CN104627946A - 用于微机械构件的电极装置 - Google Patents

Abstract

一种用于微机械构件(100)的电极装置，其具有：具有构造在其中的电极(11，11′，12)的至少一个第一功能层(10EP)；至少一个第二功能层(20VP)；和至少一个第三功能层(30FP)，其中，所述第三功能层(30)能够作为电印制导线使用，其特征在于，所述第三功能层(30)至少逐区段地完全免于氧化物材料(40)。

Description

用于微机械构件的电极装置

技术领域

本发明涉及一种用于微机械构件的电极装置。此外，本发明涉及一种用于制造用于微机械构件的电极装置的方法。

背景技术

在汽车领域和用于不同应用的消费者领域中已知用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器。其中，这样的传感器包括表面微机械层，所述表面微机械层的厚度典型地在大约10μm和大约30μm之间。布置在其下方的薄的印制导线层面用于可运动的结构的灵活的布线和接通，所述印制导线层面的厚度通常在大约200nm和大约1000nm之间。

这两个功能层通过氧化物材料相互分开，其中，由于氧化物材料的敞开而出现接触孔，所述接触孔确保所述功能层之一到另一功能层上的机械连接和电连接。

DE 10 2012 200 740 A1公开了一种微机械构件和一种用于制造微机械构件的方法。公开了保护以防在另一功能层的封闭的层下方掏蚀一个功能层的狭窄的印制导线。

DE 10 2009 045 391 A1公开了一种微机械结构和一种用于制造微机械结构的方法。示出微机械功能层，以实现电极载体，在所述电极载体上布置有另外的功能层的各个固定的电极，其中，所述电极载体部分地在该另外的功能层的另外的电极梳下方延伸并且桥接所述电极梳。以此方式应实现封装应力和引起的衬底变形的良好的脱耦。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于微机械构件的改进的电极装置。

根据第一方面，该任务借助于用于微机械构件的电极装置来解决，所述电极装置具有：

具有构造在其中的电极的至少一个第一功能层；

至少一个第二功能层；和

至少一个第三功能层，其中，第三功能层能够作为电印制导线使用，其特征在于，所述第三功能层至少逐区段地完全免于氧化物材料。

根据本发明，提供附加的、以第三功能层形式的布线层面。基于第三功能层相对牢固或者厚地构造的事实，能够使所述第三功能层有利地至少逐区段地完全免于氧化物材料。以此方式可能的是，使构造为印制导线层面的第三功能层的寄生电容最小。此外，由于第三功能层的印制导线层面较厚的构造和与之相关的高的机械稳定性，产生电极装置的全部布线在面积上紧凑的构造，因为印制导线能够相对狭窄地实施。

根据另一方面，该任务借助于用于制造用于微机械构件的电极装置的方法来解决，所述方法具有以下步骤：

提供第一功能层；

在第一功能层之内构造电极；

提供第二功能层；以及

提供第三功能层，其中，这样构造第三功能层的厚度，使得第三功能层能够作为电印制导线使用；以及

使第三功能层至少部分地完全免于氧化物材料。

根据本发明的电极装置和根据本发明的方法的优选的实施方式是从属权利要求的主题。

按照根据本发明的电极装置的一个优选的实施方式设置，第三功能层的厚度比第二功能层的厚度大至少大约四倍。由于第三功能层的所述特别的构型，第三功能层作为电印制导线足够能支撑，可完全地掏蚀并且具有有利的机械特性。

按照根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式设置，第三功能层基本上布置在第一和第二功能层之间。由此支持用于微机械构件的印制导线结构的高的设计自由度或者设计灵活性。

按照根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式设置，第二功能层的至少一个印制导线和第三功能层的至少一个印制导线交叉地布置，其中，所述交叉布置在第一功能层之下。由此能够有利地实现第二功能层与第三功能层的交叉，所述交叉布置在第一功能层的可运动的结构之下并且以此方式能够实现构件的紧凑的结构型式。

根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式设置，第三功能层的宽度至少逐区段不同地构造。以此方式能够有利地确定，在蚀刻工艺过程中氧化物材料是否应保留。此外，由此能够彼此错开地布置第三功能层的结构，由此结果是能节省布线面积。这例如对于在电极上引导多个不同的电势的转速传感器而言是有利的，因为由此能以灵活的方式解决布线问题。结果，这意味着更多的布线选择，并且由此意味着在设计自由度上受益。此外，由于第三功能层的印制导线层面的小的面积而产生有利地小的不期望的寄生电容。以此方式，借助于微机械构件产生的信号的信号品质能够有利地高。

