JP2009537101A - マイクロメカニカル素子の製造方法およびマイクロメカニカル素子 - Google Patents

Abstract

基板とメンブレン構造体とを有する次のようなマイクロメカニカル素子の製造方法およびマイクロメカニカル素子を提供する。すなわち、とりわけマイクロフォン、マイクロスピーカまたは圧力センサ（絶対圧センサまたは相対圧センサ）であり、メンブレン構造体を形成するために基板にモノリシック集積される回路と両立する製造ステップのみを行い、該メンブレン構造体を形成するために、基板上に設けられた犠牲構造体を除去するマイクロメカニカル素子の製造方法およびマイクロメカニカル素子を提供する。

Description

従来技術
本発明は、各独立請求項の上位概念に記載されたマイクロメカニカル素子の製造方法およびマイクロメカニカル素子に関する。

音響的構造体を基板上に形成する手法は、欧州特許出願第１４４１５６１Ａ２号から公知である。この手法ではメンブレンを基板材料の上に形成するために、該メンブレンを貫通して該メンブレンと基板との間に自由空間をエッチング形成し、該メンブレンの間隔はエッチング工程によって、終了点ないしはエッチング制限なしで設けられる。このような手法の欠点は、メンブレンと基板との間に形成されるコンデンサシステムの電極間隔の定義が非常に良好でないため、メンブレン間隔の設定が非常に不精確になってしまい、また、設けられるメンブレン間隔も比較的大きくなってしまうことにより、コンデンサシステムから取り出される信号は比較的小さくなってしまうか、ないしは感度が低くなってしまう。

発明の開示
それに対し、独立請求項に記載のマイクロメカニカル素子の本発明の製造方法およびマイクロメカニカル素子は次のような利点を有する。すなわち、メンブレン構造体が非常に薄いメンブレンを有し、なおかつ、基板の部分領域との間に比較的小さい間隔をおいて配置することができるという利点を有する。このような特徴により、コンデンサシステムの電極間隔に関して特に小さい間隔を実現することができる。さらに、本発明において特に有利なのは、メンブレン構造体と基板材料ないしは基板との間の間隔を特に正確に調整することができ、特に正確に再現可能ないしは事前選択可能であり、かつ、面平行な面電極を実現できることである。さらに有利には、基板材料を除去するエッチング工程が終了するごとに、露出された基板壁を保護するためにパッシベーション層を堆積することもできる。基板壁とはここでは、基板においてメンブレン構造体の主延在面に対して実質的に垂直な領域を指す。

本発明では有利には、犠牲構造体を基板の第１の面に挿入または被着し、その際には犠牲構造体をエッチングステップによって、該基板の該第１の面に対向する第２の面から除去するのが有利である。こうすることにより、メンブレン構造体を実質的に一続きに形成することができ、すなわち、メンブレン構造体は孔ないしは切欠部を有さないようにすることができるので、本発明による素子は短期間の圧力変動の測定、とりわけ音波の測定にも使用することができ、また、たとえば絶対圧センサまたは相対圧センサで必要とされるような静的な圧力状態の測定を行うためにも使用することができる。

本発明ではさらに、メンブレン構造体を形成する層の形成の時間的に前および／または後に、モノリシック集積回路を製造するための処理ステップを実施するのが有利である。このことにより、本発明では有利には、マイクロメカニカル素子のための評価回路または駆動制御回路を基板上に直接モノリシック集積して設けることができる。このことにより、素子の製造を格段に簡略化し、より低コストで形成することができる。

さらに本発明では、メンブレン構造体の領域に設けられたカバー層を少なくとも部分的に除去するか、ないしは少なくとも１つの切欠部をメンブレン構造体に形成するのが有利である。このことにより、メンブレン構造体の機械的安定性および透過性とを、用途のそのつどの要件に適合することができる。

本発明の別の対象として、本発明による製造方法で製造された次のようなマイクロメカニカル素子を提供する。すなわち、メンブレン構造体と基板の少なくとも１つの部分領域とをコンデンサ構成体として有するマイクロメカニカル素子を提供する。このマイクロメカニカル素子はとりわけ、マイクロフォン、マイクロスピーカまたは圧力センサである。このような構成により、メンブレンと基板の部分領域との間の間隔を特に小さく実現することができ、マイクロメカニカル素子の感度を特に高くすることができる。本発明ではとりわけ、メンブレン構造体と基板の部分領域との間隔を約１０μｍ未満にし、有利には５μｍ未満にし、特に有利には約２μｍ未満にし、全く特に有利には約１μｍ未満にするのが有利である。このことにより、メンブレン構造体を素子のそのつどの使用領域に適合し、かつ素子の高い感度を実現することができる。

本発明ではさらに、メンブレン構造体が第１の電極を有し、基板の部分領域が第２の電極を有し、該第１の電極および／または第２の電極は少なくとも１つのパッシベーション層によって保護されるのが有利である。このことによって、たとえば圧力が測定されるかないしは音波が検出ないしは励振される媒体にマイクロメカニカル素子をさらすことができる。このような媒体コンタクトにより、有利には、第１の電極ないしは第２の電極は、場合によっては攻撃的な媒体によって攻撃されなくなる。

