CN109689566B - 用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法和微机械构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造具有悬空的压力传感器装置(12)的微机械构件(100)的方法以及一种相应的微机械构件(100)。所述方法具有以下步骤：在第一衬底(10)的第一外面中或处构造导电的牺牲元件(14)；将第二衬底(20)在所述第一衬底(10)的外面处或上安置在所述牺牲元件(14)上方；构造压力传感器装置(12)，包括所述第二衬底(20)的阳极蚀刻；构造在所述第二衬底(20)中的至少一个沟(22)，该沟达到所述牺牲元件(14)；并且至少部分地移除(S50)所述牺牲元件(14)以使所述压力传感器装置(12)悬空。

Description

用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法和微机械构件
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法以及一种具有悬空的压力传感器装置的微机械构件。
该压力传感器装置尤其可以具有压力传感器膜片或者由具有相应的电接触部的压力传感器膜片组成。
背景技术
微机械压力传感器经常实现为压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是固有应力敏感的，因为所述压阻式压力传感器原则上测量在压力传感器膜片的区域中的衬底弯曲，然而其中，具有压力传感器膜片的整个构件的衬底弯曲被一起测量。基于整个构件的衬底弯曲的信号不能或者仅能够以大的耗费与真正希望的压力信号区分开。为了克服该要求，在现有技术中存在使用参考结构来补偿构件的衬底弯曲的概念。
为了构造压阻式压力传感器，有时使用所谓的APSM方法，其中，APSM表示“Advanced Porous Silicon Membrane”。这种APSM方法尤其在文献DE 10 2004 036 032A1以及DE 10 2004 036 035 A1中进行描述，由此参照这些文献以详细阐释APSM方法。
发明内容
本发明公开一种用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法和一种相应的、具有悬空的压力传感器装置的微机械构件。
依此，设置用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法，所述方法具有以下步骤：在第一衬底的第一外面中或上构造导电的牺牲元件；将第二衬底在第一衬底的外面处或上安置、例如键合在牺牲元件上方；构造压力传感器装置，所述构造包括第二衬底的阳极蚀刻；在第二衬底中构造至少一个沟，该沟达到牺牲元件；并且移除牺牲元件以使压力传感器装置悬空。
压力传感器装置尤其可以具有压力传感器膜片或者由该压力传感器膜片组成。压力传感器装置的构造尤其可以在使用APSM方法的情况下实现。压力传感器装置的悬空尤其理解为，压力传感器装置仅通过相对较小和/或较薄的悬挂装置与剩余的微机械构件连接，以便实现压力传感器装置与剩余的微机械构件的尽可能大的机械应力解耦。压力传感器装置例如可以具有400乘400微米的尺寸。
此外，根据本发明，提供微机械构件，该微机械构件具有在构件的第一侧上的悬空的压力传感器装置，其中，所述构件的背离悬空的压力传感器装置的一侧是未加工的晶片表面。未加工的晶片表面应理解为抛光的或未抛光的晶片表面，该晶片表面尤其不具有打开的或重新封闭的蚀刻沟、穿孔或在制造晶片表面之后实施的其他结构化部。
根据本发明的方法能够实现APSM方法或至少APSM方法步骤的使用、尤其实现第二衬底的阳极蚀刻的使用，以用于制造悬空的压力传感器装置，该压力传感器装置具有针对微机械构件的衬底弯曲的特别高的不敏感性。