根据本发明的电极装置的一个有利的扩展方案设置，布置在功能层之间的氧化物材料能够借助于蚀刻工艺结构化。为此目的尤其能够使用气相蚀刻，所述气相蚀刻对所有氧化物层同样地产生影响。

按照根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式设置，第三功能层具有用于蚀刻介质的入口的孔。以此方式有利地支持，能够完全地并且在短时间内清除所有布置在功能层之间或者说之下的氧化物材料。

根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式的特征在于，氧化物材料仅仅在以下位置上结构化：在所述位置上构造有到功能层之一的导电接触。以此方式提供在功能层之间的有利类型的接触可能性。

根据本发明的电极装置的另一优选的实施方式设置，第二功能层和第三功能层能够相互机械连接和/或电连接。以此方式支持在微机械构件之内的功能层的各种各样的应用。

附图说明

以下借助另外的特征和优点根据多个附图详细地描述本发明。在此，所有描述的或者示出的特征单独地或者以任意的组合构成本发明的主题，而与它们在权利要求或其引用关系中的概括无关，以及与它们在描述或者在附图中的措辞或者表述无关。相同的或者功能相同的元件具有相同的参考标记。

在附图中示出：

图1示出惯性传感器的传统的电极装置的俯视图；

图2以不同的细化程度示出图1的传统的电极装置的俯视图；

图3示出图2的截面A-B的平面图；

图4示出图2的截面C-D的平面图；

图5示出根据本发明的电极装置的实施方式的俯视图；

图6以不同的细化程度示出图5的电极装置的俯视图；

图7以不同的细化程度示出图5的电极装置的俯视图；

图8示出图7的截面A-B的平面图；

图9示出图7的截面A′-B′的平面图；

图10示出图7的截面C-D的平面图；

图11示出根据本发明的方法的实施方式的原理流程图。

具体实施方式

图1以俯视图示出横向的微机械加速度传感器100的原理图，所述加速度传感器能够测量平行于衬底层面的物理上的加速度。布置为框架结构13的、具有可运动的电极12的振动质量(Seismische Masse)在加速时偏转，其中，通过可运动的电极12与第一固定的电极11和第二固定的电极11′的间隙的变化来测量几何上的偏转。所述固定的电极11、11′通过接触孔连接到第二微机械功能层20上。

通过移除在第一功能层10和第二功能层20之间的消耗氧化物或者氧化物材料40(在图1中未示出)来释放第一微机械功能层10的MEMS结构。在此，通常以气态的HF蚀刻氧化物材料40。该工艺是时间控制的，这意味着，它持续得越长时间，功能层10、20的硅结构的掏蚀越延伸得远，所述功能层自身不被HF侵蚀。除了期望地移除在可运动的结构下的氧化物材料40之外，以此方式，也在以下位置上、尤其在第二功能层20的边缘处进行氧化物材料40的不期望的蚀刻：在所述位置上Si结构应与衬底1固定地保持连接。

图2以不同的细化程度示出图1的加速度传感器100的电极装置的相同的俯视图。现在起，在该图中，也可以看出在所述气相蚀刻之后在第二功能层20下方残留的氧化物材料40，以及在第一功能层10的可运动的结构的机械悬挂装置下方的、在第一功能层10和第三功能层30之间的氧化物材料40。

因此，常规布置的缺点是用于作为印制导线起作用的第二功能层20的高的空间需求。为了可靠地避免其完全的掏蚀，第二功能层20典型地必须至少大约30μm至大约40μm宽地实施。完全地被掏蚀的印制导线在某些情况下已经能够在小的长度之上明显地隆起，并且倾斜至弯曲(英语buckling)，此外，如果运动的物理质量在撞击(Auftreffen)时以高的机械载荷施加到所述印制导线上，则所述印制导线是非常易碎的。

