CN104843630B - 传感器以及用于制造传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种传感器，其具有衬底、微机电结构和脱耦合结构，其中所述脱耦合结构固定在所述衬底上，其中所述微机电结构固定在所述脱耦合结构上，其中所述微机电结构和所述脱耦合结构能够相对于所述衬底移动，其中所述脱耦合结构设置在所述微机电结构和所述衬底之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及用于制造传感器的方法。
背景技术
这种传感器是普遍已知的。例如已知具有衬底和相对于衬底能够移动的探测元件的加速度传感器和转速传感器。在已知的传感器中，探测元件相对强烈地受衬底的机械应力影响。在此，仅仅能够在相对较高的开销下实现探测元件与机械应力的脱耦合。
发明内容
按照本发明，提出了一种传感器，其具有衬底、微机电结构和脱耦合结构，其中，所述脱耦合结构固定在所述衬底上，其中，所述微机电结构固定在所述脱耦合结构上，其中，所述微机电结构和所述脱耦合结构能够相对于所述衬底移动，其中，所述脱耦合结构设置在所述微机电结构和所述衬底之间。
按照本发明，还提出了一种用于制造上述技术方案中所述的传感器的方法，其中，在第一制造步骤中，在衬底的一侧上产生延伸到所述衬底中的通道结构，其中，在第四制造步骤中，在所述衬底的所述侧上设置脱耦合层，其中，脱耦合结构由所述脱耦合层构成，其中，在第七制造步骤中，在所述脱耦合层上施加功能层，其中，由所述功能层构成固定在所述脱耦合结构上的微机电结构。
本发明的任务是，提出一种传感器和一种用于制造传感器的方法，其中与现有技术相比实现探测元件与机械应力的改善的脱耦合并且此外简化传感器的制造。
与现有技术相比，上述技术方案中根据本发明的传感器和根据本发明的用于制造传感器的方法具有以下优点：微机电结构(MEMS结构)(沿着与衬底的主延伸面垂直的并且朝衬底方向定位的投影方向)设置在脱耦合结构——尤其应力脱耦合板下方或者与所述脱耦合结构重叠并且尤其不(直接)设置在衬底上。例如这意味着，MEMS结构主要(或甚至仅仅)间接通过脱耦合结构设置在衬底上或者固定在衬底上。
由于根据本发明的传感器的结构的相对较高的相似性，能够以有利的方式实现使用(转速传感器和/或加速度传感器)的已知的MEMS布置，使得尽管相对于机械应力的改善的脱耦合仍简化传感器的制造。
在本发明的范畴内，概念“机械应力”包括所有类型的机械应力，即具有或没有外部影响地在传感器中起作用的机械应力。这例如可以是热感应的机械应力或由外部的力影响引起的机械应力。特别地，脱耦合结构如此设置，使得微机电结构与衬底的机械应力如此脱耦合，使得衬底的机械应力不影响或仅仅以可忽略的方式影响传感器信号。特别地，所述脱耦合在此也称作应力脱耦合。特别地，在根据本发明的传感器中，脱耦合结构设置用于微机电结构与衬底的机械应力和/或振荡的脱耦合。
根据本发明的方法能够在没有布局限制的情况下以有利的方式实现传感器的制造——即可以不改变地采用用于制造已知的MEMS结构的制造步骤。
传感器尤其是转速传感器和/或加速度传感器。
参考附图由说明书可得到本发明的有利构型和扩展方案。
根据一种优选的扩展方案，
-仅仅脱耦合结构弹簧弹性地连接在衬底上，其中脱耦合结构尤其通过弹簧结构连接在衬底上，或者
-微机电结构和脱耦合结构分别弹簧弹性地连接在衬底上。
由此，能够有利地实现微机电结构与机械应力的脱耦合，其中然而传感器通过特别简单的方式制造。
根据另一种优选扩展方案，微机电结构通过介质绝缘层与脱耦合结构连接。
