JP2009519447A - マイクロメカニカル素子及びマイクロメカニカル素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロメカニカル素子であって、基板（１）が設けられており、該基板（１）の上に第１の中間層（２）が配置されており、該第１の中間層（２）の上に第１の層（３）が配置されていて、該第１の層（３）が第１の中間層（２）にまで構造形成されており、第１の層（３）の上に第２の中間層（６）が配置されており、該第２の中間層（６）の上に第２の層（９）が配置されており、該第２の層（９）内に、少なくとも１つの可動のマイクロメカニカル構造体（１４）が構造形成されており、第２の中間層（６）が、可動のマイクロメカニカル構造体（１４）の下における犠牲領域において、除去されており、第１の中間層（２）が部分的に、第１の層（３）の下における領域において除去されている形式のものに関する。このような形式のマイクロメカニカル素子において、本発明の構成では、可動のマイクロメカニカル構造体（１４）が下側に、少なくとも１つのストッパ面を有しており、該ストッパ面が、可動のマイクロメカニカル構造体（１４）の変位によって、第１の中間層（２）によって支持されている第１の層（３）の領域に接触可能である。本発明はまた、このようなマイクロメカニカル素子のための製造方法にも関する。

Description

本発明は、独立請求項の上位概念部に記載された形式のマイクロメカニカル素子並びに、マイクロメカニカル素子の製造方法に関する。

マイクロメカニカルセンサの製造方法及び該製造方法によって製造されたマイクロメカニカルセンサは、独国の公開公報ＤＥ１９５３７８１４Ａ１に基づいて公知である。この公開公報に記載された表面マイクロメカニカルセンサは、基板の上に、第１の絶縁層と導電層と第２の絶縁層とマイクロメカニカル機能層とを有している。このマイクロメカニカル機能層は可動のマイクロメカニカル構造体を有しており、このマイクロメカニカル構造体は絶縁層のエッチングによって露出させられている。センサの製造時に、導電層の部分的な下方エッチングの行われることがある。例えば強い衝撃のような外的な影響によって、可動のマイクロメカニカル構造体がこのような下方エッチングされた導電層領域に衝突すると、導電層の損傷することがある。

本発明の課題は、下方エッチングされたシリコン導体路に対する可動のマイクロメカニカル構造体の衝突時における粒子形成（Partikelbildung）のおそれを排除することである。そしてこれにより、大きな加速に対するセンサエレメントのロバストネスつまり頑丈さを高めることが望まれている。

発明の利点
本発明は、マイクロメカニカル素子であって、基板が設けられており、該基板の上に第１の中間層が配置されており、該第１の中間層の上に第１の層が配置されていて、該第１の層が第１の中間層にまで構造形成されており、第１の層の上に第２の中間層が配置されており、該第２の中間層の上に第２の層が配置されており、該第２の層内に、少なくとも１つの可動のマイクロメカニカル構造体が構造形成されており、第２の中間層が、可動のマイクロメカニカル構造体の下における犠牲領域において、除去されており、第１の中間層が部分的に、第１の層の下における領域において除去されている形式のものに関する。

このような形式のマイクロメカニカル素子において、本発明の構成では、可動のマイクロメカニカル構造体が下側に、少なくとも１つのストッパ面を有しており、該ストッパ面が、可動のマイクロメカニカル構造体の変位によって、第１の中間層によって支持されている第１の層の領域に接触可能である。

本発明によるマイクロメカニカル素子の有利な構成では、ストッパ面がストッパによって形成されている。このような構成されていると、ストッパ面を明確に画成することができ、有利である。本発明のように構成されたマイクロメカニカル素子では、運動方向に対して垂直な方向における変位を制限することを目的として、可動のマイクロ構造体の下側にストッパを形成することができる。そしてこれらのストッパは、過負荷制限装置又はスペーサとして作用することができる。

本発明によるマイクロメカニカル素子の別の有利な構成では、第１の層が、特にシリコン、有利には多結晶シリコンから形成された導電層である。このように構成されていると、可動のマイクロメカニカル構造体の衝突時における下方エッチングされたシリコン導体路の損傷を有利に阻止することができる。そしてこれにより、素子の衝突又は落下による機械的な負荷に基づく大きな加速に対するマイクロメカニカル素子の頑丈さが、さらに高められる。

