CN106458574A - 用于制造微机械结构元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，该方法具有以下步骤：‑在结构元件(100)的MEMS元件(5)中或盖元件(6)中构造进入开口(7)；‑连接MEMS元件(5)与盖元件(6)，其中，在MEMS元件(5)和盖元件(6)之间构造至少一个空腔(8a、8b)；‑以及，借助于激光(9)在一个限定的气氛下封闭通到所述至少一个空腔(8a、8b)中的进入开口(7)。

Description

用于制造微机械结构元件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造微机械结构元件的方法。本发明还涉及一种微机械结构元件。

背景技术

在现有技术中已知用于硅半导体结构元件的掺杂方法，其中，在单晶硅表面上涂覆薄层，该薄层的材料含有掺杂物。此后通过激光脉冲将该表面上的材料熔化至一个浅的深度。在此，熔化深度尤其取决于所使用的激光辐射的波长以及其作用时长。硅在凝固之后的适当的过程控制的情况下再次单晶化并且所设置的掺杂物原子嵌入硅的晶格中。

从DE 195 37 814 A1已知一种用于转速和加速度传感器的制造方法，其中在衬底上制造多个独立的、厚的多晶功能结构。在所述功能结构下面布置掩埋的导体轨和电极。

这样制造的微机械结构通常在另一个工艺过程中用盖晶片封闭。视用途而定，在封闭的容积内封入适当的压力。

在此，在转速传感器中封入一个非常小的压力，典型地约1mbar。背景是，在这种传感器中，可运动的结构的一部分被谐振地驱动，其中，由于压力小时阻尼小，所以应该以相对较小的电压激励振动。

而在加速度传感器中，一般不希望该传感器陷于在施加外部加速度时可能造成的振动中。因此，加速度传感器在较高的内部压力下运行，一般约500mbar。附加地，这种传感器的可运动的结构的表面常常设有有机涂层，所述有机涂层可防止上述结构彼此粘接。

如果要制造非常小且成本有利的转速传感器和加速度传感器的组合，则可在一个半导体结构元件上既设置转速传感器也设置加速度传感器。在此，在一个衬底上同时制造这两种传感器。借助于给每个半导体结构元件设置两个空腔的盖晶片来将传感器封装在衬底平面上。

在转速传感器的空腔以及加速度传感器的空腔中所需的不同压力例如可以通过使用吸气剂实现。在此，在转速传感器的空腔中在局部布置一吸气剂。首先在两个空腔中封入高压力。接着，通过一个温度步骤激活吸气剂，由此该吸气剂将转速传感器上方的空腔容积泵吸到一个小压力。但所述吸气过程不利地需要由稀有气体与非稀有气体组成的混合物并且附加地需要较贵的吸气剂涂层(该吸气剂涂层不仅必须被沉积而且还必须被结构化)，由此是相对费事且昂贵的。

除了在一个结构元件内提供两个压力不同的空腔这个问题之外，通常也困难的是：仅在一个空腔中在不使用吸气剂或其他附加步骤的情况下成本有利地实现低的内部压力。但视设计而定，这对于转速传感器可能是非常重要的。用盖晶片密封MEMS(英语micro-electro-mechanical systems)元件大多在高温下进行，或者用密封玻璃作为连接材料或者用不同的其他键合材料或键合系统、诸如共晶铝锗系统或铜锌铜系统。在此，所述键合方法优选在真空下进行。但如果该MEMS元件在高温下(约400℃或更高)被密封，则这可能导致：在所述高温下从键合系统或从传感器晶片或盖晶片蒸发出的气体在MEMS元件中引起剩余压力，该剩余压力与键合方法期间键合腔中的非常低的压力无关。

借助于键合方法密封MEMS元件时的另一个问题是：可防止MEMS结构彼此粘接的上述有机层在键合方法中的高温下退化和不再有效。此外，退化的有机层蒸发到所述空腔中并且在此会在MEMS元件封闭之后以不希望的方式提高内部压力。

已知的是用于在空腔中构造进入孔的方法，所述进入孔用氧化物封闭。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种用于改进地制造微机械结构元件的方法。

根据第一方面，该任务通过一种用于制造微机械结构元件的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-在所述结构元件的MEMS元件中或盖元件中构造进入开口；

