CN111587301A - 用于制造微机械层结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造微机械层结构的方法，包括以下步骤：‑提供第一保护层，其中，第一保护层结构化有至少一个进口，该进口填充以牺牲层材料，‑将包括至少一个功能层的功能层‑层结构施加到第一保护层上，‑在功能层‑层结构中通向第一保护层的至少一个进口地制造第一进口，使得在功能层‑层结构中的第一进口的宽度在功能层‑层结构的层的至少一个层中大于或等于第一保护层的至少一个进口的宽度，‑将第二保护层施加到功能层‑层结构上，使得第一进口填充以第二保护层的材料，‑使第二保护层和填充的第一进口结构化有通向第一保护层的第二进口，其中，第二进口具有等于或小于第一进口的宽度，使得在第二进口的宽度较小的情况下第二进口的壁通过第二保护层的材料形成，‑移除至少在第一保护层的进口中的牺牲层材料，并且‑移除至少在第二进口中的保护层材料。

Description

用于制造微机械层结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造微机械层结构的方法。
本发明还涉及一种微机械层结构。
虽然本发明通常可以应用于任意的微机械层结构，但本发明参照呈具有压阻功能层的共振器的形式的微机械层结构进行描述。
背景技术
微机械共振器例如作为节拍器使用在钟表中或者也使用在高时钟驱动的电子通信器具中，例如用于WiFi、蓝牙、NFC或类似物。为了制造这种共振器，制造微机械层结构，尤其使这些微机械层结构结构化并且施加牺牲层，所述牺牲层之后又被移除。为了移除牺牲层，经常使用气相蚀刻方法。
微机械共振器的品质由相应的RC元件的电阻确定。在这里，所述品质影响微机械共振器的精度和电流消耗。电流消耗越小，共振器的品质越高。在这里，RC元件的电阻由电极和供应导线组成，其中，对于电极例如使用钨，以便实现较小的电阻，这能够实现共振器的小的电流消耗和高的品质。
发明内容
在实施方式中，本发明提供一种用于制造微机械层结构的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一保护层，其中，第一保护层结构化有至少一个进口，该进口填充以牺牲层材料，
-将包括至少一个功能层的功能层-层结构施加到第一保护层上，
-在功能层-层结构中通向第一保护层的所述至少一个进口地制造第一进口，使得在功能层-层结构中的第一进口在功能层-层结构的层的至少一个层中的宽度大于或等于第一保护层的所述至少一个进口的宽度，
-将第二保护层这样施加到功能层-层结构上，使得第一进口填充以第二保护层的材料，
-使第二保护层和填充的第一进口结构化有通向第一保护层的第二进口，其中，第二进口具有等于或小于第一进口的宽度，使得在第二进口宽度较小的情况下第二进口的壁通过第二保护层的材料形成，
-移除至少在第一保护层的进口中的牺牲层材料，并且，
-移除至少在第二进口中的保护层材料。
在另外的实施方式中，本发明提供一种通过根据权利要求1-10中任一项所述的方法制造的微机械层结构，该微机械层结构包括：尤其包含硅的第一保护层；布置在第一保护层上的功能层-层结构，包括至少一个功能层、尤其是压电层；布置在功能层-层结构上的、尤其包含硅的第二保护层，其中，布置有至少一个进口，该进口沿垂直方向延伸穿过功能层-层结构和保护层以用于露出微机械层结构的部件。
在说明书中、优选在权利要求书中，概念“保护层”尤其理解为以下层，该层的材料相对于至少一个蚀刻方法、尤其是气相蚀刻方法是不敏感的。在此，保护层可以由硅制造并且用作为用于接触功能层的电极层。换言之，概念“保护层”同样理解为电极、导体轨或类似物。
在说明书中、优选在权利要求书中，概念“进口”尤其理解为在相应层中的呈孔、沟槽、垂直通道、缝隙、开口或中断部或者类似物的形式的结构化部，该进口能够实现与一个或多个位于其下方的层和/或进口的流体连接。