本発明はまた、マイクロメカニカル素子を製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、基板１の準備、第１の中間層の被着、第１の層の被着及び構造形成、第２の中間層の被着、第２の層の被着及び構造形成、犠牲領域における第１の中間層及び第２の中間層の一部のエッチングによる、可動の構造体を形成するための第２の層の少なくとも一部の露出、という方法ステップを備えている形式の方法に関する。

このような形式の方法において、本発明では、第２の中間層の被着後で第２の層の被着前に、別のステップにおいて、第２の中間層の表面プロフィールを、マスクの設置及び次いで行われる第２の中間層のエッチングによって変化させるようにした。

このようにすると、第２の中間層の上側における表面プロフィールを、ひいてはこの表面プロフィールに対して相補形状を有する、第２の層の下側における表面プロフィールを形成することができ、この第２の層の下側における表面プロフィールは、構造形成された第１の層の表面プロフィールによって規定されなくなり、有利である。

本発明による過程経過は、加速度センサ及びヨーレートセンサのためにも、並びにシリコン製の表面マイクロメカニックにおける可動のマイクロメカニカル構造体を備えた任意の素子のためにも使用することができる。

本発明による方法の別の有利な構成では、第２の中間層の表面プロフィールがほぼ平らにされる。このようにすると、次いで生ぜしめられる第２の層の下側を平らにすることができ、このような平らな下側は、後で構造形成される可動の構造体の領域においてストッパ面として特に良好に適している。

本発明の別の有利な方法では、第２の中間層の表面プロフィール内に、第２の層におけるストッパのための少なくとも１つの反転形状（Negativform）を構造形成するようにした。このようにすると、次いで生ぜしめられる第２の層はこの反転形状内に、明確に範囲を限定されたストッパ面を有するストッパを形成し、有利である。

本発明のさらに別の有利な方法では、初めに第２の中間層の第１の層を設け、第２の中間層の第１の層の表面プロフィールのエッチング後に、第２の中間層の第２の層を析出するようにした。このようにすると、初めに、薄い第２の中間層、つまり第１の層の表面プロフィールをモデリングすることができ、有利である。そのためには、例えばその下に位置する第１の層をエッチングストップ層として有利に使用することができる。次いで第２の中間層の第２の層を、形成された表面プロフィールが維持されるように、第１の層とほぼ同じに析出することができ、有利である。

図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１〜図４は、従来技術による表面マイクロメカニカル素子を製造する方法を示す図であり、
図５及び図６は、本発明による素子及びその製法の第１実施例を示す図であり、
図７及び図８は、本発明による素子及びその製法の第２実施例を示す図であり、
図９は、本発明による製造方法を示す概略図である。

実施例の記載
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図１〜図４には、従来技術による表面マイクロメカニカル素子の製造方法が示されている。この製造方法及び、これにより製造されたマイクロメカニカルセンサは、ＤＥ１９５３７８１４Ａ１に基づいて公知である。

図１には、犠牲層の除去前における以下に記載の層構造が示されている。この層系ではまず初めにシリコン基板１において第１の絶縁層２が酸化物から析出される。この第１の絶縁層２において、ドーピングされた薄いシリコン層３が析出され、このシリコン層３は導電層である。このシリコン層３は、フォトリソグラフィー法によってパターニングされる。ドーピングされたシリコン層３は、互いに対して絶縁された個別の領域４，５に分割されており、これらの領域４，５は導体路又は面電極として働くことができる。既に設けられた層の上に、酸化物６から成る絶縁層６が析出される。１つのフォトリソグラフィー過程において、第２の絶縁層６の構造形成（Strukturierung）が行われる。これによってコンタクトフィードスルーもしくはコンタクト貫通路、いわゆるコンタクトバイア（Kontaktvias）が、第２の絶縁層６が形成され、この絶縁層６を通してその下に位置するドーピングされたシリコン層３の接触接続が可能になる。さらに、厚いシリコン層９の析出、平坦化、ドーピングが行われる。この厚いシリコン層９には次いで、構造形成された金属層１０が設けられる。次のフォトリソグラフィー過程において、厚いシリコン層９の構造形成が行われる。そのために厚いシリコン層９の表面にはフォトマスクが設けられ、このフォトマスクは、後続のエッチングにおいて構造形成された金属層１０を保護するためにも働く。フォトレジストマスク（Fotolackmask）の開口を通して次いで、ドイツ連邦共和国特許出願公開ＤＥ４２４１０４５Ａ１に記載されているように、厚いシリコン層９のプラズマエッチングが行われ、この際に、高いアスペクト比を備えた溝１１が形成される。これらの溝１１は、厚いシリコン層９の表面から第２の絶縁層６にまで延びている。シリコン層９は個々の領域１２，１３に分割され、これらの領域１２，１３は、ドーピングされたシリコン層３によって形成されている埋設された導電層を介して互いに接続されていない限り、互いに絶縁されている。

