用于传感器设备的微机械构件及用于传感器设备的微机械构件的制造方法与流程

本发明涉及一种用于传感器设备的微机械构件以及一种传感器设备。本发明还涉及一种用于传感器设备的微机械构件的制造方法。

背景技术：

图1a和1b示出传统半导体设备的示意性局部和整体示图，这是申请人已知的内部现有技术。

图1a中部分示出的半导体设备包括衬底10，衬底具有至少部分覆盖衬底10的衬底表面10a的中间层12。由第一半导体层和/或金属层p1形成的至少一个定子电极14布置在中间层12上。传统的半导体设备还包括由第二半导体层和/或金属层p2形成的至少一个执行器电极(aktor-elektrode)16。至少一个执行器电极16如此悬挂在由第三半导体层和/或金属层p3形成的膜片18上，使得至少一个执行器电极16可以借助膜片18的压力或声波引起的拱起相对于至少一个定子电极14调节。此外，传统的半导体设备还包括由第二半导体层和/或金属层p2形成的至少一个参考电极20、由第一半导体层和/或金属层p1形成的至少一个参考反电极22，以及由第一半导体层和/或金属层p1形成的至少一个印制导线输送部(leiterbahnzuführung)24。

从图1b中可以看出，传统的半导体设备通过如下方式封装：借助第一粘接层26将衬底10固定在电路板28上，并借助第二粘接层30将电路板28粘贴在载体衬底32上。在载体衬底32上还固定有具有至少一个空气输送开口36的盖34，使得微机械构件布置在由载体衬底32和盖包围的内部体积中。

技术实现要素：

本发明提供一种具有根据本发明的特征的用于传感器设备的微机械构件、一种具有根据本发明的特征的传感器设备，以及一种具有根据本发明的特征的用于传感器设备的微机械构件的制造方法。

本发明的优点

本发明使得能够以简单的方式构造具有在膜片外侧处突出的加固结构(versteifungsstruktur)和/或保护结构的微机械构件/传感器设备的可拱起的膜片并且不会显著增加微机械构件/传感器设备的制造成本。借助以这种方式实现的相应的膜片的加固能够改善其拱起性能作为在其膜片外侧上对于压力或声波的响应用于膜片的传感用途。此外，本发明确保有利地保护膜片免于膜片外侧的污染，并提高膜片对机械应力的稳健性。如下文更详细地阐述的，本发明还使得将微机械设备集成到更成本有利和更小的封装中更容易。因此，对于微机械构件/传感器设备，本发明能够降低其制造成本，减小其结构尺寸并提高其对污染物和机械应力的稳健性。

在微机械构件的一种有利的实施方式中，加固结构和/或保护结构包括在膜片外侧上突出的至少一个网格(gitter)。借助在膜片外侧上突出的网格，即使是在其用作用于测量膜片的膜片外侧上的外部压力(在已知膜片的膜片内侧的内部压力的情况下)或用于探测声波的传感面时，也确保对膜片外侧的可靠的颗粒保护(partikelschutz)。

网格的所有网格开口尤其都可以不透水。这能够通过以下方式容易地实现：将网格的网格开口构造得如此小/窄，使得气体介质能够穿过网格的网格开口，但水滴不能够穿过。在这种情况下，网格因此能够可靠地满足戈尔膜片(gore-membran)的功能。

作为替代或补充，加固结构和/或保护结构也能够至少部分以疏水保护层涂覆。以这种方式能够保护膜片的外侧免于被液体润湿。

在另一有利的实施方式中，微机械构件至少部分地借助模塑块(moldmass)包铸(umgiessen)，其中，模塑块至少部分地覆盖加固结构和/或保护结构。如下文详细阐述，微机械构件由于其配备有在膜片外侧上突出的加固结构和/或保护结构而可以借助模塑块包铸，其中，膜片的借助加固结构和/或保护结构所保护的膜片外侧却仍然能够可靠地用作如下的传感面：所述传感面用于测量膜片的膜片外侧上的外部压力(在已知其膜片内侧的内部压力的情况下)或用于探测声波。

附加地，膜片外侧的由模塑块裸露(freiliegen)的部分面和/或加固结构和/或保护结构的由模塑块裸露的部分面可以被凝胶覆盖。在这种情况下，凝胶化能够非常容易地实现，因为通过模塑块中的侧向边界能够可靠地防止凝胶的外流。