由此实现的优点中的一个优点是，通过保护层保护功能层免受由于另外的侵蚀性的过程步骤、尤其是以氟化氢的气相蚀刻的不利影响。另一优点是，保护用于实施之后的制造步骤的过程设施免受由于功能层的材料的污染。例如在约1000℃时进行外延硅的沉积，或者在约600-800°时进行共晶硅和二氧化硅的沉积，使得在这里由于高温实现功能层的材料析出，这污染了过程设施。通过施加保护层，不再需要针对该污染过程的单个过程设施，使得避免明显的额外费用。同样地，取消过程设施的费事的成本密集的清洁和重新校准。另外的优点是，相应的保护层由硅制造，使得该层可以同时用作为电极或用于功能层的电接触的电供应导线。另外的优点是，当尤其可以使用含金属的压电材料时，可以制造更好的共振器、即具有更高品质的共振器。
作为用于功能层的材料例如可以使用
-氮化铝，
-锆钛酸铅(Bleizirkontitanat)，和/或
-钪掺杂的氮化铝。
作为用于包括金属或金属化合物或至少部分由其制造的电极层/导体轨的材料例如可以使用：
-钨，
-硅化钨，
-钛，
-氮化钛，
-硅化钛，
-铂，
-钯，
-铜，
-钽，
-钼，
-硅化钽或类似物。
本发明的其他特征、优点和另外的实施方式在下面描述或也可以由此公开。
根据有利的扩展方案，在所述保护层的至少一个保护层的进口中沿横向方向移除保护层材料。由此优点是，能够实现限定的露出。此外，提高灵活性，因为在功能层-层结构中的功能层也可以借助于进口以不同的宽度露出并且这样可以不仅垂直地、而且横向地移除之前施加的保护层。
根据另外的有利的扩展方案，借助于气相蚀刻实现牺牲层材料和/或保护层材料的移除。由此优点是，尤其可以采用可靠的和已知的方法来移除牺牲层。
根据另外的有利的扩展方案，基于氟化氢实现牺牲层材料的移除，和/或，基于卤素氟化物实现保护层材料的移除。由此优点是，可以借助于不同的蚀刻物质有针对性地或选择性地移除牺牲层材料和/或保护层材料，而不进行相应的另外的材料的不期望的剥除。
根据另外的有利的扩展方案，功能层-层结构的施加包括以下步骤：
-将功能层施加到第一保护层上，
-将电极层施加到所施加的功能层上，该电极层至少部分地包括金属和/或金属化合物、尤其是金属氮化物和/或金属硅化物。
对于该电极层尤其使用高导电性的金属。由此优点是，由此一方面通常提高灵活性，因为多个层可以布置在功能层-层结构中，另一方面能够实现功能层借助于电极层的改善的、即较低欧姆的接触，该电极层至少部分地包含金属和/或金属化合物，例如由金属、金属氮化物或金属硅化物制造。在此，功能层的接触既可以通过至少部分地包含金属和/或金属化合物的电极层实现，也可以通过由硅制成的保护层实现。整体上，用于功能层的接触的、既在电极中也在供应导线中的电阻下降。
根据另外的有利的扩展方案，在电极层中的第一进口制造有以下宽度，该宽度大于或等于位于其下的功能层的第一进口的宽度。由此能够以简单的方式在制造方法的进一步进程中在电极层的区域中沿横向方向涂覆保护层，该保护层随后沿横向方向保护电极层。
根据另外的有利的扩展方案，在施加电极层之前将中间保护层施加在功能层上。以该方式例如可以防止，两个层、一侧的功能层和另一侧的、至少部分地包含金属和/或金属化合物的电极层的材料沿垂直方向相互反应。为此的示例是由氮化铝制造的功能层和由钨制造的电极层。
根据另外的有利的扩展方案，在电极层的第一进口中的保护层材料在进口的上部区域中完全地移除，在下部区域中沿横向方向仅部分地移除。由此实现的优点中的一个优点是，由此可以更好地防止所述层、一侧的功能层和另一侧的电极层的材料的反应。
根据另外的有利的扩展方案，在第一保护层上方的不同层中的进口以不同宽度制造，其中，第一进口的宽度尤其逐层地从上向下减小。以该方式，例如可以从上向下保留在相应层中的横向的保护层，使得该保护层在相应的后续过程中、例如移除牺牲层时受保护。
根据另外的有利的扩展方案，在施加第二保护层之前沉积牺牲层材料以用于封闭第一进口，和/或，在结构化第二保护层之后沉积牺牲层材料以用于封闭第二进口。在施加牺牲层材料之后，该牺牲层材料尤其还可以被结构化。由此优点是，能够实现微机械层结构的简单制造。同样地，可以在之前在第一保护层下面将牺牲层材料沉积在衬底或类似物上。