由于其大的宽度，第二功能层20的印制导线具有到衬底1的高的寄生电容，所述寄生电容可能强烈地负面地影响微机械传感器的信号噪声比、线性度、瞬态振荡时间或电流消耗。所描述的常规的技术的另一缺点是用于印制导线的电桥或者电交叉的高的空间需求。即，因为常规地仅仅两个以第一功能层10和第二功能层20形式的导电层可供使用，所以桥总是必须在第一功能层10中实施并且相应地必须横向和因此空间密集地布置在可运动的结构旁。

图1和2在上方的区域中示出第一功能层10的相应的桥，其与第二功能层20的位于其下方的印制导线相交叉。

为了更好地理解传统的技术，图3和4示出图2的沿着截线A-B(图3)或者C-D(图4)的平面图或者横截面。

在图3中可以看出布置在衬底1上的常规结构，其具有氧化物材料40、第二功能层20和可在第一功能层10中微机械运动的结构。接触孔14设置用于第一功能层10的电极11在第二功能层20上的悬挂。可看出，作为印制导线起作用的第二功能层20在边缘区域中部分地强烈地被掏蚀，这导致印制导线部分地浮装或者悬垂在其边缘上。不利地，这可能意味着印制导线的机械不稳定性。

在图4中可看出，在构造为弹簧区域、框架区域或者电极区域的第一功能层10的右边的区域下方，对第二功能层20的印制导线基本上完全填以氧化物材料40。这不利地导致高的寄生电容值，并且对于信号品质而言可能引起以上所述不利的影响。

虽然在现有技术中已知，为了减小寄生影响，来自芯片外围设备的印制导线部分地构造在第一功能层10中而不是构造在第二功能层20中。虽然这导致降低的寄生影响，但这不利地意味着提高的面积需求，因为那样不仅仅桥而且馈电印制导线必须位于第一功能层10的可运动的结构旁。

此外，这种方法不适合用于例如在图1和图2中所示那样的位于传感器的封闭的框架质量之内的各个固定的电极的接通。为此，总是需要在第一功能层10的层面的下方或者必要时上方的附加的布线层面。那么，相应地，在现有技术中，在可运动的传感器芯的区域中也使用第二功能层20的附加的布线层面。

现在起根据本发明设置，借助于第三微机械功能层30提供寄生电容的减小以及提供用于上方平面微机械构件的布线的紧凑的布置或者构造。在此，微机械构件可以构造为微机械传感器，例如构造为以转速传感器或加速度传感器形式的惯性传感器。

图5示出根据本发明的电极装置的实施方式的原理俯视图。第一功能层10中的可运动的传感器结构连同悬挂装置和固定的电极与在图1和2中所示出的布置等同。区别在于电布线的方案。

根据本发明，提供另外的功能层30(在图5中粗略地可看出)，所述另外的功能层比第二功能层20更牢固或者更厚地构造。借助于第三功能层30尤其提供布线功能，其中，优选通过两个功能层20、30实现全部布线。所有功能层10、20、30优选由多晶体硅形成，其中，使用不同的沉积方法来构造功能层10、20、30的不同的厚度。

可以看出在第二功能层20和第三功能层30之间的接触孔21以及在第一功能层10和第三功能层30之间的接触孔31。这里，也在右侧从下方通过第二功能层20的轨道(Bahn)进行用于电极11、11′的印制导线的馈电，但是可看出所述轨道在这种情况下比在图1和2中所示出的布置的那些轨道明显更狭窄地构造。通过以下方式实现较小的宽度：在气相蚀刻的情况下通过第三功能层30的位于其上的层面在很大程度上屏蔽所述轨道抗掏蚀。蚀刻孔32优选构造为第三功能层30中的狭窄的缝隙，以便实现第三功能层30的印制导线的有针对性的掏蚀。

由于第三功能层30的与第二功能层20相比显著提高的层厚度，该层厚度例如比第二功能层20大约更加厚四倍地构造，所以第三功能层30的印制导线也能在显著更大的线段上完全地掏蚀。结果这意味着，第三功能层30的印制导线基本上能够不隆起，并且因此机械稳定地构造。因此，第三功能层的印制导线也能够比第二功能层20的传统的印制导线显著更狭窄地示出，并且基于以下事实而比第二功能层20的传统的印制导线具有显著更小的寄生电容：在下方至少逐区段地不布置氧化物材料40。因此，尽管宽度较小，全部布线的电阻没有显著上升，因为基于第三功能层30的印制导线的较大的厚度，横截面面积和因此电阻能够基本上保持在不变的水平上。