由此能够有利地实现，通过导电连接接通微机电结构并且脱耦合结构例如用于微机电结构的偏移的容性探测。
根据另一有利扩展方案，微机电结构通过另一弹簧结构固定在衬底上，其中所述另一弹簧结构尤其如此配置，使得微机电结构可通过所述另一弹簧结构导电接通。
由此能够有利的实现，所述另一弹簧结构用于微机电结构的电接通。所述另一弹簧结构尤其具有比将脱耦合结构固定在衬底上的弹簧结构更小的弹簧刚性。例如，主要通过弹簧结构(并且不通过或仅仅可忽略地通过所述另一弹簧结构)实现应力脱耦合。
根据另一优选扩展方案，衬底在朝向脱耦合结构的一侧上具有通道结构，其中通道结构尤其主要沿着衬底的主延伸面在衬底和脱耦合结构之间的区域中延伸。
由此能够有利地实现，在暴露微机电结构时以特别高效的方式实现脱耦合结构的掏蚀。特别地，通道结构是能够在没有脱耦合结构的穿孔的情况下实现脱耦合结构的暴露的蚀刻加速结构。
根据另一优选扩展方案，弹簧结构如此配置，使得脱耦合结构相对于衬底的机械应力和/或相对于从外部施加到衬底上的振荡脱耦合，其中脱耦合结构尤其具有比弹簧结构更高的机械刚性。
由此能够有利地实现，提供相对简单地制造的传感器，然而在所述传感器中实现与衬底的机械应力和/或振荡的脱耦合。
根据另一优选扩展方案，弹簧结构配置用于借助挤压薄膜阻尼来阻尼衬底的振荡。
由此能够有利地实现以特别高效的方式通过挤压薄膜阻尼来实施脱耦合。
依照根据本发明的方法的一种优选扩展方案，
-脱耦合层是施加在衬底的所述侧上的硅层，或者
-脱耦合层是借助键合方法与衬底连接的另一衬底。
由此能够有利地实现，通过施加硅层来制造传感器或替代地借助晶片键合方法制造传感器，其中第一晶片的衬底与第二晶片的脱耦合层(另一衬底)借助晶片键合方法连接。
依照根据本发明的方法的另一优选扩展方案，在第七制造步骤中，使脱耦合结构和微机电结构暴露，使得微机电结构和脱耦合结构能够相对于衬底移动。
由此能够有利地实现，通过特别简单且高效的方式完成传感器。
依照根据本发明的方法的另一优选扩展方案，在第二制造步骤中，在衬底的所述侧上和/或在脱耦合层上施加介质层，其中尤其在第三制造步骤中，产生用于接触区域的穿透介质层延伸的凹槽，所述接触区域用于衬底的导电接通。
依照根据本发明的方法的另一优选扩展方案，在第五制造步骤中，在脱耦合层上施加另一介质层，其中尤其在第七制造步骤中，产生用于另一接触区域的穿透另一介质层延伸的另一凹槽，所述另一接触区域用于脱耦合结构的导电接通。
根据本发明，制造步骤的编号涉及逻辑顺序。但根据本发明，制造步骤的编号也可以相应于制造步骤的时间顺序。
在附图中示出并且在随后的描述中进一步阐述本发明的实施例。
附图说明
附图示出：
图1至23：根据本发明的不同实施方式的传感器。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的部件始终设有相同的参考标记并且因此通常也分别仅仅描述或者阐述一次。
在图1中以剖视图示出了根据本发明的一种实施方式的传感器1、尤其加速度传感器和/或转速传感器，其中在此主要描述传感器1的基础结构。在此，所述基础结构包括能够相对于传感器1的衬底15移动的微机电元件(MEMS元件)1’和固定结构9，所述MEMS元件1’弹簧弹性地耦合到所述固定结构上。能够移动的元件1’的偏移或者偏移移动可根据电容变化通过传感器1探测。