此外，根据本发明的方法尤其能够在使用APSM方法步骤的情况下实现整个微机械构件从构件的单侧开始(例如从晶片上侧开始)的制造，使得所述构件的第二侧、尤其晶片背侧保持完好。因此，微机械构件的保持完好的晶片背侧、即背离悬空的压力传感器装置的一侧对于处于过程中的大部分标准处理设施并且在建造和连接技术中(包括微机械构件在封装中的粘接在内)有利地保持可处理。
导电的牺牲元件的使用具有以下优点：在第二衬底的阳极蚀刻中经过牺牲元件的电流不受影响或者仅以非常小的程度受影响。
另外的有利的实施方式和扩展方案由说明书参照附图得出。
根据优选扩展方案，牺牲元件单晶地构造。替代地，牺牲元件可以多晶地构造，由此可以使所述方法简化。
根据另外的优选扩展方案，牺牲元件具有锗或者由锗组成、例如由硅锗混合物组成。锗具有以下优点：所述锗不影响在阳极蚀刻期间的电流。此外，锗可以例如借助二氟化氙(XeF2)或者三氟化氯(ClF3)特别快速地蚀刻(例如每分钟几微米)。此外，锗可以由硅替代(selektiv)并且相对于其他材料(例如氧化物、氮化物和金属)是高度选择性的，所述材料可以在制造压力传感器装置时使用。
根据另外的优选扩展方案，将牺牲元件全面地构造在第一衬底的第一外面上或处。因此，所述方法简化地实施。如果使用锗作为牺牲元件并且使用硅作为衬底，那么具有牺牲元件的第一衬底由此可以被称为硅锗晶片。
如果第一元件要构造在第二元件的外侧“上(auf)”，那么这应理解为，所述第一元件在第二元件处直接构造在外侧处、即第二元件的外面处，或者，所述第一元件间接地构造在该外侧上方。如果第一元件要构造在第二元件的外侧“处(an)”，那么这应理解为，所述第一元件直接构造在外侧、即外面处。如果第一元件相对于第二元件要以确定的方式布置，那么由此不必确定：当构造第一元件时，第二元件必须已经构造。更确切地说，在这里描述最终状态，本领域技术人员清楚相应于说明书如何建立该最终状态。根据另外的优选扩展方案，牺牲元件在横向上受限地构造在第一衬底的第一外面上。具有构造在其中的牺牲元件的衬底可以被称为“设计的衬底”。
在横向上、即沿着平行于第一衬底的第一外面的方向受限的牺牲元件的构造可以改善微机械构件的尺寸稳定性并且由此减少在制造相邻的微机械构件期间的预留量(Vorhalte)和/或在相同的晶片上的可能的裂缝沟。
根据另外的优选扩展方案，所述至少一个沟构造在具有至少一个留空部(Aussparung)的第二衬底上，该留空部作为用于悬空的压力传感器装置的悬挂装置起作用。留空部例如可以构造为弹簧元件。
根据另外的优选扩展方案，在构造所述至少一个沟之前在第二衬底上构造具有至少一个开口的氧化物层。沟的构造可以通过将蚀刻介质引导通过所述至少一个开口以蚀刻第二衬底地构造。氧化物层可以至少部分地保留在微机械构件上并且作为用于悬空的压力传感器装置的悬挂装置起作用。
附图说明
下面参照在示意性附图中示出的实施例详细阐释本发明。附图示出：
图1至5用于阐释根据本发明的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法的示意图；
图6至10用于阐释根据本发明的另外的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法的示意图；和
图11至14用于阐释根据本发明的另外的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法的示意图。
在所有附图中相同的或功能相同的元件和设备(只要未另外说明)设有相同的附图标记。方法步骤的编号有利于概要性并且尤其不应暗示确定的时间顺序(只要未另外说明)。尤其也可以同时实施多个方法步骤。
具体实施方式
图1至14全部示出(要么处于制造中的要么已经制造完成的)微机械构件的示意性横截面视图。