在图5的上方区域中，进行第二功能层的印制导线20到第三功能层30的层面上的接通，在该区域中也实现第二功能层20的印制导线与第三功能层30的印制导线的交叉。因此，与图1和2的布置的传统的桥结构相反地，已经能够有利地使用该区域再次用于第一功能层10的有用结构。

由此，第一功能层10的弯曲弹簧15部分地位于由第二功能层20和第三功能层30组成的桥上方。传感器芯区域中的固定电极在图5的布置中由第三功能层30的印制导线支撑。由于所述原因，所述固定电极能够显著更加狭窄地、例如大约5μm至大约20μm地构造。此外，出于减小寄生电容的目的，可以通过第三功能层30中的狭窄的蚀刻孔或者附加缝隙32有针对性地掏蚀所述固定电极。

然而，完全地被掏蚀的印制导线区域不可能变得任意大，而是基本上取决于第三功能层30的厚度和第一功能层10的固定在其上的结构的质量。在第三功能层30的相对小的在大约2μm的范围中的层厚度的情况下，已经能实现具有100μm和更长的长度的区域的完全的掏蚀。

在印制导线长度较大的情况下，由于稳定性原因应布置由氧化物材料40组成的用于第三功能层30的印制导线的中间支承部(Zwischenstützen)。因此，在图5的布置中，在分别在中间的固定的电极的区域中，增大第三功能层30的印制导线宽度，以便以此方式局部地防止完全的掏蚀，并且确保第三功能层30借助于氧化物材料40到衬底1上的机械连接。借助该可选的局部的连接，能够有利地巨大提高印制导线结构的刚性。显然，在较大的传感器结构的情况下，也能够例如有规律地间隔开地布置多个连接点。反之，在小的传感器结构和/或第三功能层30的厚的构造的情况下，可能完全不需要这样的连接。

由于第三功能层30是逐区段地完全掏蚀，所以能够实现印制导线的小的宽度和因此小的面积，根据电容器公式，这又引起有利地小的寄生电容。以此方式能够有利地显著改善从传感器结构的电极量取的电信号的品质或者信号噪声比例。

因为在图5中的第三功能层30的实际的印制导线由于到第三功能层30的邻近的结构的狭窄的间隙而仅仅能非常粗略地看出，所以图6的俯视图以阴影突出地更明显地示出第三功能层30的两个印制导线，所述两个印制导线支撑第一功能层10的固定电极。

对于图5附加地，图7的根据本发明的电极装置的俯视图示出在第三功能层30的层面之下在第二功能层20的层面之上的氧化物材料40，所述氧化物材料用于构造用于机械固定第三功能层30的印制导线的锚固点。另外，可以看出在传感器芯区域中的第三功能层30的印制导线之间的被完全掏蚀的区域以及在传感器结构的中部中以及在弯曲弹簧15之上和之下的未经掏蚀的区域。

图8至10示出图7的基于工艺模拟的平面图或横截面，并且有利于更好地理解图5至图7的俯视图显示。可以容易地分别看出布置在三个层中的氧化物材料40的蚀刻和在功能层10、20、30的邻近的硅层面之间的接触孔。

图8示出沿着图7的截线A-B的平面图。可以容易地看出中间支承部的区域中的、借助于第三功能层30实现的宽的印制导线段，所述中间支承部仅仅部分地被掏蚀。

图9示出沿着图7的截线A′-B′的横截面。在该区段中，借助于第三功能层30实现的印制导线狭窄地实施并且因此完全地被掏蚀。

图10示出沿着图7的截线C-D的横截面视图。可以看出，在中央的电极结构之下的第三功能层30的印制导线的区域在很大程度上无氧化物材料40，这引起印制导线的小的寄生电容。也可以看出在附图左边区域中所示出的第三功能层30与第二功能层20的电接通以及第三功能层30在第二功能层20之上的隔离的交叉33。由于第二功能层20与第三功能层30的各种各样的接通可能性或者交叉可能性，有利地支持尤其在第一功能层10的可运动的MEMS结构之下印制导线引导的高的设计自由度。

