JP2006075981A - トレンチされたキャビティを有するセンサエレメント - Google Patents

トレンチされたキャビティを有するセンサエレメント Download PDF

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Abstract

【課題】キャビティおよびダイヤフラムを、より簡単に、付加的な手間を必要とせずに製作することができるようにする。
【解決手段】キャビティをトレンチエッチングプロセスの第2の期間中に少なくとも1つのアクセス穴を通して形成し、その際、第2の期間中に、設定された第2の持続時間にわたる第2のトレンチステップを実施し、第2の持続時間が第1の持続時間よりも長いようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、少なくとも1つの基板と、1つのアクセス穴と、1つの埋設されたキャビティとを有するマイクロマシニング型のセンサエレメントを、
少なくとも1つのアクセス穴およびキャビティをトレンチエッチングプロセスもしくは特に等方性のエッチングプロセスにより基板内に形成し、
その際、トレンチエッチングプロセスが、
−種々異なるトレンチステップと、
−第1の期間および第2の期間とを有しており、
第1の期間中に交互に、
−設定された第1の持続時間にわたる第1のトレンチステップと、
−第1のパッシベーションプロセスとを実施することにより製作する方法に関する。
さらに本発明は、特にこの種の方法に従って製作されるマイクロマシニング型のセンサエレメントに関する。
種々異なる物理量(圧力、温度、空気質量、加速度、ヨーレート)を検出するために、特に自動車分野では、マイクロマシニング型のセンサエレメントを有する素子が多数使用される。典型的には、キャビティの上方に配置されているダイヤフラム上に設けられた測定エレメントがしばしば使用される。ダイヤフラムもしくはキャビティを製作するために、犠牲層および機能層から成る積層が析出され、構造化され、かつ選択的に除去される、いわゆる表面マイクロマシニング法の他に、いわゆるバルクマイクロマシニング法が公知である。バルクマイクロマシニング法では、構造が中実の材料から作り出される。より新しい方法は表面マイクロマシニング法とバルクマイクロマシニング法との折衷である。
例えば国際公開第02/02458号パンフレットもしくはドイツ連邦共和国特許出願公開第10032579号明細書には、ダイヤフラムの下方に中空室を形成するために、種々異なる多孔質の領域が基板内に形成される方法が記載されている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第10030352号明細書から、キャビティの上方のダイヤフラムを安定化エレメントにより支持することが公知である。この種の安定化エレメントの形成は例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第102004036035号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第10358859号明細書に記載されているようなトレンチエッチングプロセスにより可能である。
基板内に中空室を形成する別の可能性は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第10114036号明細書に示されている。この明細書に記載された方法では、まず開口が基板内に形成される。続いて、基板の熱処理が実施される。熱処理の温度および持続時間の選択により、基板の深部に、開口の閉鎖の下で中空室が形成される。相並んで位置する多数の開口の使用により、この方法によって、ダイヤフラムと、その下方に位置する中空室とが形成されることができる。
欧州特許出願公開第1043770号明細書には、まず第1のエッチングステップによって少なくとも1つの溝を基板に形成することによりキャビティを製作する方法が記載されている。溝の壁をパッシベーションした後、第2の異方性のエッチングステップの枠内で、キャビティが形成される。キャビティの拡大は、第3の、やはり異方性のエッチングステップで、相並んで位置する複数の溝の間の壁が除去されることにより実施されることができる。
