CN113195402A - 用于封闭mems元件中的进口部的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于封闭MEMS元件中的进口部的方法，该方法包括下述步骤：‑提供具有功能区域的功能层，‑借助于在功能层的功能区域之外的第一进口部在功能层的功能区域的下方制造空腔，‑封闭第一进口部，‑在功能层的功能区域之外制造通向空腔的第二进口部，‑熔化在第二进口部的区域中的封闭材料，和‑冷却已熔化的封闭材料，用以封闭第二进口部。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于封闭MEMS元件中的进口部的方法。
此外，本发明还涉及一种MEMS元件。
虽然本发明一般能够应用到任意的MEMS元件上，但是根据呈MEMS麦克风或者MEMS压力传感器的形式的、具有柔性的膜片和限定的空腔内压的MEMS传感器来阐述本发明。
在已知的MEMS传感器、例如MEMS压力传感器或者MEMS麦克风中，构造至少一个空腔，所述至少一个空腔被至少一个柔性的膜片遮盖。例如，通过两个电极之间的电容变化来探测该柔性的膜片的与压力有关的、尤其与环境压力有关的偏移变化，其中，柔性的膜片能够是第一电极，并且第二电极能够是固定的或者说刚性的对应电极。另外，在制造MEMS压力传感器时，为了露出膜片，需要蚀刻进口部，以便能够使膜片在整体上露出。为了能够在此在膜片的下方产生的空腔中提供限定的内压，必须在另外的过程步骤中再次封闭这些开口。
背景技术
由DE 10 2015 224 520 A1已知一种用于制造微机械结构元件的方法，该微机械结构元件具有衬底和与衬底连接并且与衬底包围第一空腔的罩，其中，在基本上平行于衬底的主延伸平面走向的并且布置在进入开口的基本上垂直于主延伸平面构造的区域的背离第一空腔的一侧上的第一平面和基本上平行于衬底的主延伸平面走向的并且布置在进入开口的基本上垂直于主延伸平面构造的区域的面向第一空腔的一侧上的第二平面之间，进入开口通过衬底的或者罩的在一个方法步骤中过渡到液态聚集态的材料区域基本上完全被填充。
由DE 10 2015 224 506 A1已知一种用于制造微机械结构元件的方法，该微机械结构元件具有衬底和与衬底连接并且与衬底包围第一空腔的罩，其中，在第一空腔中存在第一压力并且包含具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，
-在第一方法步骤中，在衬底中或者在罩中构造连接第一空腔与微机械结构元件的环境的进入开口，其中，
-在第二方法步骤中，设定在第一空腔中的第一压力和/或第一化学组分，其中，
-在第三方法步骤中，通过借助于激光将能量或者热量引入到衬底的或者罩的吸收部分中来封闭进入开口，其中，借助于通过激光产生的激光辐射至少部分地在第三方法步骤期间激活在第三方法步骤之前引入到第一空腔中的吸气剂。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供一种用于封闭MEMS元件中的进口部的方法，其包括下述步骤：
-提供具有功能区域的功能层，
-借助于在功能层的功能区域之外的第一进口部在功能层的功能区域的下方制造空腔，
-封闭第一进口部，
-在功能层的功能区域之外制造通向空腔的第二进口部，
-熔化在第二进口部的区域中的封闭材料，和
-冷却已熔化的封闭材料，用以封闭第二进口部。
在另一种实施方式中，本发明提供一种具有功能层的MEMS元件，其中，在功能层的功能区域的下方布置有空腔，该空腔具有至少两个已封闭的进口部，所述进口部布置在功能层的功能区域之外，并且其中，通过熔化在至少一个进口部中的封闭材料并且随后冷却已熔化的材料来封闭两个进口部中的至少一个进口部。
由此实现的优点中的一个优点是，功能区域中的功能层的性能不通过尤其是蚀刻进口部和/或通风进口部或者排气进口部的封闭而改变。另一个优点是，不需要在功能区域中布置进口部，因此不损伤功能区域。由于不需要在功能层的功能区域中布置附加的和/或不同的材料，因此在功能区域中对于功能层而言并且由此对于MEMS元件的运行而言还产生下述优点：