根据微机械层结构的有利的扩展方案，在功能层下方和/或上方的保护层中的进口具有比在功能层中更大的宽度。以该方式，能够实现尽可能大的露出，例如通过由功能层的露出形成的共振器。
根据另外的有利的扩展方案，电极层布置在功能层上方，该电极层至少部分地包含金属和/或金属化合物。由此能够在电阻小的情况下实现简单的和可靠的接触。
根据另外的有利的扩展方案，在电极层中的进口的宽度大于或等于在功能层中的进口的宽度。以该方式，例如能够以更简单的方式使电极层沿横向方向在电极层内部设有保护层材料，而由此在整体上减小在第一保护层上方的层中的所有进口的最小宽度。
根据另外的有利的扩展方案，在功能层和电极层之间布置有中间保护层并且在中间保护层的区域中的进口具有大于两个相邻层的至少一个层的宽度。中间保护层能够实现两个层在结构上的分离并且防止两个相邻层的材料在微机械层结构的制造过程期间相互反应。
根据另外的有利的扩展方案，所述保护层的至少一个保护层部分地布置在所述功能层的至少一个功能层中的进口中，其中，该保护层尤其仅布置在相应功能层的进口的下部区域中。由此优点是，电极层除了其与功能层的垂直分离之外也部分地沿横向方向设有保护层，这能够实现功能层-层结构的露出区域的特别稳固的构造。
本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、附图和参照附图的配属的附图描述得出。
当然，前面提到的和下面还要阐明的特征不仅能够以相应说明的组合、而且也以另外的组合或单独地使用，而不偏离本发明的框架。
本发明的优选的实施方案和实施方式在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐释，其中，相同的附图标记表明相同的或类似的或功能相同的构件或元件。
附图说明
图1a-g示出根据本发明的实施方式的方法的步骤。
图2以横截面示出根据本发明的实施方式的微机械层结构的一部分。
图3a-c分别以横截面示出根据本发明的另外的实施方式的微机械层结构。
图3d-e以横截面示出在根据本发明的实施方式的方法的步骤之后的微机械层结构。
图4a-4b以横截面示出在根据本发明的实施方式的方法的步骤之后的微机械层结构。
图5以横截面示出根据本发明的实施方式的微机械层结构。
具体实施方式
图1a-1g以横截面示出根据本发明的实施方式的方法的步骤。
在图1a中以横截面示出微机械层结构10，该微机械层结构从下向上首先具有衬底1。在衬底1上施加有例如由二氧化硅制成的牺牲层2。在牺牲层2上施加有例如由硅制成的下电极层3，该下电极层结构化有两个通向牺牲层2的进口100并且以牺牲层材料填充。在下电极层3的上侧上布置有例如由氮化铝制成的压电层4，该压电层结构化有两个进口101，所述进口的宽度大于下电极层3的进口100的宽度。然而宽度也可以是相同的。在压电层4上布置有例如由硅制成的上电极层5，该上电极层的材料同样布置在压电层4的进口101中。进口101布置在下电极层3的相应进口100上方。在此，进口100、101这样设立，使得实现微机械层结构的部件的露出以用于形成微机械元件、这里是共振器200。
图1b基本上示出根据图1a的微机械层结构10。不同于根据图1a的微机械层结构10，在根据图1b的微机械层结构10中制造有穿过压电层4和上电极层5的两个第二进口102以用于通向进口100、101，其中，进口100填充以牺牲层材料。但第二进口102的直径具有以下宽度，该宽度小于压电层4的位于该第二进口下方的进口101的宽度，使得压电层4在上方完全地并且在侧面在进口101的区域中由上电极层5的材料围绕。
图1c基本上示出根据图1b的微机械层结构10。不同于根据图1b的微机械层结构10，在根据图1c的微机械层结构10中在上电极层5上施加有牺牲层6，该牺牲层一方面是结构化的(附图标记6a)，另一方面通过将牺牲层6或牺牲层6的材料施加到第二进口102中位于上电极层5和压电层4的区域中。
图1d基本上示出根据图1c的微机械层结构10。不同于根据图1c的微机械层结构10，在根据图1d的微机械层结构10中在牺牲层6上布置有封闭盖层7，该封闭盖层例如由硅组成。封闭盖层7的材料同样布置在结构化的牺牲层6的结构6a中。
