CN111186810A - 微机械结构元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械结构元件(100)，其具有构造在第二和第三硅功能层(20、30)中的可运动的振动质量，其中，在所述第二和第三硅功能层(20、30)中构造有空心体(36)，所述空心体具有构造在第四硅功能层(40)中的覆盖元件。

Description

微机械结构元件

技术领域

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

背景技术

微机械结构元件，例如用于测量加速度和转速的惯性传感器，被批量生产用于汽车和消费领域中的不同应用。优选地，使用跷板结构用于具有垂直于晶片平面(即在z方向上)的探测方向的电容式加速度传感器。该跷板的传感器原理基于弹簧-质量系统，在该弹簧-质量系统中，在最简单的情况下，具有两个固定在基底上的配对电极的、可运动的振动质量构成两个平板电容器。所述振动质量经由至少一个、由于对称性原因通常两个扭簧与底座连接。如果质量结构在扭簧的两侧上是不同大小的，则在z加速度的作用下，所述质量结构相对于作为旋转轴线的扭簧旋转。因此，电极的间距在具有较大质量的一侧上较小，而在另一侧上较大。电容改变是对于作用的加速度的量度。这种加速度传感器例如由EP 0244 581 A1和EP 0 773 443 A1已知。

为了补偿表面电势对加速度传感器的影响，例如在DE 103 50536 B3、DE 10 2006057 929 A1、DE 10 2008 040 567 A1中已经提出不同方法。所有在那里公开的建议的共同之处在于，偏置漂移的问题应通过在电路侧的专门措施和预防手段和/或借助专门的测试方法来解决。然而，这种措施非常复杂，因此导致结构元件的显著的更大成本。

此外，为了在不介入电路侧的情况下改善由于表面电势引起的寄生效应，在几年前提出了新型的z传感器设计和技术，例如在DE 10 2009 000167 A1中。在那里公开了相对于表面电势及其漂移的明显改善的鲁棒性，因为可运动的结构的、由第二功能层构成的下侧相对于第一功能层的印制导线平面被电对称化。对于机械灵敏度所需要的质量不对称性在这里通过第三功能层实现。

然而，如在图5中所示的那样，当第三功能层30中的可运动的振动质量的上侧与具有寄生电容和引起的寄生力的另外的导电平面对置时，这些被极大改进的结构又对于表面电势是敏感的。所述另外的导电平面例如可以是CMOS晶片的最上方的金属化平面，该CMOS晶片作为封装件被键合到MEMS晶片上，如例如由DE 10 2012 208 032 A1已知的那样。代替CMOS晶片，在这里也可以是与可运动的传感器结构具有小间距的简单的硅传感器罩或者是具有一个或者多个布线平面的罩。

在图5的布置中，所述可运动的结构与在下侧(在第一功能层10和第二功能层20之间)上的印制导线面的相互作用能够实现为无扭矩的，而在上侧上的、即在第三功能层30和ASIC的最上方的金属化平面之间的相互作用不是无扭矩的，因为在扭转轴线33的两侧上的相互作用面是不同的。因此，涉及表面电势的影响方面，从该布置的基本拓扑结构退回到图1和2的布置状况。换言之，一旦导电的封装件以与MEMS结构的上侧具有小间距的方式布置，对于图3和4的更高级的MEMS设计而言也存在关于对表面电势的敏感性的问题。

由DE 10 2016 207 650 A1已知在罩晶片上或者在附加质量区域中的第一功能层中对电极面积进行限定地电分区，以便使电荷漂移的影响最小化。

相对于边界面不对称的跷板设计的另一问题是可能的射电效应，在温度剧烈变化时会出现该射电效应。在这样的温度变化下，跷板和基底的温度不处于热平衡中，而是垂直于基底平面出现温度梯度，其中，例如在第一功能层中的具有底部电极的基底可以比在第三功能层中的跷板结构略微更热。通过热梯度感应在传感器腔中的气体颗粒的运动，所述气体颗粒与可运动的传感器结构的碰撞可以导致跷板和因此偏置信号的能够测量的寄生偏转。该效应在C.Nagel等，《在MEMS加速度计中的射电效应》，IEEE传感器2017，格拉斯哥，苏格兰(C.Nagel et al.,，，Radiometric effects in MEMS-accelerometers“,IEEESensors 2017,Glasgow,Schottland)中得到说明。