-将MEMS元件与盖元件连接，其中，在MEMS元件和盖元件之间构造至少一个空腔；以及

-在限定的气氛下借助于激光来封闭通到所述至少一个空腔的进入开口。

根据本发明的方法设置：在时间方面首先实施MEMS元件和盖元件之间的连接过程，并且在连接过程的高温减退后才进行用于微机械结构元件的其他加工步骤。因此，随后的其他加工步骤(例如在空腔中引入限定的内部压力、调适(konditionieren)MEMS结构表面等)有利地可以在较低的温度下更灵活且更成本有利地实施。

根据第二方面，该任务通过一种微机械结构元件解决，该微机械结构元件具有：

-用盖元件封盖的MEMS元件；

-在盖元件和MEMS元件之间构造的至少一个空腔；和

-通到该空腔中的进入开口，该进入开口已借助于激光在一个限定的气氛下封闭。

根据本发明的方法和根据本发明的结构元件的有利的扩展是从属权利要求的主题。

所述方法的一个有利的改进方案设置：在封闭之前在所述空腔中设定一个限定的内部压力。通过该方式可将该空腔在低温下抽空并通过随后的封闭简单地在该空腔内设定一个限定的内部压力。

所述方法的一个有利的改进方案设置：在所述空腔中封入限定的内部压力约在室温下进行。由此有利地消除了温度下降对该空腔内的压力情况的负面影响，使得一次设定的内部压力非常稳定地保持。

所述方法的一种有利的改进方案设置：或者在MEMS元件与盖元件连接之前构造进入开口，或者在MEMS元件与盖元件连接之后构造进入开口。这有利地有助于灵活地构造进入开口。

所述方法的另一个有利的改进方案设置：将所述进入开口实施得窄，以便可以简单地借助于激光脉冲封闭该进入开口。为此能被证实为有利的是：在盖中或在传感器中设置构造得比进入开口宽并且并迎向进入开口的竖直凹进部。在这种布置中，可减小进入开口的窄区域的深度。由于用典型的蚀刻方法(沟道法)并不能蚀刻具有任意大的纵横比(宽度与高度或者说深度的比例)的竖直通道，因此，以这种布置可以在纵横比相同时实现较窄的进入开口或进入通道。

所述方法的有利的改进方案设置：通过所述进入开口实施对MEMS元件的MEMS结构的表面的调适。通过这种方式可以在连接过程之后将一种气态介质例如以有机抗粘接涂层的形式经由进入开口引入到所述空腔中。该抗粘接涂层由此有利地不经受高温并且在其特性方面不由此受损。

所述方法的一个有利的改进方案设置：所述调适包括使MEMS结构的表面变粗糙，和/或将薄的氧化层沉积到MEMS结构的表面上，和/或将抗粘接涂层沉积到MEMS结构的表面上。通过该方式可在低环境温度的情况下保护材料地实施多个加工步骤。

所述方法的一个有利的改进方案设置，将限定的内部压力封入到所述空腔中约在室温下进行。通过该方式可以有利地基本上避免释气，释气会造成在空腔内封入较高的内部压力。

所述方法的一个有利的改进方案设置，所述进入开口的构造借助于MEMS元件的传感器芯上的蚀刻停止装置实施。通过该方式可以有利地避免微机械结构元件的敏感的传感器芯的损坏或损伤。

所述方法的一个有利的改进方案设置，所述进入开口的构造构成相对于所述空腔的分隔壁，其中，产生通到空腔的连接通道。由此有利地对于在激光封闭步骤时产生颗粒的情况而言避免由于所述颗粒而对微机械结构造成损害。此外通过该方式提供针对蒸发的有效保护。

所述方法的一个有利的改进方案设置，借助于脉冲激光或借助于红外激光实施对该空腔的封闭。由此该方法可以用不同类型的激光实施，这些激光各有特定的优点。

所述方法的一个有利的改进方案设置：MEMS元件与盖元件的连接借助于键合工艺或借助于层沉积工艺实施。通过该方式，根据本发明的方法可以有利地普遍适用于与盖晶片的键合工艺以及适用于MEMS元件的薄层封盖工艺。

根据本发明的结构元件的一个有利的改进方案的特征在于：所述进入开口与所述MEMS元件的微机械结构布置成在侧向上相互错开，其中，在进入开口和空腔之间布置有一个连接通道。通过该方式有利地有助于：在激光封闭时通过进入开口输送的激光束在硅熔化之前基本上不损害传感器元件。此外，由此也可以使通过所引入的激光辐射而对结构元件造成的可能热负载最小化。

