CN102106161B - 微机械组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明说明一种微机械组件和用于制造这样的组件的方法，其中，从单晶的半导体基片(200)的背侧中的开口(215)出发在基片中产生一个空腔(270)。在此，如此控制为此使用的工序以及所使用的单晶的半导体基片，使得产生在很大程度矩形的空腔。

Description

微机械组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械组件及其制造方法。
背景技术
微机械传感器往往使用设置在空腔上方的膜片。在此，在特定的传感器——如MEMS麦克风中，所述空腔的大小和形状影响传感器的分辨能力。
但是MEMS麦克风和膜片传感器通常借助于两级工序实现。在此，例如具有膜片和反电极130的传感元件120放置在半导体基片上。如在图1a中所示，紧邻半导体基片100的背侧170地在基片中开设空洞110，所述空洞110一直延伸到有效的传感器结构，也就是说，在麦克风中例如一直延伸到反电极130。在此，空洞110的成形可以借助于单一的沟道蚀刻工序。但是在此需要蚀刻前端必须非常准确地到达有效的传感器结构，因为否则在朝向传感器结构的空洞开口的偏差时可能会产生机械的/声学的短路。如果相反空洞的开口相对于传感器结构的大小设计地过小，则传感器结构——例如膜片被不必要地减弱。
通常，在使用MEMS麦克风的情况下，传感器结构下方的开口必须保持最小容积，以便实现足够的灵敏度。但是为了提高灵敏度期望所述容积尽可能大。但是相反，容积不可以任意地扩大，因为在进一步加工中组件的背侧170上的面积用于将组件安装在印刷电路板上或者壳体中。因此，必须找到大的容积与基片背侧上足够大的紧固面积之间的折中方案。
在图1b中示出用于扩大背侧容积的另一已知示例。在此，与更具图1a的组件相比使用两级沟槽蚀刻工序。在此方法中，通过第一沟槽蚀刻步骤在基片100中开设具有比有效的传感器结构130更大的开口的空洞140。在随后的第二沟槽蚀刻步骤中产生较小的空洞150，其与传感元件120或传感器结构130的尺寸相匹配。虽然通过所述方法可以实现由空洞140、150组成的更大的背侧容积并且因此实现灵敏度的提高，但与图1a的组件相比由两个分离的结构化步骤的耗费明显提高。空洞140的任意扩大也是不可能的，因为在基片100的背侧170上必须设有足够的用于紧固的面积。
相反，对更大的背侧容积和足够的紧固面积之间的困境的补救提供了一种方法，所述方法提供根据图1c的组件。在此，通过各向异性和各向同性的蚀刻步骤的组合在传感元件120或有效的传感器结构130下方的基片100中蚀刻出环形结构160。通过所述方法在与图1a相比紧固面积大小相同的情况下获得容积提高。但是，通过环形结构，由此获得的相对于图1a的组件的容积提高在基片100的厚度保持不变的情况下与图1b的组件相比明显更小。
由DE10 2007 026 450A1公开了一种方法，其中，可以借助于特殊的沟槽工序在半导体基片中产生空洞的侧向加宽。
发明内容
按照本发明，提出了一种微机械组件，具有单晶的半导体基片和所述半导体基片中的空腔，其中，在所述半导体基片的背侧中设有通向所述空腔的开口，所述空腔在横向上具有超过所述开口的延展的深度，所述组件具有微机械的传感元件，其具有膜片结构，所述膜片结构通过所述半导体基片的前侧上的至少一个开口与所述空腔接触，其中，所述传感元件具有麦克风结构，该麦克风结构由膜片和设有至少一个开口的反电极组成，所述空腔在横向上具有近似矩形的形状并且所述空腔的横向延展大于所述膜片和/或所述反电极的横向延展。
按照本发明，还提出了一种用于制造微机械组件的方法，其中，所述方法从单晶的半导体基片的背侧出发，具有以下步骤：实施各向异性的第一沟道蚀刻工序，以在所述半导体基片中生成空洞，以及实施各向异性的气相蚀刻步骤，以在所述半导体基片中产生近似矩形的空腔。
本发明说明一种微机械组件和用于制造这样的组件的方法，其中，从单晶的半导体基片的背侧中的开口出发在基片中产生一个空腔。在此，如此控制为此使用的工序以及所使用的单晶的半导体基片，使得产生在很大程度矩形的空腔。
在此提出，在横向上和/或在垂直方向上以矩形形状实现所述空腔。
在本发明的构型中，在半导体基片的前侧上施加半导体元件。为了连接空腔和传感元件，即为了实现通向传感元件的介质进口，从空腔出发在半导体基片的前侧中设有一个开口。
在本发明的一个扩展方案中，作为传感元件设有麦克风，其中，作为压力均衡需要空腔与膜片和反电极之间的区域之间的介质交换。在此可以优选地设置，直接在半导体基片的前侧中构造反电极并且在半导体基片上施加作为附加组件的膜片。
优选地，在使用单晶的半导体基片时壁定向在相应的晶体方向上。这样例如在（100）晶体中考虑壁在﹤110﹥方向上的构型，而壁之间的过渡在﹤100﹥上延伸。所述过渡通过降低的蚀刻速度在所述晶体方向上或多或少地倒圆。
通过膜片或反电极下方的矩形空腔的根据本发明的构型，可以在半导体基片中实现比椭圆形构型更大的容积。这实现了更大的介质容纳。此外，由此可以实现传感元件的灵敏度的提高。因此，可以制造更薄和更小的半导体元件，尤其是麦克风。
其他优点由以下对实施例的说明和其它说明内容中得出。
附图说明
图1a至1c示出由现有技术公开的空腔构型，
图2a至2d示出矩形空腔的制造，
图3示出根据本发明的空腔的横截面，
图4通过部分集成到半导体基片中的麦克风的形式示出一个特殊的实施例。
具体实施方式
在用于制造根据本发明的组件的方法中，首先将半导体元件220施加到单晶的半导体基片200上。在此既可以是通常的微机械的薄膜传感器但也可以是微机械地制造的麦克风。在此，膜片或者反元件或者反电极230可以直接施加到基片上。替代地，传感元件220也可以如此施加到基片200的前侧310上，使得在膜片或反元件与基片之间具有或多或少较大的间距，以便避免在制造时的直接接触和损害。
随后，根据通常的微机械的沟槽蚀刻工序将掩膜240施加到基片200的背侧上，所述掩膜定义以后的空洞210。在随后的沟道蚀刻工序中，如在图2中所示，各向异性地在基片200中开设几乎垂直的凹槽，其形成空洞210。在此，在空洞的侧壁上构造钝化部250。为了实现特别高的背侧容积，应当一直实施沟槽蚀刻工序直到几乎基片200的厚度的一半。
可选地，在根据图2b的另一蚀刻步骤中，由空洞210出发各向同性的蚀刻步骤例如借助于SF6蚀刻在基片的深度上开设环260。所述可选的步骤缩短了制造时间，因为与随后的蚀刻步骤相比SF6蚀刻的蚀刻速度更高。
与现有技术相比的本质变化在于，使用考虑基片的晶体取向的蚀刻步骤。在此，借助ClF3、XeF2或者另一各向异性的蚀刻气体的蚀刻已经证实是有利的。在所述蚀刻过程中，不同晶体方向上的蚀刻前端是不同的，从而得出基片200中的近似矩形的空腔270，如图2c所示。空腔270的大小，即基片200中空腔的横向延展通过蚀刻时间确定。这样可以产生比传感元件220或者膜片或者反电极230在横向上更宽的空腔，其在所有侧面上具有相同的深度。
在最后的蚀刻步骤中，借助于（各向异性的）沟道蚀刻工序通过在第一沟道蚀刻工序中产生的开口215开设至传感元件220或者至膜片或反电极230的空腔270。在此，如开始部分所述，必须使所产生的开口280的大小与传感元件220或者膜片或反电极230相协调。
如果需要，可以在分离组件之前在另一步骤中去除蚀刻掩膜240以及钝化层250。
在根据图2d的组件的横截面中，根据单晶半导体基片中的晶体取向说明蚀刻前端的不同扩展。这样例如在（100）硅基片中﹤100﹥方向340上的蚀刻率小于﹤110﹥方向350方向上的蚀刻率，因此空腔270的壁几乎矩形地或者正方向地取向。如根据图3同样可以看到的那样，各向异性的蚀刻过程也作用于掩膜开口250，只要在那里同样存在矩形的或者正方形的蚀刻前端330。
根据另一实施例，取代单个开口280也可以产生多个较小的开口400作为通向传感元件420的通孔，如在图4中所示。在此也可以设置：反电极410直接开设在基片200的前侧中。在此，同样可以进行所述区域的掺杂。所述实施例的优点在于，整个MEMS麦克风不必施加在基片200上，而是仅仅设有膜片430的传感元件420施加在基片200上。
此外可以考虑，传感元件全部集成到基片中。