国際公開第02/02458号パンフレット ドイツ連邦共和国特許出願公開第10032579号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第10030352号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第102004036035号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第10358859号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第10114036号明細書 欧州特許出願公開第1043770号明細書
本発明の課題は、冒頭で述べた形式のマイクロマシニング型のセンサエレメントならびに該センサエレメントを製作する方法を改良して、キャビティおよびダイヤフラムを、より簡単に、付加的な手間を必要とせずに製作することができるようにすることである。
上記課題を解決するために本発明の方法では、キャビティをトレンチエッチングプロセスの第2の期間中に少なくとも1つのアクセス穴を通して形成し、その際、
−第2の期間中に、設定された第2の持続時間にわたる第2のトレンチステップを実施し、
−第2の持続時間が第1の持続時間よりも長いようにした。
さらに、上記課題を解決するために本発明の構成では、
−基板と、
−埋設されたキャビティと、
−キャビティの上方に存在するダイヤフラムと
が設けられており、
−キャビティが、特に等方性のエッチングプロセスにより形成されており、
−キャビティの上方に、少なくとも1つのアクセス穴が、高いアスペクト比と波形付けられた側壁とを伴って存在しているようにした。
本発明は、例えばマイクロマシニング型の素子内で、物理量を検出するために適しているマイクロマシニング型のセンサエレメントと、該マイクロマシニング型のセンサエレメントを製作する方法とに関する。その際、センサエレメントは、1つの基板と、少なくとも1つのアクセス穴と、1つの埋設されたキャビティとを有しており、少なくとも1つのアクセス穴およびキャビティがトレンチエッチングプロセスもしくは等方性のエッチングプロセスにより基板内に形成されるようになっている。その際、トレンチエッチングプロセスは、第1の期間と第2の期間とに分類されることができる種々異なるトレンチステップを有している。第1の期間中に、少なくとも1つの第1のトレンチステップが実施される。第1のトレンチステップで、設定可能な第1の持続時間にわたって材料が基板からエッチングにより除去され、凹部が形成される。このトレンチステップで、凹部の壁に、典型的な湾入部が生じる。引き続いて、この第1の期間中にパッシベーションプロセスが実施される。パッシベーションプロセスで、凹部の壁に第1のトレンチステップにより形成された湾入部がパッシベーション材料で被覆される。第1の期間中に、第1のトレンチステップおよび第1のパッシベーションプロセスが複数回相前後して交互に実施されることができる。その結果、そのようにして形成された凹部の壁に、典型的な波形が生じる。本発明の核心は、トレンチエッチングプロセスの第2の期間中に、第2のトレンチステップが、第1の持続時間に比して明らかに長い設定可能な第2の持続時間にわたって実施されることにより、キャビティが、凹部により形成される少なくとも1つのアクセス穴を通して形成される点にある。
キャビティを製作するこの種の方法の利点は、例えば湿式化学的なエッチングプロセスによる付加的な第2のエッチングプロセスが実施されずに済む点にある。それにより、プロセス材料の交換による付加的な方法手間を省略することができる。トレンチエッチングプロセスの第1の期間の繰り返し回数を選択することにより、凹部の間で基板に残されていて、別の方法ステップで別の層を被着することができるウェブの厚さは、広範な範囲で選択されることができる。同様に、キャビティの高さは第2の持続時間の選択を介して調節可能である。さらに、キャビティは、確立されたプロセス(トレンチエッチング)の応用により製作されることができる。
本発明の構成では、第1のトレンチステップとパッシベーションプロセスとを有する第1の期間中の方法ステップが、第2のトレンチステップを有する第2の期間の開始前に、少なくとも2度交互に遂行されるようになっている。さらに、第2のトレンチステップが、第1のトレンチステップよりも遙かに長い間、材料を基板から除去するようになっている。オプショナルに、凹部もしくはアクセス穴の壁および/またはキャビティの壁に、別のパッシベーション層が被着されることができる。