图11示出根据本发明的方法的实施方式的原理流程。

在第一步骤S1中提供第一功能层10。

在第二步骤S2中在第一功能层10之内构造电极。

在第三步骤S3中提供第二功能层20。

在第四步骤S4中提供第三功能层30，其中，这样构造第三功能层30的厚度，使得第三功能层30可以作为电印制导线使用。

最后，在第五步骤S5中使第三功能层30至少部分地完全免于氧化物材料40。

即使为简单起见已经对于加速度传感器100示出根据本发明的电极装置的以上所描述的实施例，但显然能够使用本发明(例如谐振器、转速传感器、压力传感器等等)用于任何借助于可运动的微机械MEMS结构检测测量信号的微机械构件。

总之，借助本发明提出用于微机械构件的电极装置的一种设备和一种方法。根据本发明设置，使用第三功能层用于布线目的，所述第三功能层基于其厚度至少可以逐区段地完全地掏蚀，并且因此可以免于氧化物材料。

以此方式能够稳健地、各种各样地、灵活地和节省空间地实现在构件结构之内的电布线。此外，在第三功能层中所实现的印制导线基于第三功能层的厚度可以狭窄和稳健地构造，由此能够实现完全的掏蚀，这有利地支持了布线的少寄生的构型。结果，由此能实现用于微机械构件的紧凑的、少寄生的电极装置。

有利地，借助于根据本发明的电极装置能够实现高的设计自由度，其中，具有不同的电势的多个印制导线层面能够可变地引导或布置在传感器结构之内。这通过以下方式实现：第二和第三功能层的印制导线在空间上相对于彼此错开地这样布置，由此尽可能好地充分利用传感器结构的空间资源。有利地，在根据本发明的电极装置的修改中也可能的是，在微机械构件之内也多次地在一定程度上堆积地设置所示出的由第一、第二和第三功能层10、20、30组成的层布置(未示出)。

本领域技术人员将能够适当地改动或相互组合所描述的特征，而不偏离本发明的核心。

Claims (12)

1.一种用于微机械构件(100)的电极装置，其具有：

具有构造在其中的电极(11，11′，12)的至少一个第一功能层(10)、

至少一个第二功能层(20)和

至少一个第三功能层(30)，其中，所述第三功能层(30)能够作为电印制导线使用，其特征在于，所述第三功能层(30)至少逐区段地完全免于氧化物材料(40)。

2.根据权利要求1所述的电极装置，其特征在于，所述第三功能层(30)的厚度比所述第二功能层(20)的厚度大至少大约四倍。

3.根据权利要求1或2所述的电极装置，其特征在于，所述第三功能层(30)基本上布置在所述第一功能层和所述第二功能层之间。

4.根据权利要求3所述的电极装置，其特征在于，所述第二功能层(20)的至少一个印制导线和所述第三功能层(30)的至少一个印制导线交叉地布置，其中，所述交叉布置在所述第一功能层(10)之下。

5.根据以上权利要求中任一项所述的电极装置，其特征在于，所述第三功能层(30)的宽度至少逐区段不同地构造。

6.根据以上权利要求中任一项所述的电极装置，其特征在于，布置在所述功能层(10，20，30)之间的氧化物材料(40)能够借助于蚀刻工艺结构化。

7.根据权利要求6所述的电极装置，其特征在于，所述第三功能层(30)具有用于蚀刻介质的入口的孔(32)。

8.根据权利要求6或7所述的电极装置，其特征在于，氧化物材料(40)仅仅在以下位置上结构化：在所述位置上构造有到所述功能层(10，20，30)之一的导电接触。

9.根据以上权利要求中任一项所述的电极装置，其特征在于，所述第二功能层(20)和所述第三功能层(30)能够相互机械连接和/或电连接。

10.一种微机械构件(100)，其具有根据权利要求1至9中任一项所述的电极装置。

11.一种用于制造用于微机械构件(100)的电极装置的方法，其具有以下步骤：

提供第一功能层(10)；

在所述第一功能层(10)之内构造电极；

提供第二功能层(20)；和

提供第三功能层(30)，其中，这样构造所述第三功能层(30)的厚度，使得所述第三功能层(30)能够作为电印制导线使用；以及

使所述第三功能层(30)至少部分地完全免于氧化物材料(40)。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的电极装置在微机械构件(100)中的应用。