Claims (12)

1.微机械组件，具有单晶的半导体基片（200）和所述半导体基片中的空腔（270），其中，
在所述半导体基片的背侧（300）中设有通向所述空腔的开口（215），
所述空腔在横向上具有超过所述开口的延展的深度，
所述微机械组件具有微机械的传感元件（220，420），其具有膜片结构（230，430），
所述膜片结构通过所述半导体基片的前侧（310）上的至少一个开口（280）与所述空腔接触，
其特征在于，
所述传感元件具有麦克风结构，该麦克风结构由膜片和设有至少一个开口（400）的反电极（410）组成，所述空腔在横向上具有近似矩形的形状并且所述空腔的横向延展大于所述膜片和/或所述反电极的横向延展。
2.根据权利要求1所述的微机械组件，其特征在于，所述空腔在横向上和/或在垂直方向上具有近似矩形的形状。
3.根据权利要求1所述的微机械组件，其特征在于，所述膜片和/或所述反电极至少部分集成到所述半导体基片的前侧中。
4.根据权利要求1所述的微机械组件，其特征在于，所述麦克风结构的反电极已经由所述半导体基片构造出。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机械组件，其特征在于，所述空腔的壁定向在所述单晶的半导体基片的晶体方向上。
6.用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的微机械组件的方法，其中，所述方法从单晶的半导体基片（200）的背侧（300）出发，具有以下步骤：
实施各向异性的第一沟道蚀刻工序，以在所述半导体基片中生成空洞（210），以及
实施各向异性的气相蚀刻步骤，以在所述半导体基片中产生近似矩形的空腔（270）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在产生所述空洞之后实施各向同性的蚀刻步骤，该蚀刻步骤在所述半导体基片中产生所述空洞的侧向凹陷。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在产生所述空腔之后实施各向异性的第二沟道蚀刻工序，由此在所述半导体基片的前侧（310）上产生至少一个开口（280，400）。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二沟道蚀刻工序以两个步骤进行，其中，第一步骤在所述半导体基片的前侧中产生麦克风结构的反电极（410），第二步骤在所述反电极中产生作为通孔的开口（400）。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，通过所述第一沟道蚀刻工序产生具有近似一半半导体基片厚度的空洞。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述各向异性的气相蚀刻步骤的实施借助于ClF3或XeF2实现。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个开口能实现所述空腔和施加在所述半导体基片的前侧上的传感元件（220，420）之间的介质交换。
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