在另一有利的实施方式中，微机械构件借助布置在加固结构和/或保护结构上的接合材料固定接合在电路板上。同样在这种情况下，在膜片外侧上突出的加固结构和/或保护结构确保膜片外侧仍然能够用作如下的传感面：所述传感面用于测量膜片的膜片外侧上的外部压力(在已知膜片的膜片内侧上的内部压力的情况下)或用于探测声波。

替代地或补充地，至少一个芯片对芯片接通(chip-zu-chip-kontakt)能够布置在加固结构和/或保护结构上，微机械构件分别通过该芯片对芯片接通与电路板和/或另一电路板电连接。因此，能够以相对简单的方式实现微机械构件的电接通。

在具有这种微机械构件的传感器设备中也保证上述优点。传感器设备可以例如是压力传感器设备和/或惯性传感器设备和/或麦克风。

此外，针对这种微机械构件实施相应的制造方法也实现上述优点，其中，可以根据微机械构件的上述实施方式来进一步扩展制造方法。

附图说明

下面参照附图阐述本发明的其他特征和优点。附图示出：

图1a和1b示出常规半导体设备的部分示意图和整体示意图；

图2a和2b示出微机械构件的第一实施方式的部分示意图和整体示意图；

图3示出微机械构件的第二实施方式的整体示意图；

图4示出微机械构件的第三实施方式的整体示意图；

图5示出微机械构件的第四实施方式的整体示意图；

图6示出用于阐述制造方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

图2a和2b示出微机械构件的第一实施方式的部分示意图和整体示意图。

下面进一步描述的微机械构件可以有利地用作传感器设备(的一部分)。传感器设备可以是例如压力传感器设备和/或惯性传感器设备和/或麦克风。然而在此应指出，此处列举的传感器设备的示例并非结论性解读。

图2a中部分示出的微机械构件具有衬底10，衬底具有衬底表面10a。该衬底10可以是例如半导体衬底，尤其是硅衬底。此外，微机械构件具有至少一个定子电极14，所述至少一个定子电极布置在衬底表面10a上和/或布置在至少部分覆盖衬底表面10a的至少一个中间层12上。至少一个定子电极14分别由沉积在衬底表面10a和/或至少一个中间层12上的第一半导体层和/或金属层p1形成。例如第一半导体层和/或金属层p1可以是多晶硅层。更优选地，至少一个中间层12是绝缘层，例如二氧化硅层和/或富硅的氮化物层。

微机械构件还具有可调节布置的至少一个执行器电极16，至少一个执行器电极分别由第二半导体层和/或金属层p2形成。第二半导体层和/或金属层p2也可以是多晶硅层。第二半导体层和/或金属层p2沉积在第一半导体层和/或金属层p1上和/或沉积在至少部分覆盖第一半导体层和/或金属层p1的至少一个第一牺牲层50上，所述至少一个第一牺牲层可能至少部分地被蚀刻(掉)。至少一个第一牺牲层可以是例如二氧化硅层。

此外，具有膜片外侧18a的膜片18跨越至少一个定子电极14和至少一个执行器电极16，所述膜片外侧远离至少一个定子电极14和至少一个执行器电极16地定向。在图2a和2b的示例中，膜片18借助至少由第二半导体层和/或金属层p2形成的框架部分52如此展开，使得膜片18形成至少电极14和16的密封封装或薄层封装。因此，至少一个定子电极14和至少一个执行器电极16至少布置在由膜片18跨越且气密密封的体积v中，这实现对电极14和16的可靠保护。

优选地，膜片18还是至少部分可拱起的，例如由于在膜片的膜片外侧18a上占主导的外部压力和在膜片的远离膜片外侧18a定向的膜片内侧18b上占主导的内部压力之间的压力差，或者由于声波在膜片外侧18a上的冲击。附加地，至少一个执行器电极16可以如此直接或间接地悬挂在膜片18的膜片内侧18b上，使得至少一个执行器电极16可以借助膜片18的压力引起或声波引起的拱起相对于至少一个定子电极14调节。在这种情况下，膜片18的膜片外侧18a可以至少部分地用作用于测量外部压力(在已知内部压力的情况下)或用于探测声波的传感面s。

膜片18由第三半导体层和/或金属层p3形成。第三半导体层和/或金属层p3也可以是多晶硅层。第三半导体层和/或金属层p3尤其可以沉积在第二半导体层和/或金属层p2上，和/或沉积在至少部分覆盖第二半导体层和/或金属层p2的至少一个第二牺牲层(未描绘)上，所述至少一个第二牺牲层可能至少部分地被蚀刻(掉)。至少一个第二牺牲层同样可以是二氧化硅层。