-统一的热膨胀
-统一的机械性能
-统一的层厚度。
另一个优点是高度的灵活性，因为两个进口部能够以任意的布置或者说构造布置在功能区域之外。同样不需要通过进口部中的一个进口部完全地或部分地限界功能层的功能区域。换言之，功能区域的构造和布置与进口部的布置无关。
在下文中，描述或者由此能够公开本发明的其他特征、优点和其他实施方式。
根据一种有利的扩展方案，借助于激光束来熔化布置在第二进口部的区域中的封闭材料和/或借助于激光束使待熔化的封闭材料运动到第二进口部的区域中。这样做的优点在于，通过简单且同时极其可靠的方式能够局部地限界所述熔化，并且因此能够避免对功能区域中的功能层的不利影响。如果借助于激光束使待熔化的封闭材料运动到第二进口部的区域中，则由此也能够首先将封闭材料布置在第二进口部的直通的(direkt)区域之外，然后借助于激光束使该封闭材料运动至第二进口部，用以封闭该第二进口部。因此，不需要昂贵地且准确地将封闭材料直接布置在第二进口部的区域中。
根据另一种有利的扩展方案，有针对性地施加附加的封闭材料作为在第二进口部的区域中的封闭材料。这样做的优点在于，在选择用于封闭进口部的材料时提高灵活性，因为例如不必利用已经存在于进入区域中的封闭材料。这样做的另一个优点在于，由此可以选择能够实现封闭材料和在进口部的区域中的环境材料的特别可靠的连接的封闭材料。
根据另一种有利的扩展方案，用于熔化的封闭材料仅以第二进口部的环境的环境材料的形式提供。这样做的优点在于，由此在第二进口部的区域中不需要另外的和/或外来的材料。
根据另一种有利的扩展方案，借助于激光束使待熔化的封闭材料运动到第二进口部的区域中。因此，也能够首先将封闭材料布置在第二进口部的直通的区域之外，然后借助于激光束使该封闭材料运动至第二进口部，用以封闭该第二进口部。因此，不需要昂贵地且准确地将封闭材料直接布置在第二进口部的区域中。
根据另一种有利的扩展方案，封闭材料以绝缘材料的形式提供，其中，封闭材料尤其被提供为氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。绝缘材料的优点在于，由此不产生不期望的导电连接。另一个优点在于例如在使用由氧化硅、氮化硅和氮氧化硅组成的组合时的高度的灵活性，因为相应的组成部分的数量能够对应地与外部条件匹配。
根据另一种有利的扩展方案，作为封闭材料在第二进口部的区域中布置有用于在熔化时形成共晶体的层系统。通过例如借助激光进行的加热，在熔化过程中形成共晶体，借助该共晶体能够通过简单的方式封闭进口部。例如，这能够是金/硅层系统或者铝/锗层系统。为了构造局部的熔液，能够使用激光以进行局部的加热。同样可设想的是，执行全面加热的方法，因为通过有针对性地选择的层组合能够局部地降低封闭材料的熔点。在此构造的液相、即共晶体在固化之后导致对进口部的可靠的封闭。
根据另一种有利的扩展方案，功能区域作为柔性的膜片被提供。因此，通过简单的方式能够提供特别可靠地工作的MEMS压力传感器或者类似物。
根据另一种有利的扩展方案，在横向方向上从空腔出发在第一进口部之外制造第二进口部，或者，在横向方向上从空腔出发在空腔与第一进口部之间制造第二进口部。在第二进口部布置在第一进口部之外的情况下的优点在于第二进口部的简单的制造。在第二进口部布置在空腔与第一进口部之间的情况下的优点在于两个进口部的紧凑的布置。
根据另一种有利的扩展方案，制造呈至少部分地环绕功能区域的沟槽的形式的第一进口部。这样做的优点在于，通过沟槽结构和其他的横向的蚀刻通道的可选的使用，能够实现在柔性的膜片的下方的空腔的可靠的露出。
根据另一种有利的扩展方案，在第一进口部的封闭区域中制造第二进口部。术语“封闭区域”在此应理解为构造和/或设置用于被封闭的进口部的区域。由此实现的优点中的一个优点是，在第一进口部的封闭部的上方或中的一个区域中制造第二进口部，并且因此第二进口部在无附加的横向通道的情况下经由第一进口部直接与空腔连接。由此进一步实现的优点中的一个优点是，不必制造具有通向空腔的横向的通道结构的单独的完整的进口部，而是能够利用未封闭的区段或者在封闭第一进口部之后能够利用在第一进口部的区域中的有针对性地引入的第二进口部，以便能够实现通向空腔的进口部。