图1至5阐释根据本发明的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法。尤其描述单个微机械构件的制造。在此理解为，可以有利地将多个微机械构件共同制造在一个晶片上。每个单个微机械构件的制成可以包括分离。
图1示出，如何在步骤S10中在第一衬底10的第一外面10-o上构造导电的牺牲元件14。第一衬底10尤其可以是硅衬底。
为了构造导电的牺牲元件14，可以外延地或多晶地进行导电材料的沉积。例如导电的牺牲元件14可以整面地沉积到第一衬底10的第一外面10-o上，也就是说第一衬底10的整个外面10-o通过导电的牺牲元件14、例如通过锗层遮盖。
图2示出，如何在步骤S20中将第二衬底20在第一衬底10的外面10-o上、尤其在该外面处安置在牺牲元件14上方。第二衬底20尤其可以直接安置在牺牲元件14上。第二衬底20例如可以直接键合到牺牲元件14的背离第一衬底10的第一外面10-o的第一外面14-o上。对此，例如当使用多晶锗作为导电牺牲元件14时，可以有利的是，牺牲元件14的第一外面14-o事先被抛光，例如借助化学机械抛光(CMP，英文：“Chemical mechanical polishing”/“Chemical mechanical planarization”)。
在第二衬底20和牺牲元件14键合之前，可以清除将相互连接的各个表面的表面(原生)氧化物。
第二衬底20例如同样可以由硅组成或具有硅。尤其可以使用硅晶片作为第一和第二衬底10、20，以便能够实现多个微机械构件的同时制造。第二衬底20优选是单晶衬底、尤其是单晶硅衬底。因此，第二衬底20可以形成或提供在微机械构件的外侧上的单晶硅功能层。在这种单晶的第二衬底20中或上可以有利地特别好地构造膜片和/或压敏电阻。由此可以简化压力传感器单元之后的制造和/或阳极蚀刻。
尤其当第二衬底20由硅组成并且牺牲元件14由锗或硅锗混合物组成或者该牺牲元件具有锗时，牺牲元件14和第二衬底20可以被融合(fusion bonding)。在此，可以使用超过800℃的温度，因为锗和硅均是抗高温的。
在将第二衬底20安置在牺牲元件14处或上之后，第二衬底20可以被减薄到所期望的目标厚度。随后在该厚度内部构造悬空的压力传感器装置。因此，可以有利的是，在减薄时尽可能小地选择第二衬底的厚度，例如小于50微米，以便使悬空的压力传感器装置的质量保持得小并且由此使谐振频率保持得高。此外，以该方式可以更简单和/或更快地制造通向牺牲元件14的入口。然而替代地，第二衬底20的厚度也可以选择得更大，尤其在希望之后的压力传感器装置的质量更大和/或谐振频率更小的情况下。有利地，在第二衬底20减薄之后也对第二衬底20的背离牺牲元件14和第一衬底10的第一外面20-o抛光，例如借助化学机械平坦化工艺。
图3示意性示出，如何在步骤S30中在第二衬底20中、尤其在第二衬底20的第一外面20-o处构造(还未悬空的)压力传感器装置12。压力传感器装置12的构造S30尤其包括第二衬底20在第二衬底20的第一外面20-o处的阳极蚀刻S31。优选地，阳极蚀刻S31这样进行。压力传感器装置12可以构造有压力传感器膜片23和用于感测压力传感器膜片23的变形的多个压电电阻21。压力传感器装置12的构造S30有利地以APSM方法实现，其中，可以实现衬底20的多孔化(
Figure GDA0004100449800000051
)。在此，由于牺牲元件14的导电性不妨碍经由第一和第二衬底10、20及牺牲元件14的电流输送。由硅氧化物制成的牺牲层或埋入的空腔例如可以使对于APSM方法所需的、经由第一和第二衬底10、20的电流失真或甚至使该电流变得不可能。
特别优选地，如此选择牺牲元件14，使得该牺牲元件不改变在压力传感器装置12的构造S30中在阳极蚀刻S31期间的电流，尤其不扭曲流线(Stromlinien)和/或保持经由第一和第二衬底10、20的均匀传导性。
在压力传感器装置12的构造S30中还可以尤其在第二衬底20的第一外面20-o中或上构造压电电阻21的(未示出的)电接触部和/或键合垫。在这里也可以基于牺牲元件14的导电性确保，在工艺性能方面不产生重大的偏差。