与图1、2的传感器状况相比，图3、4的传感器的相对于第一功能层10对称化的设计在所述的射电效应方面也有帮助。作用到在图4中的轻的跷板侧上的盆形质量上的扭矩在存在温度梯度的情况下由于分子碰撞与在重的跷板侧上的扭矩强度相似，使得净动量矩(即在扭簧左侧和右侧的扭矩之和)被明显减小。然而，在这种情况下，当如在图5的传感器布置中那样在可运动的结构的上侧附近布置有另一表面时，又出现不对称的力或者扭矩状况。在这种情况下，在罩晶片和第三功能层30之间也可以存在温度差，这又会引起热梯度对传感器偏置的显著影响，因为罩晶片和可运动的结构之间的边界面构造为相对于扭转轴线不对称的。

由DE 10 2009 000 345 A1和DE 10 2010 038 461 A1已知一种具有盆形或部分中空的传感器质量的转速传感器，以便一方面在第三功能层中构成顶部电极或者另一方面能够实现轻量化结构质量，该轻量化结构质量可以在其机械和机电性能方面提供优点。

然而，这样的盆形体的缺点在于以下事实：在平行于基底平面(共面地)被激发的驱动运动中，由于重心略微向下移动和从而位于弹簧中心下方而不会引起纯共面运动，而是附加地出现小的寄生的平面外运动分量，如在图6所示的那样，该寄生的平面外运动分量可以是绕着该盆质量的重心的旋转(弯曲箭头)和z平移(直线箭头)的叠加(在图6中为了清楚起见，极其夸张地示出了运动幅度)。底部电极C₁、C₂构造在第一功能层10中，用于探测质量m₁、m₂。z寄生运动虽然在第一阶中被通常在转速传感器中所使用的两个驱动质量m₁和m₂的反相位的运动和微分电学分析评估强烈地抑制，但由于局部的工艺不均匀性/工艺公差而在两个振荡质量m₁和m₂之间或在电极配置中形成轻微的不对称性，使得仍然保留一定的干扰信号、尤其是正交信号并且使得信噪比或传感器的偏置稳定性变差。

微机械制造的空心结构基本上由微流体学的应用已知，然而，其中，这些空心结构不是可运动的MEMS结构。例如由US 8 183 650 B2、US 8 338 896 B2和US 2011 049 653A1已知CMOS后端的借助金属氧化物堆叠形成的空心结构。由金属氧化物堆叠形成的结构具有下述缺点：各个功能层的典型厚度仅在1μm的范围内或更小。

此外，金属层具有明显与周围氧化层不同的热膨胀系数和应力值。不但小的厚度而且金属和氧化物在材料参数方面的大的差异都能够在所述结构露出之后导致大的应力和拱曲，此外还会导致关于温度或使用寿命的机械或几何特性的改变。因此，与由硅层构成的微机械结构元件相比，得到明显更差的感测性能。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种改进的微机械结构元件、尤其是改进的微机械惯性传感器。

根据第一方面，该任务借助一种微机械结构元件来解决，该微机械结构元件具有构造在第二和第三硅功能层中的可运动的振动质量，其中，在所述第二和第三硅功能层中构造有空心体，该空心体具有构造在第四硅功能层中的覆盖元件。

以这种方式，在所述可运动的振动质量中提供由硅层构成的空心体，由此，所述振动质量具有最小化的寄生效应，因为跷板装置的表面向上和向下对称化，其中，所述表面的尺寸向上和向下在很大程度上是相同的。此外，因为所述可运动的振动质量由硅功能层构成，所以根据本发明的微机械结构元件具有非常有利的机械特性。

根据第二方面，该任务借助用于制造微机械结构元件的方法来解决，所述方法具有以下步骤：

-提供构造在第二和第三硅功能层中的可运动的振动质量，其中，

-在所述第二和第三硅功能层中构造有空心体，该空心体具有构造在第四硅功能层中的覆盖元件。

下面说明微机械结构元件的优选的扩展方案。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，附加地在第一硅功能层中构造有第一电极，其中，所述振动质量能够与所述第一电极在功能上共同作用。由此可以有利地电容式地探测振动质量垂直于基底平面的运动。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，附加地在所述第二、第三或第四硅功能层中构造有第二电极。以这种方式提供附加的固定电极，由此进一步改进微机械结构元件的感测性能。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第二、第三和第四硅功能层的厚度大于约1μm，由此能够有利地实现相对高刚度、小拱曲和大电容面积。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第三硅功能层的厚度大于8μm，由此能够实现大振动质量、高刚度和大电容面积。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第三硅功能层的厚度至少是所述第二和第四硅功能层的厚度的两倍。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第二和第四硅功能层的层厚度被限定得相似。由此实现相对于弹簧轴线的中点良好地校准所述可运动的质量的重心，由此在很大程度上禁止所述可运动的质量在z方向上的不希望的寄生运动。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第二和第四硅功能层的层厚度相差最大50％、优选最大25％。以这种方式也能够在很大程度上避免所述可运动的质量在z方向上的寄生偏转。