附加地，微机械构件还具有加固结构和/或保护结构54，所述加固结构和/或保护结构在膜片外侧18a上突出并由第四半导体层和/或金属层p4形成。第四半导体层和/或金属层p4沉积在第三半导体层和/或金属层p3上，和/或沉积在至少部分覆盖第三半导体层和/或金属层p3的至少一个层(未示出)上。第四半导体层和/或金属层p4同样可以是多晶硅层。至少部分覆盖第三半导体层和/或金属层p3的至少一个层可以是牺牲氧化物层，该牺牲氧化物层可能至少部分地被蚀刻(掉)。

借助通过在膜片外侧18a上突出的加固结构和/或保护结构54实现的膜片18的加固能够使至少一个定子电极14与其分别分配的执行器电极16之间的间隙距离d均匀化。同样，借助通过加固结构和/或保护结构54实现的膜片18的加固能够提高微机械构件的压力灵敏度或声波灵敏度，并且能够阻止/减少在膜片外侧18a上占主导的压力水平的变化与间隙距离d的变化之间的非线性。

此外，通过确定第四半导体层和/或金属层p4的尺寸能够确定膜片18的膜片跨越距离或传感面s的延展，而作为密封封装或薄层封装的第三半导体层和/或金属层p3的横向尺寸与膜片18的后续的膜片跨越距离无关。因此，由膜片18跨越并且气密密封的体积v可以相对较大，而不必为此接受相对较大的膜片跨越距离的缺点。如下面更详细地阐述，在膜片外侧18a上突出的加固结构和/或保护结构54也能够用于保护膜片外侧18a免于污染、免于被液体润湿并且免于损坏。

借助膜片18跨越并且气密密封相对较大的体积v的可能性能够用于将至少一个其他的传感器电极56(除了电极14和16之外)集成到体积v中。在图2a和2b的实施方式中，除了电极14和16之外，示例性地还将至少一个质量块56作为“惯性传感器电极56”集成到体积v中。例如，至少一个其他传感器电极/质量块56可以由第二半导体层和/或金属层p2形成。与至少一个其他传感器电极/质量块56协作的、同样集成到体积v中的至少一个反电极(未描绘)可以由第一半导体层和/或金属层p1形成或者由第二半导体层和/或金属层p2形成。作为至少一个其他传感器电极/质量块56及其至少一个反电极的替代或补充，也可以将上述至少一个参考电极及其至少一个参考反电极集成到体积v中。此外，至少一个印制导线输送部24也可以由第一半导体层和/或金属层p1形成。

在膜片外侧18a上突出的加固结构和/或保护结构54还能够简化微机械构件的电接通。例如可以将至少一个接合垫(bondpad)58固定在加固结构和/或保护结构54上，而不影响膜片18的可变形性、尤其不影响膜片的传感面s。

从图2b中可以看出，能够以简单的方式将在此描述的微机械构件集成到/集成在封装中，其方式例如是：借助第一粘接层26将衬底10的远离衬底表面10a地定向的固定面10b固定在电路板28上，并且借助第二粘接层30将电路板28的远离微机械构件地定向的固定面28a粘贴在载体衬底32上。为了微机械构件与电路板28的电接通，通过各一个线接合(drahtbond)60将微机械构件的至少一个接合垫58连接到/连接在电路板28的各个接通部62上。如果需要，通过至少一个其他的线接合64还可以将电路板28电连接到/电连接在载体衬底32的接通部66上。可选地，载体衬底32的远离微机械构件和电路板28定向的固定面32a也能够通过固定在其上的至少一个焊垫68固定在其他设备上。电路板28尤其可以是具有用于操控和读取微机械构件的cmos电路的硅芯片。