图4示意性地表明，如何在步骤S40中在第二衬底20中(更确切地说：在第二衬底20的第一外面20-o中)构造至少一个沟22，该沟达到牺牲元件14或超过该牺牲元件，例如伸到第一衬底10中。有利地，没有沟22穿过所形成的整个构件，也就是说，没有沟22达到第一衬底10的背离牺牲元件14和第二衬底20的第二外面10-u。
所述至少一个沟22尤其可以借助深反应离子蚀刻(DRIE，英文：“Deep ReactiveIon Etching”)实施。深反应离子蚀刻是用于制造在硅中的具有例如达到50:1的深宽比的微结构的高度各向异性的干蚀刻过程。
根据当前的实施方式，所述至少一个沟22具有至少一个留空部24、即在蚀刻时空出的结构，该结构最终可以作为用于悬空的压力传感器装置12的悬挂装置。在图4中示意性示出象征性地作为弹簧的两个留空部24，由此应表明作为悬挂装置的留空部24的机械解耦特性。事实上留空部24可以弹簧状地构造并且因此构造有一定的弹性，以便能够在一定的框架内实现之后悬空的压力传感器装置12的运动。除了留空部24之外，所述至少一个沟22优选这样构造，使得沟22完全围绕之后要悬空的压力传感器装置12，例如在第二衬底20的第一外面20-o的俯视图中呈正方形或矩形的形状。
留空部24尤其可以与第二衬底20的第一外面20-o齐平地构造或保留。留空部24尤其可以具有通向压电电阻21的、可能的已经构造的电触点。替代地，这些电触点可以随后构造在留空部24上。
图5示意性地表明，如何在步骤S50中至少部分地移除牺牲元件14，以便使压力传感器装置12悬空。如果牺牲元件14是锗层或者具有锗硅混合物或由锗硅混合物构成，那么牺牲元件14的移除有利地借助二氟化氙(XeF2)或者三氟化氯(ClF3)实现。在此，第一衬底10的第二外面10-u有利地保持闭合，这可以简化进一步处理。
第一衬底10可以在牺牲元件14的移除S50之前或之后在第二外面10-u上减薄，以便减小上述结构(即处于制造中的微机械构件或处于过程中的、具有多个处于制造中的微机械构件的晶片结构)的总高度。替代地，第一衬底10也可以在将罩可选地键合到第二衬底20的第一外面20-o上之后被减薄。在此，罩有利地键合在压力传感器装置12上方以实现对该压力传感器装置的保护。
可选地，可以在构造至少一个沟22和留空部24之后使压力传感器装置12和留空部24的侧壁涂覆有薄的保护层，以便防止或降低在牺牲元件14的移除S50期间对这些结构的侧面蚀刻。薄的保护层例如可以是具有例如100纳米的厚度的二氧化硅层。
如由图5可看出，在已经制成的构件100中由此在构件100的第一侧100-1上构造有悬空的压力传感器装置12，而在构件的背离悬空的压力传感器装置12的一侧100-2上布置有第一衬底10的第二外面10-u，该第二外面作为形成第一衬底10的晶片的未加工的或者仅抛光的和/或减薄的、尤其闭合的晶片表面。这样构造的微机械构件100在构件100的侧面100-2上能够特别简单地进一步处理，例如还未分离地在晶片上。
下面的图6至图10示意性说明根据本发明的另外的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置的微机械构件的方法12。根据图6至10所述的方法与根据图1至图5所述的方法的不同在于，在下面的方法中导电的牺牲元件14’不整面地构造，而是构造有横向的限界部。
图6示意性表明，如何在步骤S11中首先在第一衬底10的第一外面10-o上构造凹陷部11。为此尤其可以在单个硅晶片中构造多个凹陷部，该硅晶片针对多个同时要制造的微机械构件作为第一衬底10起作用。第一衬底10可以在各个方面如之前参照图1至图5所描述的那样构造。