借助蚀刻方法由(相对较厚的)外延(在传感器1的衬底15上)沉积的多晶硅层2(外延多晶硅层)产生能够移动的MEMS元件1’。多晶硅层2尤其在能够移动的MEMS元件1’的区域中具有多个沟槽3，所述多个沟槽具有相对较大的纵横比大的纵横比意味着，沟槽3的横向延伸(平行于衬底15的主延伸面100)小于所述沟槽沿着法线方向103的延伸(垂直于衬底15的主延伸方向100)。在制造方法中，使MEMS元件1’暴露，其方式是在MEMS元件1’的区域中去除(厚的)多晶硅层2下方的牺牲层、尤其氧化层(在图1中通过参考标记4说明)。特别地，能够移动的MEMS元件1’附加地具有穿孔结构，所述穿孔结构如此配置，使得在牺牲层蚀刻方法中掏蚀并且因此暴露MEMS元件1’。
在此，能够移动的MEMS元件1’弹簧弹性地通过弹簧元件5固定在固定结构9上，其中在此弹簧元件5具有多个窄的并且长的弹簧部分元件。通过这种方式产生能够相对于固定结构9移动的、弹性悬挂的(即弹簧弹性地与固定结构9耦合)能够移动的结构1’。
在此特别地，在多晶硅层2下方设置有(比所述多晶硅更薄的)另一多晶硅层6。在此，所述另一多晶硅层6例如具有用于固定结构9的悬挂区域7和/或能够移动的MEMS结构1’下方的电极结构8和/或印制导线结构。
在此，基础结构的固定结构9可通过多晶硅层2和位于所述多晶硅层2下方的另一多晶硅层6之间的接触区域10导电接通(见参考标记12)。在此，所述另一多晶硅层6与位于其下方的氧化层11(尤其电绝缘层的)连接。在此，尤其(相对于与衬底15的主延伸面100平行的延伸)如此宽地设置所述多晶硅层6，使得在牺牲层蚀刻方法中不完全去除位于其下方的氧化层11。
在图1中，基础结构固定在衬底15上(例如，图1中的固定结构9表示为传感器的与衬底固定连接的大陆结构的一部分)。根据本发明，传感器1优选具有根据在图2中示出的实施方式的布置中的基础结构。
在图2中以剖视图示出了根据本发明的一种实施方式的传感器1。在此示出的实施方式尤其包括根据图1的基础结构，其中传感器1在此附加地具有脱耦合结构14。这意味着，传感器1包括衬底15、微机电结构13(其尤其基本相应于固定结构9和MEMS元件1’)和脱耦合结构14，其中所述脱耦合结构14在此固定在衬底15上。在此，微机电结构13固定在脱耦合结构14上，其中微机电结构13和脱耦合结构14能够相对于衬底15移动。在此，脱耦合结构14(尤其沿着与法线方向103平行的投影方向)设置在传感器1的微机电结构13和衬底15之间。
根据随后的附图示例性地描述根据本发明的用于制造传感器的方法。所述制造方法尤其涉及具有盖晶片的应力脱耦合的MEMS结构13的制造。
在第一制造步骤中，在衬底15(所述衬底优选由单晶硅组成)的一侧上通过漆掩膜(Lackmaske)产生(即在衬底中“开槽”)通道结构19(即窄沟槽，其在随后的制造步骤中尤其在暴露时充当蚀刻通道)。所述通道结构尤其在设置有脱耦合结构14(应力脱耦合板)并且尤其设置有垂直的蚀刻入口的区域中设置在衬底15的所述侧上。通道结构19的沟槽优选具有大的纵横比(即平行于衬底15的主延伸面100的宽度与平行于法线方向103的高度的比例大于2)。
在图3中示出了通道结构19，其中在此所述沟槽分别具有衬底15的表面的区域中的相对较窄的(尤其管状的)进入区域和通过所述进入区域连接的内部区域。通道结构19的沟槽的内部区域尤其具有比进入区域更大的宽度(平行于衬底的主延伸面100)(沟槽优选基本是高脚杯形的)。通过有利的方式，借周期性的开槽工艺简单且高效地制造通道结构19的沟槽，所述开槽工艺以相对较长时间持续的各向同性的蚀刻步骤结束。沟槽优选具有小于30pm、特别优选小于20pm、完全特别优选小于10pm的开口宽度(即进入区域的宽度)。
在第二制造步骤中，(尤其借助热氧化或氧化物沉积——例如原硅酸四乙酯(TEOS)或化学气相沉积(CVD)、尤其硅烷化学气相沉积(Silan-CVD-Abscheidung))如此封闭通道结构19的沟槽，使得在氧化层下方在沟槽的大部分中包含空腔。