次いで図２に示されているように、溝１１を貫いて、酸化物から成る両絶縁層２，６が、マイクロメカニカル素子の可動の構造体１４、特に自由に可動の構造体の領域において、除去される。犠牲層エッチング中における第１の絶縁層２の除去によって、構造形成された導体路４，５もまた部分的に下方エッチングされ、これによって下方エッチングされた区分１５が生じる。

センサの層状の構造において、構造形成された導体路４，５の表面プロフィールは、第２の絶縁層６及びシリコン層９によって相似投影され、つまり同じ形に模写される（図３参照）。これによって、構造形成された領域４，５を備えたドーピングされたシリコン層３の表面プロフィールの形状はまた、シリコン層９の下側２２にも写されるもしくは伝えられる。その結果下側２２は階段状の構造形成を有する。

上に述べた従来技術の方法では、特に次のような問題の生じることがある。すなわち上記の従来技術では、自由に可動の構造体１４と導体路４，５との機械的な接触時に、これらの導体路４，５の下方エッチングされた区分１５が破損し、ひいては導電性のシリコン粒子の生じることがある。このような現象は、例えば高い位置からのセンサエレメントの落下に基づくような、加速時に発生する。シリコン粒子は電気的な分路を形成し、これによって、マイクロメカニカル素子の電気的及び機械的な機能を損なうことがある。自由に可動の構造体１４の機械的な負荷時に、シリコン層９の下側２２における段部は、導体路４，５に対して該導体路４，５の損傷の頻度を高める。これらの段部は、機械的な安定性を僅かしか有していない下方エッチングされた区分１５の縁部における小さな領域への可動の構造体１４の衝突時に力を集中する。

シリコン層９を設ける前に第２の絶縁層６の化学機械式の研磨（ＣＭＰ）によってシリコン層９の下側２２における段部を除去することは、十分ではないことがある。導体路４，５によって生ぜしめられた段部は、ポリッシングクロスとも呼ばれる研磨布の弾性特性に基づいて、完全に除去されるのではなく、ある程度平滑化されるだけである。そして図４に示されているような、プロフィール深さを減じられた表面プロフィールが生ぜしめられる。

図５及び図６には、本発明による素子及びその製造の第１実施例が示されている。シリコン導体路４，５の構造形成後に、薄い酸化層１８、特に酸化ケイ素から成る酸化層１８が析出される。この薄い酸化層１８の厚さは、シリコン導体路４，５の層厚と同じか又はそれよりも大きくなくてはならない。

図５に示されているように、マスク１７を用いたフォトリソグラフィー過程と次いで行われる適宜なエッチング法によって、薄い酸化層１８の構造形成が行われる。この場合シリコン導体路４，５の上における酸化物は除去される。シリコン導体路４，５の上における酸化物は、細い縁部を除いて完全に除去されると有利である。この縁部は、導体路４，５の縁部領域を越えたマスク１７の延びによって規定されており、導体路４，５の下方エッチングを確実に回避するために働く。薄い酸化層１８を構造形成するエッチングステップは、液相又は気相からの等方性のエッチング法によっても異方性のエッチング法によっても行うことができる。シリコン導体路４，５は薄い酸化層１８のエッチング時にエッチストップ（Aetzstopp）として作用し、その結果エッチング過程の時間に関して臨界的な制御が不要になる。このようにして構造形成された薄い酸化層１８の上に次いで第２の絶縁層６が析出され、そしてコンタクトバイア７が形成される。さらなる過程経過において厚いシリコン層９が析出される。