所述结构元件的一个有利的改进方案的特征在于，该进入开口延伸到一个牺牲区域中，以便接收蒸汽或可能由于封闭进入开口而掉落的颗粒。

有利地，借助于所述方法提供对微机械结构元件的成本有利的、保护材料的封闭。在此，该封闭可以在不对结构元件造成热负载的情况下进行。有利地可以自由选择微机械结构元件的内部压力，其中，非常小的内部压力也是可能的。还可能的是：在MEMS空腔中封入可自由选择的气体和/或有机物质。有利地可能的是：在各个结构元件上可以设置多个带有MEMS元件的空腔，在这些空腔中可以分部设定一个不同的内部压力和/或不同的气体或各个MEMS元件的不同的涂层。

有利地，根据本发明的方法不仅可以用于通过键合方法以盖晶片封闭的MEMS元件，而且也可用于以集成在MEMS过程中的层沉积封闭的MEMS结构(所谓的薄层封盖)。

在下文中根据多个附图以其他特征和优点详细描述本发明。在此，所描述的所有特征与它们在说明书中和在附图中的表述无关地以及与它们在权利要求书中的引用关系无关地构成本发明的主题。相同的元件或功能相同的元件具有相同的附图标记。

附图说明

附图中：

图1传统的微机械结构元件的横截面视图；

图2根据本发明的微机械结构元件的第一实施方式的横截面视图；

图3根据本发明的微机械结构元件的另一实施方式的横截面视图；

图4根据本发明的微机械结构元件的另一实施方式的横截面视图；

图5根据本发明的微机械结构元件的另一实施方式的横截面视图；以及

图6根据本发明的方法的一种实施方式的原理流程。

具体实施方式

图1示出传统微机械结构元件100的横截面视图，该微机械结构元件具有MEMS元件5，该MEMS元件具有第一微机械传感器元件1(例如转速传感器)和第二微机械传感器元件2(例如加速度传感器)。借助于键合材料4，优选呈由硅构成的盖晶片形式的盖元件6与MEMS元件5键合地连接。在第一传感器元件1上方构造有空腔8a，在该空腔中封入限定的内部压力。对于品质高的转速传感器而言，为此需要一个非常低的内部压力。布置在空腔8a中的(例如金属的)吸气剂3承担在第一传感器元件1的空腔8a中建立上述限定的内部压力的任务。

在第二传感器元件2上方也布置有一个空腔8b，在该空腔中封入一个限定的压力。所述两个传感器元件1、2在该盖元件6下面布置成在空间上彼此分离，并用这种方式实现成本低廉的、节省位置的、带有转速传感器和加速度传感器的微机械结构元件100。

图2示出根据本发明的微机械结构元件100的第一实施方式。可以看出，除了图1的传统结构元件100的结构以外，还在第二传感器元件2的空腔8b中设置一个进入开口7。通过该进入开口7可以在第二传感器元件2的空腔8b内设置或引入一个限定的内部压力。另外，通过该进入开口7可以调适第二传感器元件2的微机械结构。这例如包括涂覆强斥水的(例如，含氟的)有机温敏抗粘接涂层，其可防止第二传感器元件2的可运动的MEMS结构的相互碰撞。

可以选择性地在实施MEMS元件5与盖元件6的键合之前或之后构造进入开口7，并在对第二传感器元2的MEMS结构实施必要时进行的调适之后才用激光9的脉冲封闭该进入开口。在此，盖元件6的硅材料短暂地熔化，由此用盖元件6的材料再次封闭进入开口7。进入开口7的几何形状优选构造成使得进入开口7在通过激光9熔化之后封闭。

在图2的实施方式中可以看出，进入开口7在竖直延长线区域中蚀刻传感器元件2的传感器芯的区域，但该区域由此所受的影响很轻微。

只要用所述蚀刻方法打开传感器芯，则在蚀刻进入开口7直至一定程度时，除了对传感器芯的定向蚀刻以外，也总是发生传感器芯的各向同性蚀刻。因此，可被证明为有利的是：如图2所示，将在其中使盖元件6开口的区域与在其中布置第二传感器元件2的传感器芯的区域布置成在水平方向上彼此分开，其中，这两个区域仅通过在分隔壁13下方构成的窄连接通道10连接。