根据另一种有利的扩展方案，构造具有开口的第二进口部，该开口的横向的横截面构造得小于第一进口部的开口的横向的横截面。这样做的优点在于，由此只需要封闭小的进口孔，但是不需要封闭例如完整地环绕柔性的膜片的沟槽。在此，能够任意地选择第二进口部的横向的横截面的形状，这个形状尤其构造为圆形。
根据另一种有利的扩展方案，第二进口部通过第一进口部的开口的未封闭的区段形成和/或通过部分地打开已封闭的第一进口部形成。这样做的优点在于，视预给定的条件而定地灵活地构造第二进口部。
根据另一种有利的扩展方案，第二进口部通过横向的通道并且尤其经由第一进口部与空腔连接。因此，在封闭第一进口部之后，能够在空腔中有针对性地设定限定的空腔内压。换言之，空腔内压与第一进口部的封闭过程无关，而是能够在封闭第二进口部时进行设定。因此，提高灵活性，也就是说，在第一进口部的封闭过程中，对过程参数压力没有限制。因此，用于第一进口部的可能的封闭过程的数量明显更高。如果横向的通道例如不形成在MEMS层构造的最下方的层上，而是例如以与该最下方的层有间距的方式布置，则进一步提高灵活性。由此，例如并且尤其根据层构造和所使用的层材料，能够在层构造的如下平面中实现横向的通道：相应于由结构和过程引起的边缘条件，该横向的通道能够容易集成在该平面中。
根据另一种有利的扩展方案，以与第一进口部相同的方式封闭第二进口部。这能够实现两个进口部的简单且可靠的封闭。
根据另一种有利的扩展方案，在封闭第一进口部之后制造第二进口部，尤其是借助于等离子体蚀刻过程进行制造，在该等离子体蚀刻过程中蚀刻穿通功能层。因此，能够通过简单且快速的方式制造第二进口部，而不损伤柔性的膜片。
由从属权利要求、绘图和与此有关的根据绘图的附图说明得到本发明的其他重要的特征和优点。
显而易见的是，上文提到的和下文待阐述的特征不仅能够按相应给出的组合使用，还能够按其他的组合来使用或者单独使用，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绘图中示出并且在下面的描述中更详细地阐述，其中，相同的附图标记指的是相同的或者类似的或者具有相同功能的构件或者元件。
附图说明
在此示出：
图1根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面；
图2根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面；
图3根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面；
图4根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面；和
图5根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
在图1和图2中分别在左侧在上方示出具有两个进口部的、在封闭第一进口部之后且在封闭第二进口部之前的MEMS元件的俯视图并且在下方示出该MEMS元件的横截面，在右侧在上方示出在封闭第一和第二进口部之后的MEMS元件的俯视图并且在下方示出该MEMS元件的横截面。
图1示出根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面。
详细来说，在图1中示意性示出MEMS元件1，该MEMS元件具有功能层16。功能层16具有功能区域2，该功能区域构造呈测量膜片的形式。在功能层16的下方，其他层12、13、15彼此相叠地布置，使得MEMS元件1整体上具有层构造。在功能区域2的下方布置有空腔4，该空腔中断层13、15并且向下通过层12封闭。在此，层12能够理解为在衬底上的层或者衬底本身，并且例如由硅晶片构成。在此，空腔4经由布置在膜片面之外、即布置在功能区域2之外的、环绕的、尤其是狭缝形的沟槽5与开口11和横向地布置的蚀刻通道9连接，它们一起用作用于空腔4的蚀刻进口部。即，在此，沟槽5与其开口11连同蚀刻通道9一起形成通向空腔4的第一进口部。例如，借助于气相蚀刻方法，能够经由沟槽5的开口11、沟槽5和蚀刻通道9从空腔4中移除牺牲材料。替代地，也能够通过湿化学蚀刻方法从空腔4中移除牺牲材料。