厚いシリコン層９の被着後における層構造は、図６に示されている。中間層として薄い酸化層１８を使用することによって、シリコン層９の下側２２における段部、特に可動の構造体１４の領域における段部は回避される。その結果、シリコン層９の下側２２において突出する隆起部が形成されることはもはやなくなる。そしてこれにより、基板平面に対して垂直な加速によって場合によっては生じる可動の構造体１４の当接時に、シリコン層９の全下側領域は、機械的に有効なストッパとして作用し、導体路４，５の下方エッチングされていない領域は、第２の安定的なストッパとして、つまり第１のストッパの対応部材として働く。導体路４，５の下方エッチングされていない領域は、従来技術における下方エッチングされた区分１５に比べて明らかに高い機械的な安定性を有している。従ってシリコン導体路４，５への可動の構造体１４の当接時に、マイクロメカニカル素子の本発明による構成では、導体路４，５の部分において損傷が生じることはなくなる。

図７及び図８には、本発明によるマイクロメカニカル素子及びその製造の第２実施例が示されている。

この第２実施例においても、上に述べた本発明による第１の方法におけるように、既に構造形成されたシリコン導体路４，５の上に薄い酸化層１８が析出され、マスク１７を用いたフォトリソグラフィー過程を介して構造形成される。このことは図７に示されている。薄い酸化層１８の層厚は、シリコン層３の厚さよりも大きく、有利にはシリコン層３の厚さの少なくとも２倍の高さを有している。薄い酸化層１８はこの場合導体路４，５の上において部分的にだけ開放される。これは、汎用のエッチング過程を用いて行われる。次いで第２の絶縁層６が析出され、コンタクトバイア７が構造形成される。さらに続く過程経過において厚いシリコン層９が析出される。

シリコン層９の被着、特に成長後における層構造は、図８に示されている。この方法の利点としては、厚いシリコン層の下側に突子状のストッパを生ぜしめることができる、ということが挙げられる。これらのストッパは、基板表面に対して垂直な方向、つまりｚ方向における過負荷制限のために使用されることができるか、又はスペーサとして作用することができ、これによって例えば、犠牲層、つまり絶縁層６，２の湿式化学的なエッチング時における毛管力（Kapillarkraefte）に基づく、可動の構造体１４の接着を阻止することができる。

一般的に本発明は、少なくとも１つの可動の構造体１４を備えたすべての表面マイクロメカニカル素子のために使用することができ、このような表面マイクロメカニカル素子は特に、該素子が基板１とその上における第１の中間層２と、構造形成された第１の層３と、その上における第２の層９とを有していて、この第２の層９から可動の構造体１４が構造形成されている場合に、犠牲層エッチングによって製造される。本発明によれば素子はこの場合、下側に少なくとも１つのストッパ面を備えた可動のマイクロメカニカルな構造体１４を有している。ストッパ面は、可動のマイクロメカニカルな構造体１４の変位によって第１の層３の領域に接触可能であり、この第１の層３の領域は、第１の中間層２によって支持されている。符号は、既に述べた実施例において用いられたものと同じものが、この一般化された実施例においても使用される。

図９には、本発明による製造方法が略示されている。マイクロメカニカル素子を製造する方法は下記の製造ステップで行われる：
（Ａ）基板１の準備、
（Ｂ）第１の中間層２の被着、
（Ｃ）第１の層３の被着及び構造形成、
（Ｄ）第２の中間層１８，６の被着、
（Ｅ）第２の層９の被着及び構造形成、
（Ｆ）犠牲領域における第１の中間層２及び第２の中間層１８，６の一部のエッチングによる、可動の構造体１４を形成するための第２の層９の少なくとも一部の露出、
この場合ステップ（Ｄ）の後でステップ（Ｅ）の前に、ステップ（Ｇ）において、第２の中間層１８，６の表面プロフィールを、マスクの設置及び次いで行われる第２の中間層６のエッチングによって変化させる。