在图4中示出了具有封闭通道结构19的介质层22的通道结构19。在第三制造步骤中，产生(蚀刻)穿透介质层22延伸的用于接触区域的凹槽22’，所述接触区域用于衬底15的导电接通。
在图5中示出了根据本发明的方法的替代的第二和第三制造步骤。优选地，在脱耦合结构14(应力脱耦合板)中产生用于减小最大掏蚀距离的穿孔和/或产生具有相对较大的直径的通道结构19(蚀刻通道)的沟槽。在替代的第二制造步骤中，介质层22(氧化层)的第一部分层沉积在衬底15上。随后，在介质层22的第一部分层中(图5，左侧)蚀刻出蚀刻入口22”。随后借助(各向同性的)硅蚀刻步骤(例如借助SF6等离子体)在衬底15中蚀刻出蚀刻通道19’。在此，显著地掏蚀第一部分层(图5，中间)。在替代的第三制造步骤中，沉积介质层22的另一部分层，使得第一部分层中的蚀刻入口22”封闭。因此，具有相对较大的直径的蚀刻通道19’设置在衬底15中(图5，右侧)。
在图6中示出了第四制造步骤。在第四制造步骤中，沉积(相对较厚的)脱耦合层23(多晶硅层)。在开槽工艺中优选如此开槽所述脱耦合层23，使得产生具有大的纵横比(宽度与高度的比例大于5)的用于弹簧结构16的弹簧结构沟槽31。
在图7中示出了根据本发明的一种实施方式的传感器1的脱耦合结构14(应力脱耦合板)。弹簧结构16优选具有完全穿透脱耦合层23延伸的蚀刻入口(弹簧结构沟槽31)。为了能够使应力脱耦合板下方的大的区域暴露，如此设置通道结构19(即尤其通道结构19的沟槽的进入区域29，见图18)，使得弹簧结构沟槽31至少部分设置在通道结构19的沟槽上方。弹簧结构16优选包括多次折叠的布置。由此，在弹簧结构的各个弹簧臂之间实现相对较小的间距。因此，由于弹簧臂之间相对较小的间距，以特别有利的方式实现系统的高效阻尼(挤压薄膜阻尼)。
在图8中示出了第五和第六制造步骤。在第五制造步骤中，(通过热氧化或优选通过氧化物沉积——例如借助TEOS或硅烷化学气相沉积)由另一介质层24封闭弹簧结构沟槽31(所述弹簧结构沟槽分配给应力脱耦合板14)，其中尤其在弹簧结构沟槽31的部分区域中包含空腔，所述空腔长形的垂直延伸。在第六制造步骤中，在另一介质层24中产生另一接触区域24’，所述另一接触区域用于应力脱耦合板14的导电接通。
通过第一至第六制造步骤，制造在图8中示出的下部结构。为了完成传感器1，在所述下部结构上设置例如基础结构。
优选地，第三和第六制造步骤是可选择的。
图9示出根据本发明的传感器1的下部结构的一种实施方式，其中在此埋设的印制导线结构18(多晶硅印制导线)设置在另一介质层24上。印制导线结构18优选包括另一弹簧结构21，所述另一弹簧结构如此配置，使得电传感器信号通过(相对于弹簧结构16非常软的)另一弹簧结构21(“埋设的”多晶硅印制导线18)从MEMS元件1’引导至芯片边缘(见图18中的参考标记26)。在设有应力脱耦合板14和MEMS结构13’之间的机械连接的区域中，印制导线结构18优选如此(平行于衬底15的主延伸面100)横向延伸，使得所掏蚀的氧化区域不设置在固定结构9下方。此外，印制导线结构18尤其具有比脱耦合层的层厚度更薄(即至少薄因数2.5)的层厚度。在这种布置中，氧化物材料和硅材料之间的不同的固有机械应力和/或不同的膨胀系数引起以有利的方式相对较薄的多晶硅层在其外侧区域中弯曲。由此，能够以有利的方式避免应力脱耦合板14和/或MEM结构13的弯曲。