另外，MEMS元件1具有至少一个另外的横向走向的通道6，该通道布置在功能层16的下方且布置在层构造内。在此，横向的通道6与空腔4连接。在图1中，横向走向的通道6布置在层13内部。在已经借助封闭材料3、例如借助于氧化硅封闭环绕的沟槽5的开口11之后，在功能区域2之外的一个区域中施加具有开口8的、通向横向的通道6的竖直的进口部7，使得能够经由横向的通道6、竖直的进口部7和该进口部的开口8对空腔4进行通风或者排气。因此，横向的通道6和具有开口8的竖直的进口部7形成通向空腔4的第二进口部。例如，借助于等离子体蚀刻过程能够实现具有开口8的竖直的进口部7的施加，在该等离子体蚀刻过程中，对应地蚀刻穿通在功能区域2之外的功能层16，以便在竖直方向上建立与掩埋的横向的通道6的连接。在图1中，开口8在横向方向上布置在从空腔4出发的沟槽5的开口11之外。替代地，开口8也能够在横向方向上布置在空腔4与沟槽5的开口11之间。在这里，开口8呈进口孔的形式构造。此外，在功能区域2的下方，例如在功能区域2构造为柔性的膜片的情况下，能够在功能层16上设置加固元件或者类似物(在图1中未示出)，该加固元件用于局部地加固该柔性的膜片。在功能区域2的下方还能够布置其他半导体电路部件和/或MEMS部件(在图1中未示出)，所述其他半导体电路部件和/或MEMS部件用于MEMS元件的功能和运行。另外，通向空腔4的第二进口部6、7、8的开口8能够替代地或者附加地借助氮化硅或者由氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅构成的多层式层系统封闭。为了封闭沟槽5的开口11和/或竖直的进口部7的上部区域或者说开口8，能够使用氧化硅密封物、氮化硅密封物、氮氧化硅密封物、由氧化物层、氮化物层和氮氧化物层的组合构成的密封物，或者也能够使用具有激光源的激光再封装过程，该激光源例如具有在500nm与700nm之间的和/或在900nm与1200nm之间的波长：通过局部地熔化并且随后冷却在竖直的进口部7的开口8的区域中的和/或在沟槽5的开口11的区域中的封闭材料，来密封竖直的进口部7或者说沟槽5。整个功能区域2(在这里在图1中即为整个膜片面)在此能够覆盖有另外的氮化硅层。
图2示出根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面。
在图2中基本上示出根据图1的MEMS元件1。与根据图1的MEMS元件1不同地，在根据图2的MEMS元件1中，在竖直的进口部7的开口8的区域中在功能层16上附加地布置有封闭材料10，该封闭材料例如能够通过借助于激光的熔化和随后的冷却实现对竖直的进口部7的气密封闭。同样可设想的是，在沟槽5的开口11的区域中施加封闭材料10并且例如借助于激光熔化该封闭材料。因此，在随后的冷却之后，也能够提供对沟槽5的气密封闭。
布置在层15上的功能层16能够具有在10nm与500μm之间的厚度，并且能够由多晶硅或者单晶硅制成。优选地，功能层16的厚度能够在100nm与2500nm之间。
图3示出根据本发明的一种实施方式的MEMS元件的俯视图和横截面。
在图3中基本上示出根据图1的MEMS元件1。与根据图1的MEMS元件1不同地，在根据图3的MEMS元件1中，不布置具有横向的通道6的竖直的进口部7，而是将竖直的进口部7施加在布置在沟槽5的上方的功能层16中，用以对空腔4进行通风/排气。然后，对应地再次封闭竖直的进口部7的上部区域或者说进口孔8。