この場合第１の構成では、第２の中間層６の表面プロフィールはほぼ平らにされる。

第２の構成では、第２の絶縁層６の表面プロフィール内には、第２の層９におけるストッパのための少なくとも１つの反転形状が構造形成される。

別の構成では、ステップ（Ｄ）において初めに第２の中間層１８の第１の層が設けられ、ステップ（Ｇ）において、第２の中間層１８の第１の層の表面プロフィールのエッチング後に、第２の中間層１８の第２の層が析出される。

従来技術による表面マイクロメカニカル素子の製造方法の第１段階を示す図である。 従来技術による表面マイクロメカニカル素子の製造方法の第２段階を示す図である。 従来技術による表面マイクロメカニカル素子製造方法における問題点を示す図である。 従来技術による表面マイクロメカニカル素子製造方法における問題点を示す図である。 本発明による素子及びその製法の第１実施例を示す図である。 本発明による素子及びその製法の第１実施例を示す図である。 本発明による素子及びその製法の第２実施例を示す図である。 本発明による素子及びその製法の第２実施例を示す図である。 本発明による製造方法を示す概略図である。

Claims (7)

1. マイクロメカニカル素子を製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、
   （Ａ）基板１の準備、
   （Ｂ）第１の中間層（２）の被着、
   （Ｃ）第１の層（３）の被着及び構造形成、
   （Ｄ）第２の中間層（１８，６）の被着、
   （Ｅ）第２の層（９）の被着及び構造形成、
   （Ｆ）犠牲領域における第１の中間層（２）及び第２の中間層（６）の一部のエッチングによる、可動の構造体（１４）を形成するための第２の層（９）の少なくとも一部の露出、
   という方法ステップを備えている形式の方法において、
   ステップ（Ｄ）の後でステップ（Ｅ）の前に、ステップ（Ｇ）において、第２の中間層（１８，６）の表面プロフィールを、マスク（１７）の設置及び次いで行われる第２の中間層（６）のエッチングによって変化させることを特徴とする、マイクロメカニカル素子を製造する方法。
2. 第２の中間層（１８，６）の表面プロフィールをほぼ平らにする、請求項１記載のマイクロメカニカル素子を製造する方法。
3. 第２の中間層（１８，６）の表面プロフィール内に、第２の層（９）におけるストッパのための少なくとも１つの反転形状を構造形成する、請求項１記載のマイクロメカニカル素子を製造する方法。
4. ステップ（Ｄ）において初めに第２の中間層（１８）の第１の層を設け、第２の中間層の第１の層（１８）の表面プロフィールのエッチング後に、第２の中間層の第２の層（６）を析出する、請求項１記載のマイクロメカニカル素子を製造する方法。
5. マイクロメカニカル素子であって、
   基板（１）が設けられており、
   該基板（１）の上に第１の中間層（２）が配置されており、
   該第１の中間層（２）の上に第１の層（３）が配置されていて、該第１の層（３）が第１の中間層（２）にまで構造形成されており、
   第１の層（３）の上に第２の中間層（１８，６）が配置されており、
   該第２の中間層（１８，６）の上に第２の層（９）が配置されており、
   該第２の層（９）内に、少なくとも１つの可動のマイクロメカニカル構造体（１４）が構造形成されており、
   第２の中間層（１８，６）が、可動のマイクロメカニカル構造体（１４）の下における犠牲領域において、除去されており、
   第１の中間層（２）が部分的に、第１の層（３）の下における領域において除去されている形式のものにおいて、
   可動のマイクロメカニカル構造体（１４）が下側に、少なくとも１つのストッパ面を有しており、
   該ストッパ面が、可動のマイクロメカニカル構造体（１４）の変位によって、第１の中間層（２）によって支持されている第１の層（３）の領域に接触可能であることを特徴とするマイクロメカニカル素子。
6. ストッパ面がストッパによって形成されている、請求項５記載のマイクロメカニカル素子。
7. 第１の層（３）が、特にシリコン、有利には多結晶シリコンから形成された導電層である、請求項５又は６記載のマイクロメカニカル素子。

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