キャビティを基板内に形成した後、本発明の別の構成では、層が基板上に、ダイヤフラムを形成するために被着されるようになっていることができる。その際、特別な構成では、この層が単結晶の層として、例えばエピタキシ法の枠内で被着されるようになっていることができる。この層は付加的に、少なくとも1つのアクセス穴を閉鎖するために使用されることができる。オプショナルに、凹部、アクセス穴もしくはキャビティの壁が、本来の層析出前に、トレンチプロセスのパッシベーション層から解放されることができる。
有利には、基板材料として、半導体材料、例えばシリコンが使用される。半導体材料の使用により、センサエレメントを製作するのに、マイクロマシニング技術を用いた加工および構造化の現行の方法が使用されることができる。
トレンチエッチングプロセスを実施するために、別の方法ステップで、エッチングマスクが基板上に被着される。その際、有利には、エッチングマスクがアクセス穴の将来的な分布を、基板表面上に設けられたエッチングマスクの穴により規定するようになっていることができる。エッチングマスクにおける穴の分布は、特別な構成では、幾何学的もしくは対称的であることができる。その際、ランダムな分布も可能である。ただし、穴の配分、ひいてはアクセス穴の形成時に、等方性のエッチングプロセス中の、第2の期間中に行われるサイドエッチングにより、穴/アクセス穴の下方に生ぜしめられた空隙が集合して1つのキャビティに成長するようになっていることが考慮されなければならない。そのようにしてのみ、埋設された、互いに関連し合うキャビティが形成されることができる。この理由から、第2の持続時間は、エッチングマスクに設けられた穴の平均的な間隔もしくはアクセス穴の分布に依存していなければならない。
本発明の特別な構成では、キャビティの形成後に、基板の表面から延びる少なくとも1つのアクセス穴が閉鎖される。引き続いて別の方法ステップで、基板の裏面からアクセス穴がキャビティまで形成される。それにより、例えば差圧センサが形成されることができる。
本発明の別の構成では、埋設された複数の格子平面が、第1の期間および第2の期間から成るトレンチプロセスを繰り返すことにより形成されることができる。その際、この繰り返しは何度でも実施されることができる。
有利には、トレンチエッチングプロセスの助けを借りて形成される凹部が、高いアスペクト比を有している。さらに、有利には単結晶の層を被着する前に、酸化物層がキャビティ壁に、キャビティ内での層材料の成長を阻止するために被着されることができる。
一般に、本発明によるセンサエレメントを、有利には圧力、温度、空気質量、加速度および/またはヨーレートを検出するために使用することが意図されているべきである。このために場合によっては、例えば有利には単結晶の層により形成されるダイヤフラムを構造化することが必要であることができる。
さらに、本発明による方法により、(埋設された)通路を半導体基板内に製作する可能性が存在する。このために、例えば相応の層により閉鎖されるもしくは被覆されるキャビティが製作されることができる。引き続いて、キャビティの、種々異なる端部に、通り穴が、前記層、場合によってはキャビティの上方の基板を通して形成されることができる。
別の利点は以下の実施例の説明もしくは従属請求項から得られる。
この実施例では、有利には圧力センサにおいて使用可能な、ダイヤフラムおよびキャビティを有するセンサエレメントを製作する方法を参照しながら、本発明による方法を明らかにする。ただし、以下に説明する方法は、圧力センサの他に、エアマスセンサ、温度センサ、加速度センサおよび/またはヨーレートセンサのセンサエレメントを製作するためにも使用可能である。さらに、通路を形成することも可能である。通路は例えば、埋設されたキャビティに2つの通り穴がキャビティのそれぞれ異なる箇所に設けられることにより形成される。
まず、例えばシリコンのような半導体材料から成る基板100上に、後続のトレンチエッチングプロセスのための適当な(エッチング)マスク110、例えばSiO層が形成されて、構造化される。マスク110の構造化時、穴145が例えば等間隔に形成される。その際、種々異なる模様、例えば方形状、対角線状、六角形状、環状または帯状の模様が可能である。さらに、穴の配置が変更可能であるばかりでなく、個々の穴の形状も変更可能である。つまり、穴は例えば円形(特に図3a参照)に構成されていても、正方形(図4b参照)に構成されていてもよい。図1bに示した次の方法ステップで、異方性エッチングプロセス、すなわちトレンチが実施される(トレンチ、すなわちエッチングプロセスは全体として異方性に方向付けられている;個々のSF−サイクルは等方性である)。