图7表明，如何在步骤S12中在第一衬底10的第一外面10-o上、既在凹陷部11(或在作为第一衬底10的晶片上的所有凹陷部11)的外部也在其内部构造导电层15。导电层15尤其可以由锗或硅锗混合物组成或者具有硅和/或锗。导电层15的构造S12可以外延地或多晶地进行。导电层15的构造S12尤其这样进行，使得第一衬底10的整个、结构化有凹陷部11的第一外面10-o通过导电层15遮盖。有利地，导电层15构造有等于凹陷部11的深度的厚度。
图8示意性表明，如何在步骤S13中借助磨削或抛光过程使在步骤S11和S12中制造的结构在第一衬底10的第一外面10-o这一侧平整。这尤其至少或刚好进行直至第一衬底10的第一外面10-o的未构造有凹陷部11的区域露出。也可以比仅达到没有凹陷部11的区域更进一步地实施磨平，然而有利地不比达到凹陷部11的底部更进一步地实施，也就是说不如此远地实施，以至于又移除导电的牺牲层15。
因此得出，如在图8中作为结果示出，在凹陷部11中导电层15的剩余部分作为在第一衬底10的第一外面10-o中的牺牲元件14’。
图9示意性表明，如何在步骤S21中将第二衬底20安置在第一衬底10的外面10-o上和/或将第二衬底20安置在牺牲元件14’的与第一衬底10的第一外面10-o共面的外面14’-o上，例如参照图2和方法步骤S20所述的那样。
第二衬底20可以如参照图1至5所述的那样构造，也就是说，第二衬底20例如同样可以由硅组成或者具有硅。硅晶片尤其可以作为第一和第二衬底10、20使用，以便能够实现多个微机械构件的同时制造。
第二衬底20优选是单晶的衬底、尤其是单晶的硅衬底。
下面可以实施方法步骤S30、S31、S40和S50，如前面参照图3至图5所述的那样。以该方式制成的微机械构件100’示例性地在图10中示出。
通过牺牲元件14’的结构化部和横向限界部、即通过衬底10的部分可以避免第二衬底20的远离压力传感器装置12朝着微机械构件的横向边缘的方向的不需要的下部蚀刻，这可以导致微机械构件100的稳定和位置减小。
在所述方法的这种变型方案中，可以有利地在步骤S50中完全移除牺牲元件14’，这可以简化过程实施，而由此不使构件的结构完整性变差。
图11至14表明根据本发明的另外的实施方式的用于制造具有悬空的压力传感器装置12’的微机械构件100’的方法的方法步骤。
根据图11至图14所述的方法是根据图1至图5所述的或根据图6至图10所述的方法的变型方案，所述方法结合要么结合方法步骤S10、S20、S30和S31要么结合方法步骤S11、S12、S13、S21、S30和S31。
在图11至图14中示例性地具体示出以下情况：首先实施步骤S11、S12、S13、S21、S30和S31。
图11示意性表明，如何在步骤S41中在第二衬底20的第一外面20-o上以及在之前的步骤S30、S31中构造的、然而还未悬空的压力传感器装置12’上构造结构化的氧化物层26。结构化的氧化物层26这样结构化地构造，使得所述氧化物层具有至少一个开口28、优选多个开口28，所述开口延伸穿过氧化物层26直到第二衬底20的第一外面20-o。
在氧化物层26中的开口28例如可以具有栅格结构。氧化物层例如可以是硅氧化物。优选地，开口28这样构造，使得连续的栅格结构围绕待悬空的压力传感器装置12’环形地延伸。
图12示意性表明，如何在步骤S42中构造穿过第二衬底20至少达到牺牲元件14’的至少一个沟22’，其方式是，将蚀刻介质引导经过所述至少一个开口28以用于蚀刻第二衬底20。在此，可以有利地将单个沟22’构造为围绕待悬空的压力传感器装置12’的连续的绝缘沟，该绝缘沟由氧化物层26跨接，以便使压力传感器装置12’特别全面地机械解耦。
优选地，氧化物层26在位于沟22’上方的整个区域中连续地构造有带着孔的栅格结构。该栅格结构可以在使压力传感器装置12’悬空之后作为用于悬空的压力传感器装置12’的悬挂装置起作用。所述至少一个沟22’的构造也可以借助深反应离子蚀刻(DRIE)工艺进行。在此，有利地出现边缘损耗(Kantenverlust)，该边缘损耗引起所述至少一个沟22’的完全悬空，类似于所谓的空隙TSV，其中，TSV表示英文概念“through-silicon via”。