在此，沟槽5在功能层16的下方布置在层13、15中或者说所述层中一个层中，所述层布置在所述功能层的下方。即，如上所述，如果在沟槽5的区域内部例如借助于等离子体蚀刻过程在功能层16中施加至少一个竖直的进口部7，该竖直的进口部从功能层16的表面延伸直到沟槽5中，则该竖直的进口部7一方面能够用于从空腔区域4中移除材料，另一方面用于以限定的方式对空腔4进行通风或者排气。如上文已经描述的那样，对至少一个竖直的进口部7的封闭能够例如通过氧化硅密封物、氮化硅密封物、氮氧化硅密封物、由氧化物层和氮化物层的组合构成的密封物实现，或者也能够通过激光再封装过程实现，在该激光再封装过程中，通过局部地熔化并且随后冷却在竖直的进口部7的上部区域中的或者说在该竖直的进口部的开口8处、上和/或中的材料，能够实现对竖直的进口部7的封闭。在这里又可设想的是，在竖直的进口部7的上部区域中或者说在该竖直的进口部的开口8处、上和/或中在功能层16上施加附加的封闭材料10，以便借助该封闭材料封闭竖直的进口部7。
图4示出根据本发明的实施方式的MEMS元件的横截面。
在图4中在上方和在图4中在下方分别示出根据图1的MEMS元件1。与根据图1的MEMS元件1不同地，在根据图4的MEMS元件1中，用于连接竖直的进口部7和空腔4的相应的横向的通道6从最下方的层12出发在不同的高度上这样构型，使得利用沟槽5的部分区域和与空腔4连接的蚀刻通道9，以便能够实现蚀刻进入和/或对空腔4的通风/排气。换言之，空腔4的制造和/或通风/换气通过蚀刻通道9、沟槽5、与该沟槽连接的通道6和竖直的进口部7和该进口部的开口8来实现。沟槽5本身在功能层16的区域中封闭。
图5示出根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。
在图5中示出用于封闭MEMS元件中的进口部的方法的步骤。在此，该方法包括下述步骤。
在第一步骤S1中，提供具有功能区域的功能层。
此外，在另外的步骤S2中，借助于在功能层的功能区域之外的第一进口部在功能层的功能区域的下方制造空腔。
此外，在另外的步骤S3中，封闭第一进口部。
此外，在另外的步骤S4中，在功能层的功能区域之外制造通向空腔的第二进口部。
此外，在另外的步骤S5中，熔化在第二进口部的区域中的封闭材料。
此外，在另外的步骤S6中，冷却已熔化的封闭材料，用以封闭第二进口部。
综上所述，本发明的实施方式中的至少一个实施方式具有下述优点中的至少一个优点：
·容易且可靠地封闭薄层、尤其是在10nm与500μm之间的范围中的层、尤其是大约2μm的层。
·容易实施。
·成本有利地实施。
·在进口部的布置方面的灵活性更高。
·功能区域的性能不通过封闭而改变。
·在功能区域的区域中无进口部，因此不损伤该功能区域。
·在功能层的功能区域中无附加的和/或不同的材料，因此具有统一的热膨胀和统一的机械性能。
·避免由于封闭过程而引起的、在功能区域中的厚度波动。
·内压设定与第一封闭过程无关。
虽然已根据优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以有利的方式进行修改。因此，例如能够制造多个第二进口部。这些第二进口部能够借助于相同的或者不同的方法来封闭。
Claims (15)
1.用于封闭MEMS元件(1)中的进口部的方法(5、9、11；6、7、8)，
所述方法包括下述步骤：
-提供(S1)具有功能区域(2)的功能层(16)，
-借助于在所述功能层(16)的所述功能区域(2)之外的第一进口部(5、9、11)在所述功能层(16)的所述功能区域(2)的下方制造(S2)空腔(4)，
-封闭(S3)所述第一进口部(5、9、11)，
-在所述功能层(16)的所述功能区域(2)之外制造通向所述空腔(4)的第二进口部(6、7、8)，
-熔化(S5)在所述第二进口部(6、7、8)的区域中的封闭材料(10、16)，和