特别优选地，在其上沉积的功能层33(由所述功能层构成MEMS结构13，见图12)附加地具有穿孔结构，所述穿孔结构如此构造在MEMS结构的区域中，使得在功能层33和相对较薄的多晶硅层18之间不残留氧化物。图10还示出另一介质层25，所述另一介质层(沿着与法线方向103平行的投影方向)沉积在印制导线结构18上。在图11中还示出所述介质层25中的其他凹槽25’。图12至13示出第七制造步骤，其中沉积功能层33。在此，尤其还产生接触结构26以及首先暴露MEMS结构13以及随后暴露脱耦合结构14(见图15中的参考标记27、28)。在图16中示出的第八制造步骤中，提供盖晶片的盖结构34，所述盖结构在晶片键合工艺中设置在功能层33上，其中盖晶片结构34的连接位置32尤其与相关的(与功能层33所连接的)连接结构26’连接成晶片连接35。图18示出根据本发明的一种实施方式的完成的传感器1。
在图19至23中示出了根据本发明的一种替代的制造方法。在图19中示出了第一制造步骤，其中提供衬底15，所述衬底优选是第一(硅)晶片的(硅)衬底15。随后尤其在衬底15中蚀刻通道结构19。在第四制造步骤中，通过直接键合方法使脱耦合层23(在此，第二(硅)晶片的另一衬底23)与第一晶片的衬底15连接(键合)。特别地，在键合方法之前在两个衬底15、23之间在衬底15和/或另一衬底23上沉积绝缘层22(氧化层)。图20示出所述键合连接设置在第一晶片的衬底15的通道结构19的所述侧上。在图21中示出第二晶片的另一衬底23磨削到脱耦合结构14(应力脱耦合板)的目标厚度上。图22示出由所述另一衬底23的脱耦合结构14——优选借助开槽工艺以大的纵横比(即宽度与高度的纵横比大于5)产生的弹簧结构16。特别地，随后通过热氧化或优选通过氧化物沉积、例如借助TEOS或硅烷化学气相沉积来封闭应力脱耦合板14的弹簧结构16的沟槽和/或穿孔，其中尤其在部分区域中包含空腔，所述空腔具有长形的、沿着与法线方向103平行的投影方向的延伸。尤其在氧化层中蚀刻用于应力脱耦合板14的导电接通的接触区域。由此，提供用于根据本发明的传感器1的一种替代的下部结构。在图23中示出了完成的具有替代的下部结构的传感器1。
特别地，根据本发明的一种实施方式的传感器1不仅在MEMS结构13的功能层33中具有悬挂弹簧(例如另一弹簧结构21或其他弹簧)而且在脱耦合结构14的脱耦合层23中具有悬挂弹簧(例如弹簧结构16)。由应力脱耦合板14与固定在其上的MEMS结构13组成的单元的重心如此设置，使得在施加水平加速度时所述单元仅仅线性地加速(因此不发生所述单元的倾覆运动)。由此有利地能够实现应力脱耦合盘14也配置用于振荡脱耦合。
Claims (18)
1.一种传感器(1)，其具有衬底(15)、微机电结构(13)和脱耦合结构(14)，其中，所述脱耦合结构(14)固定在所述衬底(15)上，其中，所述微机电结构(13)固定在所述脱耦合结构(14)上，其中，所述微机电结构(13)和所述脱耦合结构(14)能够相对于所述衬底(15)移动，其特征在于，所述脱耦合结构(14)设置在所述微机电结构(13)和所述衬底(15)之间。
2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其特征在于，
仅仅所述脱耦合结构(14)弹簧弹性地连接在所述衬底(15)上，或者
所述微机电结构(13)和所述脱耦合结构(14)分别弹簧弹性地连接在所述衬底(15)上。
3.根据权利要求2所述的传感器(1)，其特征在于，所述脱耦合结构(14)通过弹簧结构(16)连接在所述衬底(15)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述微机电结构(13)通过介质绝缘层(17)与所述脱耦合结构(14)连接。