本発明ではさらに、メンブレン構造体を、基板内または基板表面にモノリシック集積される回路とともに設けるか、ないしはメンブレン構造体を一続きで設けるか、ないしはメンブレン構造体が切欠部を有するのが有利である。このような構成により、マイクロメカニカル素子を多数の適用例に特に簡単に適合することができ、たとえば一続きで設けられた（切欠部ないしは孔を有さない）メンブレン構造体を有する絶対圧センサまたは相対圧センサに適合するか、ないしは、メンブレン構造体の両側の圧力補償を行うのが有利であるためにメンブレン構造体が切欠部ないしは孔を有する音響的な用途に適合することが特に簡単になる。さらに、モノリシック集積可能な回路をマイクロメカニカル素子とともにモノリシック集積して設けるか、または別個に設け、たとえば多数の本発明の素子を別個の回路に接続することもできる。

特に有利には、部分領域および電極の全面を少なくとも１つのパッシベーション層によって包囲するか、ないしは、切欠部の壁と基板の第２の面とを少なくとも１つのパッシベーション層によって被覆する。このことによって、センサシステムないしは素子全体の特に良好な長時間安定性と媒体耐性とが実現される。

図面に本発明の実施例が示されており、これらの実施例について以下で詳しく説明する。

図面の簡単な説明
図面
図１ 本発明による素子の概略的な平面図である。

図２〜７ 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。

図８ 本発明による素子の断面図である。

図９ １つの実施形態による本発明の素子の前段階構造体を示す。

図１０ 本発明の１つの実施形態による本発明の素子の断面図である。

本発明の実施形態
図１に、本発明によるマイクロメカニカル素子１０の概略的な平面図が示されている。この素子１０は、基板２０およびメンブレン構造体３０を有する。とりわけ本発明では、メンブレン構造体３０とともに回路２５が、基板２０内部または基板２０表面にモノリシック集積で設けられている。このような回路２５はたとえば、メンブレン構造体３０ないしはマイクロメカニカル素子１０のための評価回路または駆動制御回路とするか、または組み合わされた評価回路および／または駆動制御回路とすることもできる。このようなメンブレン構造体３０によって、素子１０は、とりわけ相対圧ないしは絶対圧を検出するための圧力センサおよび／または音波を検出するための構造体ないしは音波用のアクチュエータ構造体を形成する。このことによって、素子１０をたとえばマイクロフォンまたはマイクロスピーカとして使用することができる。

図２〜１０に、素子１０の前段階構造体ないしは素子１０の断面が示されている。図２〜７および９は、図８に示された素子１０ないしは図１０に１つの実施形態で示された素子１０の前段階構造体を示している。これらの前段階構造体は、本発明の製造方法を図解するのに使用される。図２に第１の前段階構造体が示されている。この前段階構造体では、基板２０の第１の面２１に誘電体層が堆積されており、たとえば酸化シリコン層が堆積されている。この層は以下では、第２のパッシベーション層４２と称される。第２のパッシベーション層４２の後に、犠牲層ないしは犠牲構造体４０を設け、構造化する。この犠牲構造体４０ないしは犠牲層４０はたとえば、第２のパッシベーション層４２上にたとえばＣＶＤ法（chemical vapor deposition）によって構造化されて設けられた実質的に多晶質のシリコンを有する。この犠牲構造体４０上には別の誘電体層４１が設けられる。この別の誘電体層４１は、以下では第１のパッシベーション層４１とも称される。第１のパッシベーション層４１は少なくとも犠牲構造体４０の領域に、メンブレン構造体３０の一部分を形成する。第１のパッシベーション層４１の上には、第１の電極１６として少なくとも１つの導電層を堆積する。第１の電極１６上には本発明では別のカバー層を設けることができる。この別のカバー層は、電気的回路または電子的回路２５を基板２０の別の部分領域に形成する際に必要とされる。

この別のカバー層は以下でまとめて参照番号４３によって示される。参照番号４３′はとりわけ、たとえば窒化シリコンから成る封止パッシベーションカバー層を示す。この別の層４３はとりわけ酸化シリコンを含むが、いわゆる多層メタライジング１６′を含むこともできる。多層メタライジング１６′は、第１の電極１６を低抵抗で接続するのに使用される。基板２０の第１の面２１に対向する第２の面２２から、空洞２３を基板２０に形成することにより、たとえば、メンブレン構造体３０に対する次のような対向プレート２４、すなわち基板の部分領域２４にメンブレン構造体３０と反対側に設けられる対向プレート２４を形成することができる。この空洞２３を形成するためにはとりわけ、エッチングマスク４９（破線で示されている）を第２の面２２に形成した後、空洞２３をエッチング法によって形成する。基板２０の導電材料によって、基板２０の部分領域２４によって第２の電極１７が形成され、第１の電極１６と第２の電極１７とからコンデンサシステム１５が形成される。図２に示された前段階構造体には、メンブレン構造体３０は未だ完全には完成されていない。というのも、犠牲構造体４０が未だ存在するからである。