此外，微机械构件至少部分地借助模塑块70包铸，其中，模塑块70至少部分地覆盖加固结构和/或保护结构54。在模塑过程中，膜片18的传感面s保持不被模塑块70覆盖，以便继续确保传感面s的有利的灵敏度。相比于在图1b中概述的根据现有技术的封装，在图2b示出的封装——也可称为薄膜辅助模塑封装(film-assistedmoldpackage)——能够明显成本更有利地制造。应指出，因为模塑块70的边缘仅与加固结构和/或保护结构54接触而不与膜片18接触，所以即使在模塑过程中存在波动，膜片18的膜片跨越距离或传感面s的延展也不会改变。(在模塑过程中，凝固的模塑块70的边缘位置可能略有变化)。作为有利的扩展方案，在图2a和2b的实施方式中，膜片外侧18a的由模塑块70裸露的部分面和/或加固结构和/或保护结构54的由模塑块70裸露的部分以凝胶72覆盖。凝胶化能够非常容易地实现，因为通过模塑块70的侧向边界能够可靠地防止凝胶72的外流。通过使用凝胶72改善膜片18抗污染的稳健性，因为在膜片外侧18a/传感面s上不能够形成沉积物，并且即使活性化学物质也不能够/几乎不能够侵蚀膜片外侧18a/传感面s。因此，即使存在活性化学物质，膜片18的压力敏感性或声波敏感性也保持不受影响。

图3示出微机械构件的第二实施方式的整体示意图。

作为上述实施方式的补充，在图3中示意性示出的微机械构件还包括在膜片外侧18a上突出的网格74作为其加固结构和/或保护结构54的一部分。作为“保护网格”，网格74能够实现膜片外侧18的颗粒保护，以防止膜片外侧18的污染。可选地，施加在网格74上的电势能够与施加在膜片18上的电势不同，在这种情况下，网格74还实现膜片18对电磁辐射的屏蔽，并以这种方式改善微机械构件的电磁稳健性。此外，加固结构和/或保护结构54至少部分地涂覆有疏水保护层76，由此实现膜片18的防潮保护。替代地或作为疏水保护层76的补充，网格74的所有网格开口74a可以构造得如此小，使得其不透水。借助网格74的足够细的穿孔(perforation)，网格74因此还能够实现戈尔膜片的功能。在这种情况下，气体分子仍然能够无问题地扩散穿过网格74的网格开口74a，然而，通过网格74将液体滴阻挡在膜片18之外。如果在至少一个接合垫58上涂覆疏水保护层76是不期望的，例如因为至少一个接合垫58是由铝制成的，那么可以通过退火步骤从至少一个接合垫58上选择性地移除疏水涂层76。然而，通常这并不是必要的，因为疏水涂层76能够构造地足够薄，使得疏水涂层在线接合时容易穿透，并且仍然实现膜片18的可靠的液体保护。

关于图3的微机械构件的其他特征及其优点，参考上述实施方式。

图4示出微机械构件的第三实施方式的整体示意图。

在图4中示意性示出的微机械构件与图2a和2b的实施方式的不同之处仅在于网格74以及间隙78，该间隙构造在其膜片18的膜片外侧18a与其加固结构和/或保护结构54的至少一个裸露区域54a之间。加固结构和/或保护结构54仅借助加固结构和/或保护结构54的至少一个锚固的区域54b与膜片18接触。加固结构和/或保护结构54与其至少一个裸露区域54a的结构通过如下方式提高膜片18的应力稳健性，该裸露区域与膜片18以间隙78间隔开：间隙78防止/阻止机械应力通过加固结构和/或保护结构54被引入膜片18中。因此，间隙78确保膜片18的有利的应力解耦。即使，由于模塑块与膜片18的材料的大幅偏离的热膨胀系数、或者由于在产品寿命使用期间材料特性的变化，位于加固结构和/或保护结构54上的模塑块70将一些机械应力传递到加固结构和/或保护结构54上，间隙78也能够防止应力传递到膜片18上。

关于图4的微机械构件的其他特征及其优点，参考图2a和2b的实施方式。

图5示出微机械构件的第四实施方式的整体示意图。

与前面描述的实施例不同，在图5中示意性说明的微机械构件通过如下方式封装：微机械构件借助布置在加固结构和/或保护结构54上的接合材料80固定接合在电路板28上。在此，电路板28同样尤其可以是具有用于操控和读取微机械构件的cmos电路的硅芯片。接合材料80尤其可以成形为“接合框架”。借助构造在“接合框架”中的至少一个开口能够实现从所封装的微机械构件的外侧到膜片18的用作传感面s的膜片外侧18a(的部分面)的压力或声波入口82。在半导体层和/或金属层p1、p2、p3和p4的两个相邻的层之间的通道可以构造为压力或声波入口82。借助相对较薄的通道构造能够确保充分地保护免于污染物或液体的渗入。