5.根据权利要求3所述的传感器(1)，其特征在于，所述微机电结构(13)通过另一弹簧结构(21)固定在所述衬底(15)上。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述衬底(15)在朝向所述脱耦合结构(14)的一侧上具有通道结构(19)。
7.根据权利要求3所述的传感器(1)，其特征在于，所述弹簧结构(16)如此配置，使得所述脱耦合结构(14)相对于所述衬底(15)的机械应力和/或相对于从外部施加到所述衬底(15)上的振荡脱耦合。
8.根据权利要求3所述的传感器(1)，其特征在于，所述弹簧结构(16)配置用于借助挤压薄膜阻尼来阻尼所述衬底(15)的振荡。
9.根据权利要求5所述的传感器(1)，其特征在于，所述另一弹簧结构(21)如此配置，使得所述微机电结构(13)通过所述另一弹簧结构(21)能够导电接通。
10.根据权利要求6所述的传感器(1)，其特征在于，所述通道结构(19)主要沿着所述衬底(15)的主延伸面(100)在所述衬底(15)和所述脱耦合结构(14)之间的区域中延伸。
11.根据权利要求7所述的传感器(1)，其特征在于，所述脱耦合结构(14)具有比所述弹簧结构(16)更大的机械刚性。
12.一种用于制造根据以上权利要求中任一项所述的传感器(1)的方法，其特征在于，在第一制造步骤中，在衬底(15)的一侧上产生延伸到所述衬底(15)中的通道结构(19)，其中，在第四制造步骤中，在所述衬底的所述侧上设置脱耦合层(23)，其中，脱耦合结构(14)由所述脱耦合层(23)构成，其中，在第七制造步骤中，在所述脱耦合层(23)上施加功能层(33)，其中，由所述功能层(33)构成固定在所述脱耦合结构(14)上的微机电结构(13)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
所述脱耦合层(23)是施加在所述衬底(15)的所述侧上的硅层，或者，
所述脱耦合层(23)是借助键合方法与所述衬底(15)连接的另一衬底。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述第七制造步骤中，使所述脱耦合结构(14)和所述微机电结构(13)暴露，以便所述微机电结构(13)和所述脱耦合结构(14)能够相对于所述衬底(15)移动。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在第二制造步骤中，在所述衬底(15)的所述侧上和/或在所述脱耦合层(23)上施加介质层(22)。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在第五制造步骤中，在所述脱耦合层(23)上施加另一介质层(24)。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在第三制造步骤中，产生穿透所述介质层(22)延伸的用于接触区域的凹槽(22’)，所述接触区域用于所述衬底(15)的导电接通。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在第六制造步骤中，产生穿透所述另一介质层(24)延伸的用于另一接触区域的另一凹槽(24’)，所述另一接触区域用于所述脱耦合结构(14)的导电接通。
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