まず、トレンチにとって典型的な、エッチング(例えばSFによるエッチング)とパッシベーション(例えばCによるパッシベーション)との間のサイクル切換が選択される。その際、一般的なトレンチ穴もしくはアクセス穴140が、高いアスペクト比と、典型的な、波形付けられた側壁130とを伴って生じる。アクセス穴140の深部で、横方向の広がりを一定に保ったまま材料を除去することができるように、側壁130には、トレンチステップ毎に、相応のパッシベーション層120が、新しく生ぜしめられた波形の上に被着される。最終的に、明らかに長いトレンチエッチングステップが実施される。この明らかに長いトレンチエッチングステップにおいて、等方性の(ドライ)エッチングプロセスが空隙の形成のために遂行される。この比較的長いトレンチエッチングプロセスの間、相並んで位置する複数のアクセス穴140の、それまで互いに隔絶されていた空隙が、格子160の下で接続されて1つのキャビティ150を形成することができる。次の方法ステップで、エッチングマスク110と、場合によっては[Cから成るトレンチパッシベーション層とが除去されることができる(図1c参照)。最後のプロセスステップで、層170の被着が実施される。層170はアクセス穴140を閉鎖するかつ/またはダイヤフラムをキャビティ155の上方に形成する(図1d参照)。その際、特別な実施例では、まずアクセス穴140を閉じるもしくは覆うようにエピタキシ法によりシリコンが成長させられ、引き続いて同じステップで、全面的に単結晶のSiダイヤフラムが形成されるようになっていることができる。その際、エピタキシ層の厚さはダイヤフラムの厚さを決定する。(半導体)基板100がシリコンから成る場合、水素プリベーク(表面の清浄化、例えば酸化物および/または有機物の、本来の成長前の清浄化)およびエピタキシ中の、高いプロセス温度(典型的には1000℃超)により、Si原子のミグレーションが、自由な表面で実施される。これにより、波形付けられた構造130は丸みを帯び、図1dに見て取れるように、丸み付けられた格子ウェブ165を生ぜしめる。
エピタキシ中にアクセス穴140および埋設されたキャビティ150内への、場合によっては存在するSiの成長を最小化するために、その壁は、有利にはエッチングプロセスの完了後に別個のプロセスステップで、適当な層210、例えば酸化物で被覆されることができる。典型的には、この種の被覆が、図2aに示されているように熱酸化により実施される。ただし、引き続いてシリコンをエピタキシャル成長させることができる前に、基板100の表面に形成された保護層200は選択的に、例えば物理的なエッチングにより除去されなければならない(図2b参照)。引き続いて、表面220に単結晶のシリコンが成長させられることができる。
本発明による方法経過の概略平面図が図3a〜図3cに示されている。既に述べたように、まず基板上に、構造化されたエッチングマスク300が被着される。エッチングマスク300は将来的なダイヤフラム領域320に穴310を有している。穴310により、まずアクセス穴330が形成され、延長されたトレンチエッチングステップで、空隙340がアクセス開口330の下に形成されることができる。エッチングマスク300を剥離した後の平面図からは、アクセス穴330を有する基板350が見て取れる。アクセス穴330は、埋設されたキャビティ360に通じている。
ダイヤフラム縁部の、基板との固定部は、ダイヤフラム縁部における格子幾何学形状の局所的な最適化、例えば:
−ダイヤフラム縁部の格子穴を省略する、例えば第1列の穴を1つおきに省略する(方形の格子を示す図4a参照)、
−ダイヤフラム縁部の穴、例えば第1列の穴を小さくする、
−ダイヤフラム縁部の格子ウェブの幅を広くする
ことにより改善されることができる。
相応の幾何学形状は所属のエッチングマスク110もしくは300において考慮されることができる。
さらに、単純な格子構造の他に、異なる幾何学形状から成る複合形も可能である。図4bには、方形の格子420が、第2の(やはり方形の)上位格子410を有している例が示されている。相応の幾何学形状はやはり相応のエッチングマスク110/300において考慮されることができる。