微机械结构元件的一个有利的扩展方案的特点在于，所述第二和第四硅功能层的占据面积与所述第三硅功能层之间的比例至少局部地是在三至十之间、优选是五。由此，借助常规的表面微机械工艺辅助在附加空心质量中有效地制造空心室。

附图说明

在下面借助其它特征和优点根据多个附图详细地说明本发明。相同的或者功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其考虑用于阐明对本方面重要的原理并且不一定按照尺寸比例实施。为了更清楚起见，不是在全部附图中都标记出全部附图标记。

公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，涉及微机械结构元件的特征、技术优点和实施方式类似地由用于制造该微机械结构元件的方法的相应的实施方式、特征和技术优点得出，反之亦然。

在附图中示出：

图1常规的微机械z加速度传感器的立体视图；

图2图1的常规的微机械z加速度传感器的横截面视图；

图3另一常规的微机械z加速度传感器的立体视图；

图4图3的常规的微机械z加速度传感器的横截面视图；

图5另一常规的微机械z加速度传感器的横截面视图；

图6常规的转速传感器的问题的图示；

图7提出的微机械z加速度传感器的一个实施方式的横截面视图；

图8提出的微机械z加速度传感器的另一实施方式的横截面视图；

图9根据本发明的转速传感器的已解决的问题的图示；

图10用于制造提出的微机械结构元件的方法的原理流程的多个子示图；和

图11用于制造提出的微机械结构元件的方法的原理流程。

具体实施方式

图1、2示出已知的微机械z加速度传感器100，其中，图2示出沿着图1中的连接线A-B穿过垂直于基底延伸的平面的简化剖面图。可看到，构造在第一微机械功能层10中的底部电极11、12布置在第一氧化层上，该第一氧化层布置在基底上。此外，能够看到不对称地构造的、呈跷板形式的振动质量，该振动质量以能够绕着扭转轴线33扭转的方式构造。在此，附加质量35导致振动质量的不对称构造。

这种标准跷板结构设计简单且被广泛使用，但具有以下技术问题：使具有对偏置稳定性要求非常高的应用变得困难。偏置稳定性的重要限界可以由寄生静电效应引起，在下面阐述该寄生静电效应。

为了进行电容式分析评估，对可运动的结构加载以有效电压、例如脉冲式矩形电压。因此，一旦在所述可运动的结构和所述基底之间出现电势差，在所述可运动的结构和所述基底之间的静电力就在附加质量的区域中起作用。这些力或者引起的扭矩导致跷板的寄生偏转。因此，为了使静电相互作用最小化，在附加质量的区域中通常在基底上布置有附加的印制导线面，该印制导线面被加载以与所述可运动的结构相同的电势。

理论上，由此可以在所述附加质量和所述基底之间实现力自由度。然而，在实践中，在与所述基底连接的印制导线面上和/或在所述可运动的结构的底侧上可以存在大量的表面电荷或者有效的表面电势，所述表面电荷或者表面电势仍总是能够导致寄生力并且从而导致电偏置信号。当这些效应随着产品的温度或者使用寿命改变时，所述效应是特别危险的，因为这导致偏置漂移，该偏置漂移不能通过结构元件的最终补偿被修正。

本发明的核心思想尤其在于，实现具有改善的偏置稳定性和感测特性的微机械结构元件、尤其是惯性传感器。

在根据本发明的微机械结构元件中，在存在两个边界面的情况下，不但在可运动的质量的下方，而且在可运动的质量的上方，提供传感器质量在寄生力(例如静电力和射电力)方面的对称化。这在同时保持质量不对称性的情况下实现。

此外，可以将轻量化结构质量的优点用于转速传感器，而不必忍受盆形的振荡质量的寄生运动。

此外，提出一种用于制造用于可运动的MEMS结构的空心质量的表面微机械制造方法。

根据本发明，通过构造用于可运动的MEMS结构的空心质量以及相应的用于制造这种空心质量的表面微机械制造方法来实现所述优点，所述可运动的MEMS结构由三个硅功能层构成。