通过该方式可实现：使可能由于激光辐射作用而在盖元件6的封闭过程中脱落的硅碎片借助于分隔壁13来与第二传感器元件2的敏感的微机械结构隔离。

在一未在附图中示出的实施方式中设置，在进入开口7的上述竖直延长线区域中可以给传感器芯设置蚀刻停止层(例如，铝制的)，以防止传感器芯被蚀刻。

进入开口7优选构造成窄于约20μm，典型地构造成处于约10μm的数量级。

为了具有到MEMS结构的良好气体交换并且为了尽管如此仍能良好地封闭，进入开口7替代地也可构造为长狭缝。

进入开口7或进入狭缝的封闭特别有利地可以通过在一条线中实施的激光封闭(未示出)来进行。

图3示出微机械结构元件100的另一个实施方式。在该变型中可以看出，进入开口7在一个不损坏第二传感器元件的传感器芯的区域中蚀刻第二传感器元件2的传感器芯，因为该区域相对于第二传感器元件2具有相应大的水平间距。还可以看出，进入开口7具有不同的宽度，通过蚀刻过程的纵横比限定地构造所述不同的宽度，其中，进入开口7的窄区域通到盖元件6的表面上，以便能借助于激光9简单地封闭进入开口7。

图4示出微机械结构元件100的另一个实施方式的横截面视图。可以看出，能够为有利的是：在盖元件6的安置进入开口7的区域中设置具有大的表面的牺牲区域11，借此该牺牲区域可以良好地减少各向同性的蚀刻气体，其中，牺牲区域11通过一个窄的水平连接通道10与第二传感器元件2的传感器区域连接。在该情况下有利的是：(“从下面”)经由MEMS元件5的晶片来加工用于进入开口7的蚀刻通道。

在该情况下可以基于进入开口7的纵横比设置成：将进入开口7的第一区段(从MEMS元件的晶片表面出发)实施得较宽，而将延伸到第二传感器元件2的传感器芯中的另一区段实施得较窄。这有利地支持进入开口7的窄区域的通过激光器9实施的良好可封闭性。

在MEMS元件5的制造过程中，通过为此使用的制造过程就已可制造窄的进入开口7。在后续步骤中则可从MEMS元件5的衬底的背面安置宽的进入开口。

替代地，也可以如在图3中根据盖元件6在原理上示出的那样为了获得MEMS元件5衬底上的平坦表面而首先在衬底中安置一个宽的空腔，该空腔以衬底背侧的窄进入开口来开口(未示出)。这在以下情况下是尤其有利的：在盖元件6中设置ASIC电路(未示出)，该ASIC电路与MEMS元件5电连接并且用作用于MEMS元件5的分析处理电路。通过该方式可以制造非常紧凑的传感器元件。

有利的是：为了在限定的气氛下封闭进入开口7，可以使用波长约＞600nm的红外激光(Infrarot-Laser)。这种激光9的红外脉冲特别深地侵入硅衬底，并由此使得能特别深且可靠地封闭进入开口7。

还可为有利的是：设置脉冲长度小于约100μs的、在脉冲时间和停止时间上的平均功率小于60kW的脉冲激光作为激光9，以便有利地使所述MEMS结构的热负载保持尽可能小。

还可为有利的是：在构造有两个不同宽度的进入开口7中，用与宽区域相比掺杂量更高的硅构成窄区域，以便在进入开口7的所述窄区域中实现对激光9的激光功率的特别强的吸收。

可为有利的是：在至少两个密封地分隔开的空腔8a、8b中安置多余一个的MEMS结构，以及将所述空腔8a、8b中的至少一个以激光9的激光脉冲封闭。在这些空腔8a、8b中可以设定不同的压力。在此，或者是：在第一空腔8a中通过键合方法限定压力封入，而在第二空腔8b中通过激光封闭过程限定。替代地，可以各自通过激光封闭来实现不同的内部压力。有利的是：在这两个单独的空腔8a、8b中至少各布置一个加速度传感器或一个转速传感器或一个磁场传感器或一个压力传感器。

图5在原理上示出：根据本发明的方法也可在借助于薄层封盖部封闭的MEMS元件5中实施。为此，首先在该MEMS元件5的衬底上安置MEMS结构。此后将该MEMS结构用氧化层(未示出)覆盖并且在该氧化层上方沉积多晶硅层形式的盖元件6。此后在盖元件6的多晶硅层中蚀刻至少一个进入开口7，在随后的蚀刻步骤中，借助于气态蚀刻气体(例如氟化氢气体HF)把该氧化层蚀刻掉，并释放MEMS元件5的MEMS结构。