-冷却(S6)已熔化的封闭材料(10、16)，用以封闭所述第二进口部(6、7、8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于激光束来熔化布置在所述第二进口部(6、7、8)的区域中的封闭材料(10、16)和/或借助于激光束使待熔化的封闭材料(10、16)运动到所述第二进口部(6、7、8)的区域中。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，有针对性地施加附加的封闭材料(10)作为在所述第二进口部(6、7、8)的区域中的封闭材料(10、16)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，用于熔化的封闭材料(10、16)仅以所述第二进口部(6、7、8)的环境的环境材料的形式提供。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述封闭材料(10、16)以绝缘材料的形式提供，其中，所述封闭材料(10、16)尤其被提供为氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，作为封闭材料(10、16)在所述进口部(6、7、8)的区域中布置有用于在熔化时形成共晶体的层系统。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在横向方向上从所述空腔(4)出发在所述第一进口部(5、9、11)之外制造所述第二进口部(6、7、8)，或者其中，在横向方向上从所述空腔(4)出发在所述空腔(4)与第一进口部(5、9、11)之间制造所述第二进口部(6、7、8)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述第一进口部(5、9、11)制造有至少部分地环绕所述功能区域(2)的沟槽(5)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在所述第一进口部(5、9、11)的封闭区域中制造所述第二进口部(6、7、8)，使得所述第二进口部(6、7、8)经由所述第一进口部(5、9、11)与所述空腔(4)连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，构造具有开口(8)的所述第二进口部(6、7、8)，所述开口的横向的横截面构造得小于所述第一进口部(5、9、11)的开口(11)的横向的横截面。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第二进口部(6、7、8)通过所述第一进口部(5、9、11)的开口(11)的未封闭的区段形成和/或通过部分地打开已封闭的第一进口部(5、9、11)形成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述第二进口部(6、7、8)通过横向的通道(6)并且尤其经由所述第一进口部(5、9、11)与所述空腔(4)连接。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，以与所述第一进口部(5、9、11)相同的方式封闭所述第二进口部(6、7、8)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在封闭所述第一进口部(5、9、11)之后制造所述第二进口部(6、7、8)，尤其是借助于等离子体蚀刻过程进行制造，在所述等离子体蚀刻过程中，蚀刻穿通所述功能层(16)。
15.具有功能层(16)的MEMS元件(1)，其中，在所述功能层(16)的功能区域(2)的下方布置有空腔(4)，所述空腔具有至少两个已封闭的进口部(5、9、11；6、7、8)，所述进口部布置在所述功能层(16)的功能区域(2)之外，并且其中，通过熔化在所述至少一个进口部(5、9、11；6、7、8)的区域中的封闭材料(10、16)并且随后冷却已熔化的材料(10、16)来封闭所述两个进口部(5、9、11；6、7、8)中的至少一个进口部。
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