因此，对于微机械z加速度传感器而言，能够在所述可运动的结构的上侧和下侧上实现在寄生力或扭矩(例如静电的或射电的力/扭矩)方面的对称化。

对于转速传感器而言，以这种方式能够构造非常轻的、但是同时也是刚性的传感器质量，所述传感器质量的质量重心的z坐标与盆形体相反地处于与弹簧重心的z坐标相同的高度上，使得在共面运动时不出现或仅出现极微弱的寄生z运动。

通过使用硅作为功能层材料能够实现具有高的温度稳定性和使用寿命稳定性的非常有利的机械特性。

硅功能层的厚度优选地可以选择得较高、尤其大于1μm。因此，能够构造空心质量，该空心质量是非常刚性的并且几乎不易扭曲或拱起。

此外，有利的是，所述硅功能层中的至少一个硅功能层、优选第三硅功能层实施得特别厚，以便实现大质量、高硬度值和大电容面积。特别有利的是，所述第三硅功能层的层厚度大于8μm、例如是10-50μm。

图7示出呈z加速度传感器形式的、根据本发明的微机械结构元件100的第一实施方式。可看到，可绕着扭转轴线33扭转的、在轻的跷板侧上具有附加空心质量36的跷板W，该跷板由三个硅功能层20、30、40构成。通过该布置可靠地保证跷板W关于扭转轴线33不但在传感器结构的下边界面(即在第一硅功能层10和第二硅功能层20之间)、而且在第四硅功能层40与具有绝缘氧化层61和(例如呈多晶硅或者金属形式的)导电层62的罩60之间的上边界面对称。

由此，有利地能够最小化或者补偿射电效应，该效应具有呈跷板W的在z方向上的寄生偏转形式的效果。此外，由此能够维持左跷板侧和右跷板侧之间的明显的质量不对称性，因为右跷板侧上的质量大部分(为了简单起见在附图中未示出穿孔)由厚的第三硅功能层30构成，因此明显比左跷板侧重。

由此也提供微机械结构元件100的始终高的机械灵敏度。

图8示出呈z加速度传感器形式的微机械结构元件100的根据本发明的另一实施方式。在这种情况下，该布置基于图4的常规布置的拓扑结构，其中，根据本发明，左跷板侧上的盆形质量体被借助第四硅功能层40覆盖的空心质量代替并且由此形成附加空心质量36。此外，与图4的常规布置相比，还存在构造在第三硅功能层30中的分析评估固定电极31、32。

即使在呈转速传感器形式的微机械结构元件的情况下也有利地能够使用根据本发明的空心质量。与图6类似地，图9图示出被驱动的、具有两个空心质量体m₁和m₂的转速传感器的振荡运动。与图6的常规布置相反地，根据本发明的转速传感器的驱动运动现在由于所使用的空心质量(代替图6的盆形质量)非常近似在没有寄生的z运动的情况下、即共面地进行。这至少适用于以下情况：第二硅功能层20的层厚度和第四硅功能层40的层厚度非常相似。优选地，第二和第四硅功能层20、40的层厚度相差最大50％、优选最大25％。这尤其也在使用附加空心质量36用于z加速度传感器时适用。该配置因此对于转速传感器(或者通常运动的振荡质量)可以视为是特别优选的。

此外，特别优选的是，选择第三硅功能层的层厚度大于8μm、例如是10-50μm，而第二和第四硅功能层的层厚度可以同时选择得明显更小。由此，有利地，一方面能够实现特别抗弯的空心质量，此外能够实现空心质量和填充质量之间的大的质量差，最后能够在第三硅功能层中实现刚性的弹簧，其中，该弹簧的z坐标与空心质量的质量重心重合并且因此在共面运动时避免寄生的z运动分量。

在下面详细说明的表面微机械工艺用可以被用作在这里所提出的弹簧几何形状的制造方法，在所述表面微机械工艺中，使用优选由多晶硅构成的四个硅功能层10、20、30和40。在图10中，在子步骤中或者在子附图a)至j)中示出工艺顺序，具体而言仅示出用于要形成的附加空心质量36的子区域的工艺顺序。

在子步骤a)中，基底1设置第一氧化层2、第一硅功能层10和第二氧化层3。

在子步骤b)中，第二硅功能层20被沉积到第二氧化层3上并且借助细沟槽被结构化。

在子步骤c)中，第三氧化层4被沉积，该第三氧化层在上方又封闭所述沟槽。接下来进行其它工艺步骤，然而，这些工艺步骤在所示的空心质量的区域中不具有可见的效果，因此未在附图中示出，所述其它工艺步骤即，打开具有细狭缝第三氧化层4和接下来通过细的氧化开口对第二硅功能层20(优选借助各向同性的SF₆或者XeF₂蚀刻)进行蚀刻步骤。