可选地可以通过进入开口7沉积有机抗粘接涂层(未示出)，或进行MEMS表面的其他调适。

在一个限定的气氛下借助于激光9的激光脉冲再将进入开口7封闭。最后为了与MEMS结构电接触的目的而安置接触区12。

在一变型中可以设置，在进入开口7的区域中对氧化层开口，并在那里外延生长单晶硅。在单晶区域中安置该进入开口7，并用激光脉冲封闭。在这种情况下，可在光学上特别简单地检查该封闭，因为单晶硅视取向而定构成一个非常光滑的表面，该表面在光学上可以通过一个非常高的反射和通过少的散射光简单地检查。

在更上面与构造为盖元件6的盖晶片相关联地实施的有利变型也可以用到微机械结构元件100的薄层盖部变型方案上。

图6在原理上示出根据本发明的方法的一个实施方式的流程。

在第一步骤S1中，在结构元件100的MEMS元件5中或盖元件6中构造进入开口7。

在第二步骤S2中，将MEMS元件5与盖元件6连接，其中，在MEMS元件5和盖元件6之间构造至少一个空腔8a、8b。

最后，在第三步骤S3中，在一个限定的气氛下借助于激光9封闭通到所述至少一个空腔8a、8b的进入开口7。

概括而言，通过本发明提供一种方法，通过该方法可有利地无需为封闭微机械结构元件提供任何单独的材料，其中，该封闭基本上在不对MEMS元件造成温度负载的情况下被实施。

借助于根据本发明的方法可能的是，在单个结构元件上设置多个带有MEMS元件的空腔，在所述空腔中分别设定或布置不同的内部压力和/或不同的气体和/或各MEMS元件的可运动的MEMS结构的不同的涂层。

由于根据本发明的方法基于激光脉冲的作用而以硅材料封闭硅材料，所以该封闭是非常稳健、密封、无扩散和稳定的。此外，该方法有利地是成本有利的，因为可以用扫描镜在时间上非常有效地实施相应的激光过程。在此，扫描镜的扫描速度基本上确定能以多快的速度封闭进入开口。有利地，对于在空腔中产生限定压力并不需要价格昂贵的吸气剂工艺，但也可以在需要时仍然使用该吸气剂工艺。

因此，所提出的方法例如可用于简单地制造集成式加速度和转速传感器。由此可以在单个微机械结构元件或模块内有利地实现更多功能。显而易见地例如可能的是：将根据本发明的方法仅应用到多个空腔中的一个上或应用到多个空腔中的每一个上。

尽管本发明已在前面根据具体的实施例公开，但本发明不局限于此。

因此，在不偏离本发明核心的情况下，专业人员可以适当地改变所描述的特征或将其相互组合。

Claims (9)

1.一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，该方法具有以下步骤：

-在所述结构元件(100)的MEMS元件(5)中或盖元件(6)中构造进入开口(7)；

-将所述MEMS元件(5)与所述盖元件(6)连接，其中，在所述MEMS元件(5)和所述盖元件(6)之间构造至少一个空腔(8a、8b)；以及

-在限定的气氛下借助于激光(9)封闭通到所述至少一个空腔(8a、8b)的所述进入开口(7)。

2.根据权利要求1的方法，其中，在封闭所述进入开口(7)之前在所述空腔(8a、8b)中设定一个限定的内部压力。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，通过所述进入开口(7)实施对所述MEMS元件(5)的MEMS结构的表面的调适。

4.根据权利要求3的方法，其中，所述调适包括：使所述MEMS元件(5)的MEMS结构的表面变粗糙；和/或将薄的氧化层沉积到所述MEMS结构的表面上；和/或将抗粘接涂层沉积到所述MEMS结构的表面上。

5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，构造所述进入开口(7)造成相对于所述空腔(8a、8b)的分隔壁(13)，其中，产生通到所述空腔(8a、8b)的连接通道(10)。

6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，借助于脉冲激光(9)或借助于红外激光(9)实施对所述空腔(8a、8b)的封闭。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，借助于键合工艺或借助于层沉积工艺实施所述MEMS元件(5)与所述盖元件(6)的连接。

8.一种微机械结构元件(100)，其具有：

-以盖元件(6)封盖的MEMS元件(5)；

-在所述盖元件(6)和所述MEMS元件(5)之间构造的至少一个空腔(8a、8b)；和

-通到所述空腔(8a、8b)中的进入开口(7)，所述进入开口已借助于激光(9)在限定的气氛下封闭。

9.根据权利要求8的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述进入开口(7)与所述MEMS元件(5)的微机械结构布置成在侧向上相互错开，其中，在所述进入开口(7)和所述空腔(8a、8b)之间布置有连接通道(10)。