本発明による、ダイヤフラムおよびキャビティ155を有するセンサエレメントは、例えば絶対圧力センサのために使用されることができる。その際、ダイヤフラムには圧電抵抗が被着されるようになっていることができる。加えて、回路がダイヤフラムの横または上に組み込まれることができる。差圧センサの製作のために、埋設されたキャビティ510に通じる別個の接続開口が必要である。つまり、別のエッチングプロセスもしくはトレンチエッチングプロセスにより、基板100の背面から、相応のアクセス穴500が形成される。その際、トレンチエッチングプロセスは自動的に、キャビティの下面に既に存在する酸化物210で停止する(図5a参照)。図5bに示したように、最終的なエッチングステップ、例えばHF蒸気内でのエッチングステップにより、酸化物層210が基板材料、例えばシリコンに対して選択的に除去されることができる。これにより、アクセス穴が最終的に開通される。
マイクロマシンでの別の応用のために、ダイヤフラムを、例えば加速度センサのための振動子構造を製作するために構造化することも可能である。
上記方法の別の構成として、エッチングマスク110内での、個々の空隙150を接続するための最終的な等方性のエッチングステップが、択一的な等方性のエッチング媒体、例えばXeFまたはCIFのようなガスにより、または湿式化学的に、例えばHNOおよびHFの混合物により実施されることができる。
別の実施例を図6aもしくは図6bに示す。この実施例により、本発明による方法が繰り返し適用されることにより、埋設された格子610が製作されることができる。その際、アクセス穴140およびキャビティ150を形成した後に、アクセス穴140を形成したトレンチエッチングプロセスが続行される。トレンチエッチングプロセスの続行の結果として、アクセス穴140の下方に、より深い通り穴640が形成される。最後のトレンチエッチングプロセスがやはり通り穴の形成時に比べて時間的に長く実施されると、やはり、より深部に位置する1つのキャビティ650へと成長する空隙が形成される。原理的に、このプロセスの繰り返しにより、別の埋設された平面が可能である。全体として、複数の個別的なキャビティ150もしくは650を有する、互いに関連し合う領域655が形成されることができる。
一般に、空隙を生ぜしめ、かつ最終的にキャビティを生ぜしめることになる第2の持続時間は、表面におけるアクセス穴140の分布もしくは平均的な間隔に依存していることができる。相応の依存性はもちろん、アクセス穴の位置を規定する、エッチングマスクに設けられた穴145にも見出すことができる。
別の実施形態では、説明したトレンチプロセス(図1a〜図1d)が、例えば加速度センサのためのインターディジタル構造を製作するために使用されることもできる。それにより、犠牲酸化物析出、エピポリ析出、トレンチおよびHF蒸気エッチングから成る、さもなければ一般的な製作プロセスは、唯一のトレンチプロセスにより代替される。
本発明によるキャビティを製作するためのプロセス経過を順に示す概略断面図である。 キャビティ内での材料の成長を阻止すべき特別な被覆の、相前後するステップを示す断面図である。 別のプロセス経過を順に示す平面図である。 エッチングプロセスの、基板へのアクセスを維持するための穴の幾何学形状の、2つの異なる特別な構成を示す平面図である。 差圧センサを製作する本発明による方法の経過を順に示す図である。 本発明による方法でもって第2の平面をダイヤフラムの下方に形成する可能性を順に示す図である。
符号の説明
100 基板、 110 エッチングマスク、 120 パッシベーション層、 130 側壁、 140 アクセス穴、 145 穴、 150 キャビティ、 155 キャビティ、 160 格子、 165 格子ウェブ、 170 層、 200 保護層、 210 層、 220 表面、 300 エッチングマスク、 310 穴、 320 ダイヤフラム領域、 330 アクセス穴、 340 空隙、 350 基板、 360 キャビティ、 400 穴、 410 上位格子、 420 格子、 500 アクセス穴、 510 キャビティ、 610 格子、 640 通り穴、 650 キャビティ、 655 領域

Claims (13)

  1. 少なくとも1つの基板(100,350)と、1つのアクセス穴(140,330)と、1つの埋設されたキャビティ(155,360,510,650,655)とを有するマイクロマシニング型のセンサエレメントを、
    少なくとも1つのアクセス穴およびキャビティをトレンチエッチングプロセスもしくは特に等方性のエッチングプロセスにより基板内に形成し、
    その際、トレンチエッチングプロセスが、
    種々異なるトレンチステップと、
    第1の期間および第2の期間とを有しており、
    第1の期間中に交互に、
    設定された第1の持続時間にわたる第1のトレンチステップと、