图1e基本上示出根据图1d的微机械层结构10。不同于根据图1d的微机械层结构10，在根据图1e的微机械层结构10中在封闭盖层7中布置有用于通向牺牲层6的进口7a。
图1f基本上示出根据图1e的微机械层结构10。不同于根据图1e的微机械层结构10，在根据图1f的微机械层结构10中借助于针对二氧化硅敏感的气相蚀刻方法、例如借助于氟化氢50移除在进口100、101和102中的以及本身部分在牺牲层2、6中的牺牲层材料。借助于上保护层5的施加的材料，所述材料也布置在压电层4的进口101中，该压电层在横向方向上、即在进口100、101、102的区域中针对与蚀刻气体的反应受保护。
图1g基本上示出根据图1f的微机械层结构10。不同于根据图1f的微机械层结构10，在根据图1g的微机械层结构10中，借助于针对保护层材料敏感的气相蚀刻方法、例如基于用于移除硅的卤素氟化物51部分地移除在进口100、101、102中和在进口7a中的保护层材料，使得压电层4在横向上不再由保护层材料保护。在相应长的作用持续时间中，也在横向方向上从下保护层和上保护层3、5移除小部分，使得所制造的共振器200的功能层4的一部分在横向方向上超过两个保护层3、5伸出。换言之，共振器200的压电层4具有大于该共振器的露出的下保护层和上保护层3、5的宽度。在这里，两个保护层3、5用于接触功能层4并且是导电的。
图2以横截面示出根据本发明的实施方式的微机械层结构的一部分。
图2基本上示出根据图1d的微机械层结构10。不同于根据图1d的微机械层结构10，在根据图2的微机械层结构10中布置有例如由金属或金属硅化物制造的电极层4’。在两个层4、4’之间布置有保护层5。此外，电极层4’设有与第一功能层4的进口101相对应的进口103。同样相应地适用于上保护层5。该上保护层具有与两个层4、4’相对应的进口102。在这里，所有的进口100、101、102和103具有相同的宽度并且以牺牲层2或牺牲层6的牺牲层材料填充。以该方式，可以通过保护层5防止电极层和功能层4、4’之间的反应。此外，通过相应的工序在高温时相应地在大范围中防止通过保护层5的气体析出。
图3a-c分别以横截面示出根据本发明的另外的实施方式的微机械层结构。
图3a基本上示出根据图1f的微机械层结构10。不同于根据图1f的微机械层结构10，在根据图3a的微机械层结构10中，替代于仅一个功能层4，功能层4和电极层4’直接彼此相叠地布置，其中，第二保护层5施加在电极层4’上。电极层4’由金属制造。此外，在图3a中缺少在进口101、103中的横向的保护层。但保护层5同样用作为垂直的保护层并且防止，在借助于针对牺牲层材料敏感的气相蚀刻方法50移除牺牲层材料时在气相蚀刻方法期间沿垂直方向侵蚀压电层4。
图3b基本上示出根据图3a的微机械层结构10。不同于根据图3a的微机械层结构10，在根据图3b的微机械层结构10中，在电极层4’中的进口102的宽度大于在功能层4中的进口101：在电极层4’的进口102中也如在电极层4’上那样布置有保护层材料。
图3c基本上示出根据图3b的微机械层结构10。不同于根据图3b的微机械层结构10，在根据图3c的微机械层结构10中，在电极层4’中的进口102的宽度等于在功能层4中的进口101。在两个层4、4’中的进口101、102具有大于下保护层3的进口100的宽度，使得两个层4、4’在要制造的共振器200的区域中在移除牺牲层材料时相对于该牺牲层材料在所有方向上受保护。
图3d和3e以横截面示出在根据本发明的实施方式的方法的步骤之后的微机械层结构。
图3d基本上示出根据图3c的微机械层结构10。不同于根据图3c的微机械层结构10，在根据图3d的微机械层结构10中，在功能层和电极层4、4’之间布置有保护层5’。由此，两个层4、4’整体上在要制造的共振器200的区域中在移除牺牲层材料时分别完全由保护层材料围绕。
图3e基本上示出在使用用于移除保护层材料的气相蚀刻方法之后的根据图3d的微机械层结构10。基本上，功能层和电极层4、4’在横向方面并且电极层4’也在其上侧上从保护层材料露出。