可选地，至少一个芯片对芯片接通84仍然能够布置在加固结构和/或保护结构54上，微机械构件通过该芯片对芯片接通分别电连接在电路板28上。为了形成至少一个芯片对芯片接通84，可以实施金属接合方法、共晶接合方法、直接接合方法或热压接合方法。优选地，通过使用铝并且通过使用锗、铜和锡实施共晶接合方法。借助布置在电路板28的远离微机械构件地定向的固定面28a上的至少一个焊球86，能够将电路板28固定在其他设备上。

关于图5的微机械构件的其他特征及其优点，参考图2a和2b的实施方式。

上述所有微机械构件都能够用作传感器设备，例如尤其是用于消费应用或汽车应用的压力传感器设备和/或惯性传感器设备和/或麦克风。相比于在图1b示意性示出的根据现有技术的封装，上述封装能够明显成本更有利地制造。此外，上述封装使由于机械应力产生的影响最小化，并且增加相应的微机械构件对污染的稳健性。

图6示出用于阐述制造方法的实施方式的流程图。

上述所有微机械构件都能够借助以下描述的制造方法来制造。然而，制造方法的可实施性并不限于这些微机械构件。

在方法步骤s1中，在衬底的衬底表面上和/或在至少部分覆盖衬底表面的至少一个中间层上沉积第一半导体层和/或金属层。第一半导体层和/或金属层和至少一个中间层的材料的示例已经在上面提到。由第一半导体层和/或金属层至少形成布置在衬底表面和/或至少一个中间层上的至少一个定子电极。

然后，作为方法步骤s2，在第一半导体层和/或金属层上和/或在至少部分覆盖第一半导体层和/或金属层的至少一个第一牺牲层上沉积第二半导体层和/或金属层。对于第二半导体层和/或金属层和至少一个第一牺牲层也已经在上面提到可能的材料。由第二半导体层和/或金属层至少形成至少一个执行器电极。

在另一方法步骤s3中，在第二半导体层和/或金属层上和/或在至少部分覆盖第二半导体层和/或金属层的至少一个第二牺牲层上沉积至少一个第三半导体层和/或金属层。第三半导体层和/或金属层和至少一个第二牺牲层的材料的示例已经在上面描述过。由第三半导体层和/或金属层形成跨越至少一个定子电极和至少一个执行器电极的至少一个膜片，所述至少一个膜片具有远离至少一个定子电极和至少一个执行器电极地定向的膜片外侧。可选地，至少一个执行器电极可以直接或间接地固定在膜片的膜片内侧上，膜片内侧远离膜片外侧地定向。

作为方法步骤s4，在膜片外侧上和/或在至少部分覆盖膜片外侧的至少一个层上实施沉积第四半导体层和/或金属层。例如，可以沉积多晶硅层作为第四半导体层和/或金属层。由第四半导体层和/或金属层形成在膜片外侧上突出的至少一个加固结构和/或保护结构。至少部分覆盖膜片外侧的至少一个层可以是牺牲氧化物层，其结构定义膜片外侧上的加固结构和/或保护结构的至少一个接触面，也可能是至少一个接触孔。如果在沉积第四半导体层和/或金属层之前，从膜片外侧的至少一个部分面移除至少一个层，则加固结构和/或保护结构在所述至少一个部分面上接触膜片外侧。然而，在构建加固结构和/或保护结构时，至少一个层的部分区域也至少能够用作蚀刻停止如果需要，随后能够借助蚀刻方法、优选借助气态氟化氢移除至少一个层。

在方法步骤s4之前或之后实施的方法步骤s5中，至少部分地如此移除至少一个第一牺牲层和/或至少一个第二牺牲层，使得至少一个执行器电极可调节地布置。作为方法步骤s5，可能在方法步骤s4之前和之后还可以实施多个蚀刻步骤。借助方法步骤s5还可以如此确保膜片的可拱起性，使得能够实现膜片的压力引起或声波引起的拱起。如果至少一个执行器电极直接或间接地固定膜片的在膜片内侧上，则至少一个执行器电极可以借助膜片的压力或声波引起的拱起相对于至少一个定子电极来调节。借助构造加固结构和/或保护结构能够确定膜片的膜片直径。这为膜片的膜片直径的构型开启附加的设计自由度，因为能够非常精确地调节膜片的膜片直径，尤其是通过为了加固结构和/或保护结构的成型而实施的沟槽工艺(trenchprozess)。

借助附加的方法步骤还能够实现上述微机械构件的其他特征。尤其能够实现上述封装的特征。然而，在此省去重新描述这些功能。