图13示意性表明，如何在步骤S50中使牺牲元件14’尤其完整地移除以使压力传感器装置12’悬空，如参照图5所述的那样。
优选地，使用二氟化氙(XeF2)或者三氟化氯(ClF3)作为蚀刻介质。由于该蚀刻介质针对氧化物的高蚀刻选择性，在这里有利地不引起氧化物层26在沟22’的区域中的变薄或仅引起在该区域中的非常小的变薄。
图14示意性示出，如何在步骤S60中在牺牲元件14’的移除S50之后可选择地在氧化物层26的背离第二衬底20的外面26-o上构造封闭层30。封闭层30例如可以具有硅氧化物和/或硅氮化物或者由硅氧化物和/或硅氮化物组成。此外可选地，为了压力平衡在封闭层30中构造新的孔。替代地或附加地，可以在氧化物层26中的至少一个开口28的栅格结构中设置更大的孔，该孔在构造封闭层30时不被完全封闭。
图14还以示意性横截面视图示出通过根据图11至图14所述的方法制造的微机械构件100”。

Claims (7)

1.用于制造具有悬空的压力传感器装置(12’)的微机械构件(100”)的方法，悬空的所述压力传感器装置通过悬挂装置与剩余的微机械构件(100”)连接，所述方法具有以下步骤：
在第一衬底(10)的第一外面(10-o)中或处构造(S10；S11-S13)导电的牺牲元件(14；14’)；
将第二衬底(20)在所述第一衬底(10)的所述外面(10-o)处或上安置在所述牺牲元件(14；14’)上方；
构造(S30)压力传感器装置(12’)，包括所述第二衬底(20)的阳极蚀刻(S31)，用于在所述第二衬底(20)中构造所述压力传感器装置(12’)的压力传感器膜片(23)和位于所述压力传感器膜片(23)下方的空腔；
在所述第二衬底(20)中构造(S42)至少一个沟(22’)，该沟达到所述牺牲元件(14；14’)；并且
至少部分地移除(S50)所述牺牲元件(14；14’)以使所述压力传感器装置(12’)悬空；
其中，在构造(S42)所述至少一个沟(22’)之前在所述第二衬底(20)上构造(S42)具有至少一个开口(28)的氧化物层(26)；并且，
其中，所述沟(22’)的构造(S41)通过将蚀刻介质引导通过所述至少一个开口(28)来蚀刻所述第二衬底(20)地进行；并且，
其中，所述氧化物层(26)至少部分地保留在所述微机械构件(100”)上，以便对于悬空的所述压力传感器装置(12’)起悬挂装置作用。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述牺牲元件(14；14’)单晶地或多晶地构造。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述牺牲元件(14；14’)具有锗或者由锗组成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述牺牲元件(14；14’)的所述移除(S50)通过借助二氟化氙或者三氟化氯的蚀刻进行。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述牺牲元件(14)整面地构造在所述第一衬底(10)的所述第一外面(10-o)上或处。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述牺牲元件(14’)在横向上受限地构造在所述第一衬底(10)的所述第一外面(10-o)上。
7.微机械构件(100”)，所述微机械构件具有悬空的压力传感器装置(12’)，悬空的所述压力传感器装置通过悬挂装置与剩余的微机械构件(100”)连接，所述微机械构件根据权利要求1至6中任一项所述的方法来制造。
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