图4a至4b以横截面示出在根据本发明的实施方式的方法的步骤之后的微机械层结构。
图4a基本上示出根据图3b的微机械层结构10。不同于根据图3b的微机械层结构10，在根据图4a的微机械层结构10中，一方面在功能层和电极层4、4’之间布置有保护层5，使得电极层4’不具有布置在上方的保护层。另一方面，在上电极层4’中的进口103的宽度大于在功能层4中的相应进口101地实施。此外，在移除电极层4’的进口103中的保护层材料时在进口103的下部区域中在横向方向上不移除该保护层材料。因此，在图4a中，在横截面中电极层4’的露出区域在共振器200的区域中由保护层材料U形地围绕。在背离共振器200的一侧上，电极层4’由保护层材料以保护层5和进口103中的相应垂直的延伸部的形式基本上L形地围绕。
图4b基本上示出根据图3e的微机械层结构10。不同于根据图3e的微机械层结构10，在根据图4b的微机械层结构10中，在电极层4’和牺牲层6之间布置有另外的保护层5’。在移除保护层材料时，仅在进口102、104的区域中在横向方向上移除该另外的保护层。换言之，在图4b中与保护层5相对应地构造或布置所述另外的保护层5’。
图5示出根据本发明的实施方式的微机械层结构。
在图5中示出完整制造的、具有共振器200的微机械层结构10。在此，共振器200通过沿着电路径90首先从右向左水平走向的金属电极8电接触，该金属电极进一步沿垂直方向继续(附图标记8a)并且与上保护层5连接。在金属导体轨30的区域中电阻是小的。电路径90在保护层5内部以高电阻31走向直至共振器200。如在图4a中示出，可以改善功能层4借助于由金属制成的电极层4’沿水平方向的接触。如果保护层5同样导电地构造，那么该保护层(虽然该保护层的电阻相比于金属电极较高)几乎不对共振器200的接触的总电阻做出贡献。
总结而言，实施方式中的至少一个实施方式具有下列优点中的至少一个优点：
-保护功能层免受后处理、如气相蚀刻、加热过程等的侵蚀性影响。
-防止在不同层之间、尤其在压电层和金属的或由金属硅化物制造的电极层之间的反应或扩散。
-保护用于之后的过程步骤的过程设施免受通过压阻层、金属或金属硅化物的材料的污染。
虽然已经参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式改型。

Claims (16)

1.用于制造微机械层结构的方法(10)，包括以下步骤：
-提供第一保护层(3)，其中，所述第一保护层(3)结构化有至少一个进口(100)，该进口填充以牺牲层材料，
-将包括至少一个功能层(4)的功能层-层结构(4、4’)施加到所述第一保护层(3)上，
-在所述功能层-层结构(4、4’)中通向所述第一保护层(3)的所述至少一个进口(100)地制造第一进口(101)，使得在所述功能层-层结构(4、4’)中的所述第一进口(101)在所述功能层-层结构的层(4、4’)的至少一个层中的宽度大于或等于所述第一保护层(3)的所述至少一个进口(100)的宽度，
-将第二保护层(5)施加到所述功能层-层结构(4、4’)上，使得所述第一进口(101)填充以所述第二保护层(5)的材料，
-使所述第二保护层(5)和填充的所述第一进口(101)结构化有通向所述第一保护层(3)的第二进口(102)，其中，所述第二进口(102)具有等于或小于所述第一进口(101)的宽度，使得在所述第二进口(102)的宽度较小的情况下所述第二进口(102)的壁通过所述第二保护层(5)的材料形成，
-移除至少在所述第一保护层(3)的进口(100)中的牺牲层材料，并且
