器件设计用于，至少在考虑到在对电极26与测量电极28之间截取的电压的情况下确定并输出关于在膜片外侧12b上主要的各个物理压强p的测量值。

图16示出用于阐述用于微机械构件的制造方法的实施方式的流程图。

该制造方法包括至少一个方法步骤s1，在该方法步骤中，将膜片在具有衬底表面的衬底处如此展开，使得该膜片以与位于膜片与衬底表面之间的腔的背离膜片地定向的底侧间隔开的方式跨越腔。在方法步骤s2中，形成多个支撑结构，这些支撑结构分别从膜片的膜片内侧延伸到腔的底侧和/或从膜片内侧延伸到悬置在膜片处的测量电极。方法步骤s2可以与方法步骤s1同时地或在时间上重叠地实施。方法步骤s2也可以在方法步骤s1之前或之后实施。

此外，使支撑结构中的每个如此形成有各自的第一边缘元件结构、各自的第二边缘元件结构和各自的布置在所分配的第一边缘元件结构与所分配的第二边缘元件结构之间的至少一个中间元件结构，使得针对支撑结构中的每个都能够分别限定对称平面，关于该对称平面，至少相应的支撑结构的第一边缘元件结构和相应的支撑结构的第二边缘元件结构是镜像对称的。此外，支撑结构中的每个的子结构分别如此形成，使得在支撑结构中的每个中，其第一边缘元件结构的垂直于其对称平面的第一最大延展及其第二边缘结构的垂直于其对称平面的第二最大延展大于其至少一个中间元件结构的垂直于其对称平面的至少一个最大延展。