    第1のパッシベーションプロセスとを実施することにより
    製作する方法において、
    キャビティをトレンチエッチングプロセスの第2の期間中に少なくとも1つのアクセス穴を通して形成し、その際、
    第2の期間中に、設定された第2の持続時間にわたる第2のトレンチステップを実施し、
    第2の持続時間が第1の持続時間よりも長い
    ことを特徴とする、マイクロマシニング型のセンサエレメントを製作する方法。
  2. トレンチエッチングプロセスの第2の期間を実施する前に、トレンチエッチングプロセスの第1の期間を少なくとも2度通して行う、請求項1記載の方法。
  3. 第2のトレンチステップを、
    等方性の気相エッチングステップにより実施する、かつ/または
    第1のトレンチステップよりも遙かに長く継続する、
    請求項1記載の方法。
  4. キャビティの形成後、基板上に、有利には単結晶の層(170)を被着する、その際特に、
    該層(170)が
    エピタキシ法により被着される、かつ/または
    少なくとも1つのアクセス穴を閉鎖する、かつ/または
    アクセス穴および/またはキャビティの壁に、有利には単結晶の層(170)の前に、別のパッシベーション層(120,210)が被着される、かつ/または
    アクセス穴の壁が前もってパッシベーション層から解放される
    ようにする、請求項1記載の方法。
  5. 基板が半導体材料、特にシリコンを有している、請求項1記載の方法。
  6. トレンチエッチングプロセスを実施するためにエッチングマスク(110,300)を基板に被着する、その際特に、エッチングマスクが、基板表面におけるアクセス穴の分布を、エッチングマスクに設けられた穴により規定するようにする、請求項1記載の方法。
  7. 多数のアクセス穴を基板表面に配置する、その際特に、第2の持続時間が基板表面におけるアクセス穴の分布および/またはエッチングマスクにおける穴の分布に依存して設定可能であるようにする、請求項1または6記載の方法。
  8. 基板の表面から延びる少なくとも1つのアクセス穴を、キャビティ(510)の形成後に閉鎖し、別の方法ステップで、基板の裏面から、キャビティ(510)に通じるアクセス穴(500)を形成する、請求項1記載の方法。
  9. トレンチプロセスの第2の期間後に、新たに別のトレンチプロセスの第1の期間および第2の期間を実施する、請求項1記載の方法。
  10. マイクロマシニング型のセンサエレメントにおいて、特に請求項1から9までのいずれか1項記載の方法に従って製作されており、
    基板(100,350)と、
    埋設されたキャビティ(155,360,510,650,655)と、
    キャビティの上方に存在するダイヤフラム(170)と
    が設けられており、
    キャビティが、特に等方性のエッチングプロセスにより形成されており、
    キャビティの上方に、少なくとも1つのアクセス穴(140,330)が、高いアスペクト比と波形付けられた側壁(130)とを伴って存在している
    ことを特徴とする、マイクロマシニング型のセンサエレメント。
  11. キャビティが、相並んで位置していて互いに接続された複数の空隙(150)を有しており、その際特に、
    各空隙が1つのアクセス穴を有している、かつ/または
    少なくとも1つのアクセス穴が閉鎖されている、
    請求項10記載の、マイクロマシニング型のセンサエレメント。
  12. 少なくとも1つのアクセス穴の側壁がパッシベーション材料(120)により被覆されている、かつ/または
    センサエレメントが圧力、空気質量、温度、加速度および/またはヨーレートを検出する、かつ/または
    キャビティ壁が保護層またはパッシベーション層(210)、特に酸化物層を有している、かつ/または
    センサエレメントが、少なくとも部分的に重なり合わせに位置する少なくとも2つのキャビティ(150,650)を有している、かつ/または
    センサエレメントが、特にエピタキシャル成長させられたダイヤフラムを有している、
    請求項10記載の、マイクロマシニング型のセンサエレメント。
  13. センサエレメントにより、圧力、温度、加速度またはヨーレートが検出可能である、請求項10記載の、マイクロマシニング型のセンサエレメント。
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