在子步骤d)中，另一氧化层5被沉积，由此封闭在第三氧化层4中的所有细开口。在此，本方法的优点在于，能够清除第二硅功能层20的宽的区域，而不在氧化层5的表面上留下值得注意的拓扑结构，如例如由DE 10 2011 080 978 A1已知的那样。随后，第四氧化层5与第三氧化层4一起被结构化，以便能够实现第二硅功能层20和第三硅功能层30之间的接触。

在子步骤e)中，第三硅功能层30被沉积并且通过细的沟槽(英文：trenches)被结构化。

在子步骤f)中，第五氧化层6被沉积并且在第五氧化层6中施加小开口。

在子步骤g)中的优选构造为各向同性的SF₆或者XeF₂蚀刻的蚀刻步骤中，移除第三硅功能层30中的牺牲硅区域。

在子步骤h)中示出，借助另一氧化层7再次封闭第五氧化层6中的开口。

随后，第七氧化层7与第六氧化层6一起被结构化，以便提供第三硅功能层30和第四硅功能层40之间的电接触。

在子步骤i)中，第四硅功能层40被沉积并且被结构化。

在子步骤j)中示出，通过氧化蚀刻、优选借助气态HF来移除全部牺牲氧化物6、7并且露出传感器结构。

结果，借助图10的子步骤a)至j)形成在第二和第四硅功能层20、40中具有穿孔的附加空心质量36。

在所提出的方法中存在以下可能性：第三硅功能层30的大的区域被清除并且仍然被(仅略微穿孔的)第四硅功能层40几乎完全覆盖。

例如，第二硅功能层20和第四硅功能层40的占据面积与第三硅功能层30的占据面积的比例可以明显大于三，其中，也可以考虑比例为十。这通过在所述硅功能层中由蚀刻技术决定的穿孔来实现，所述穿孔至少局部地在第二和第四硅功能层20、40中构成总占据面积的约10％至约20％，在第三硅功能层30中构成总占据面积的约80％至约90％。

图11示出原则上用于制造所提出的微机械结构元件100的方法的流程。

在步骤200中，提供构造在第二和第三硅功能层20、30中的可运动的振动质量。

在步骤210中，在第二和第三硅功能层20、30中构造空心体36，该空心体具有构造在第四硅功能层40中的覆盖元件。

尽管在上文中根据具体的实施例(尤其加速度传感器和转速传感器)说明了本发明，但本领域技术人员也能够实现在上文中未公开的或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。尤其可以考虑将本发明用于其它微机械结构元件，如例如谐振器、微镜或者洛伦兹磁力计(Lorentz-Magnetometer)。

Claims (11)

1.一种微机械结构元件(100)，所述微机械结构元件具有构造在第二硅功能层和第三硅功能层(20、30)中的能够运动的振动质量，其中，在所述第二硅功能层和所述第三硅功能层(20、30)中构造有空心体(36)，所述空心体具有构造在第四硅功能层(40)中的覆盖元件。

2.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，附加地在第一硅功能层(10)中构造有第一电极(11、12)，其中，所述振动质量能够与所述第一电极在功能上共同作用。

3.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，附加地在所述第二硅功能层、所述第三硅功能层或所述第四硅功能层(20、30、40)中构造有第二电极(31、32)。

4.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第二硅功能层、所述第三硅功能层和所述第四硅功能层(20、30、40)的厚度大于约1μm。

5.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第三硅功能层(30)的厚度大于8μm。

6.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第三硅功能层(30)的厚度至少是所述第二硅功能层和所述第四硅功能层(20、40)的厚度的两倍。

7.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第二硅功能层和所述第四硅功能层(20、40)的层厚度被限定得相似。

8.根据权利要求7所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第二硅功能层和所述第四硅功能层(20、40)的层厚度相差最大50％、优选最大25％。

9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述第二硅功能层和所述第四硅功能层(20、40)的占据面积与所述第三硅功能层(30)之间的比例至少局部地是在三至十之间、优选是五。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述微机械结构元件是加速度传感器或转速传感器。

11.一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，所述方法具有以下步骤：

-提供构造在第二硅功能层和第三硅功能层(20、30)中的能够运动的振动质量，其中，

-在所述第二硅功能层和所述第三硅功能层(20、30)中构造空心体(36)，所述空心体具有构造在第四硅功能层(40)中的覆盖元件。

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