-移除至少在所述第二进口(102)中的保护层材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述保护层(3、5)的至少一个保护层中的进口(100、101、102)中沿横向方向移除保护层材料。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述牺牲层材料和/或所述保护层材料的移除借助于气相蚀刻实现。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述牺牲层材料的移除基于氟化氢实现，和/或，所述保护层材料的移除基于卤素氟化物实现。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述功能层-层结构(4、4’)的施加包括以下步骤：
-将功能层(4)施加到所述第一保护层(3)上
-将电极层(4’)施加到施加的所述功能层(4)上，该电极层至少部分地包含金属和/或金属化合物、尤其是金属氮化物和/或金属硅化物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述电极层(4’)中的第一进口(103)制造有以下宽度，该宽度大于或等于位于该电极层下方的所述功能层(4)的所述第一进口(101)的宽度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在施加所述电极层(4’)之前在所述功能层(4)上施加中间保护层(5、5’)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述电极层(4’)中的所述第一进口(103)中的保护层材料在所述进口的上部区域中在横向上完全被移除，在下部区域中沿横向方向仅部分被移除。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其中，在所述第一保护层(3)上方的不同层(4、4’)中的进口(101、103)制造有不同的宽度，其中，所述第一进口(101、102、103)的宽度尤其逐层地从上向下减小。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，在施加所述第二保护层(5)之前沉积牺牲层材料以用于封闭所述第一进口(101)，和/或，在结构化所述第二保护层(5)之后沉积牺牲层材料以用于封闭所述第二进口(102)。
11.微机械层结构(10)，通过根据权利要求1-10中任一项所述的方法制造，所述微机械层结构包括：
尤其包含硅的第一保护层(3)，
布置在所述第一保护层(3)上的功能层-层结构(4、4’)，包括至少一个功能层、尤其是压电层，
布置在所述功能层-层结构(4、4’)上的、尤其包含硅的第二保护层(5)，其中，布置有至少一个进口(100、101、102、103、104)，该进口沿垂直方向延伸穿过功能层-层结构(4、4’)和保护层(3、5)以用于露出所述微机械层结构(10)的部件(200)。
12.根据权利要求11所述的微机械层结构，其中，在所述功能层(4、4’)下方和/或上方的保护层(3、5、5’)中的进口具有大于在所述功能层(4、4’)中的进口的宽度。
13.根据权利要求11所述的微机械层结构，其中，在所述功能层-层结构(4、4’)中在所述功能层(4)上方布置有电极层(4’)，该电极层至少部分地包含金属和/或金属化合物。
14.根据权利要求13所述的微机械层结构，其中，在所述电极层(4’)中的进口(103)的宽度大于或等于在所述功能层(4)的材料中的进口(101)的宽度。
15.根据权利要求13或14所述的微机械层结构，其中，在功能层(4)和电极层(4’)之间布置有中间保护层(5、5’)并且在所述中间保护层(5、5’)的区域中的进口(104)具有大于两个功能层(4、4’)的至少一个功能层的宽度。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的微机械层结构，其中，所述保护层(3、5、5’)的至少一个保护层部分地布置在所述功能层-层结构(4、4’)的层(4、4’)的至少一个层中的进口(101、103)中，其中，该保护层尤其仅布置在所述功能层-层结构(4、4’)的相应层中的进口(101、103)的下部区域中。
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