メンブレン構造体３０の形成に関しては、図３〜７に本発明による素子１０の別の前段階構造体が示されている。

図９には、本発明による素子１０の別の実施形態が、図２と同様に示されている。ここでは、犠牲構造体４０の層はメンブレン構造体３０の領域にのみ制限されるわけではなく、犠牲構造体の材料は素子１０の別の領域にも存在する。しかしここでは、犠牲構造体４０の材料は次のように構造化され、すなわち、該犠牲構造体４０と別の場所４０′との間に分離構造体４０″が設けられることにより、該犠牲構造体４０がすべての寸法で、すなわち幅でも、該犠牲構造体４０の材料の構造化によって画定されるように構造化されて設けられるのが示されている。このことは、素子１０の図２に示された実施形態にも当てはまる。このことによって本発明では、等方性エッチング工程によって次に、犠牲構造体４０を完全に除去することにより、画定されたメンブレン構造体３０を本発明で実現することができる。すなわち、基板２０の部分領域２４との間隔と幅とに関して比較的正確に定義された寸法でメンブレン構造体３０を実現することができる。図２の別の部分は図９でも設けられるので、ここで個別に再度言及しない。

図３に、本発明によるマイクロメカニカル素子３０の第２の前段階構造体が示されている。ここでは、第１の前段階構造体（図２ないしは図９を参照されたい）と異なり、基板２０の第２の面２２に第３のパッシベーション層４４が設けられており、この第３のパッシベーション層４４はとりわけ、酸化シリコン層であるか、ないしは一般的に酸化物層である。この第３のパッシベーション層はとりわけ、空洞２３の壁に設けられている。この壁は図３では、実質的に垂直に示されている。第３のパッシベーション層４４によって、空洞壁をエッチング攻撃から保護することができる。さらに、第３のパッシベーション層４４は基板２０の部分領域２４を保護するための媒体保護部としても使用される。このような媒体保護部は、素子１０を音響的に使用する場合、音響感知するメンブレン構造体３０ないしは音響駆動されるメンブレン構造体３０のための対向電極ないしは対向素子として使用される。

図４に、本発明による素子１０の第３の前段階構造体が示されている。ここでは、基板２０の第２の面２２からエッチング工程が実施された後の第３の前段階構造体が示されている。ここでは、第２の面２２に別のエッチングマスク４９′が破線で示されている。この別のエッチングマスク４９′において開口が設けられた場所において、第３のパッシベーション層４４と基板２０の部分領域２４とを貫通して開口２９が基板２０に、第２のパッシベーション層４２まで形成される。

図５には、本発明による素子１０の第４の前段階構造体が示されている。ここでは、基板２０の第２の面２２に第４のパッシベーション層４５が設けられている。これによってとりわけ、開口２９の垂直方向の壁がパッシベーションされ、その結果として得られる構成体は媒体コンタクトに対してより高耐性になる。

図６には、素子の第５の前段階構造体が示されている。この第５の前段階構造体では、基板２０の第２の面２２から、第２のパッシベーションステップ４２および第４のパッシベーションステップ４５を除去する別のエッチングステップが実施された。この別のエッチングステップを行うためにはとりわけ異方性エッチングステップが使用され、たとえばプラズマエッチングステップまたはイオンビームエッチングステップが使用される。このようなエッチングステップは、露出されている第２のパッシベーション層４２および第４のパッシベーション層４５を除去するのに適している。

図７には、素子１０の第６の前段階構造体が示されている。ここでは犠牲構造体４０が、とりわけ気相エッチング工程によって、たとえばＣＩＦ_３を使用して除去されている。ここで見て分かるように、基板２０ないしは対向する素子の部分領域２４に開口２９が存在するにもかかわらず、第２のパッシベーション層４２と第３のパッシベーション層４４と第４のパッシベーション層４５とがこの部分領域２４を完全に被覆してパッシベーションする。

図８には、本発明による素子１０が示されている。ここでは図７と異なり、第１の電極１６の上にメンブレン領域３０に未だ残留していたカバー層が除去されている。このカバー層を完全に除去する他に択一的に、もちろん、カバー層４３の一部分をこの領域に残すことも可能である。とりわけ本発明では、第１の電極１６の上面も（図中にない）カバー層によってパッシベーションされて設けられる。

本発明による素子１０のメンブレン構造体４０の（上から見た）形状はたとえば、図１に示されているように正方形または角形とするか、または円形、楕円形または別の形状とすることができる。さらに、開口２９を円形、角形、正方形、矩形、または楕円形の開口２９として設けることもできる（上から見て）。

基板２０はとりわけ半導体基板であり、有利にはシリコン基板である。このようなシリコン基板は有利には一続きで設けられるか、または少なくとも部分的に部分領域にドーピングされる。本発明ではとりわけ、メンブレン構造体３０に対向して位置する基板２０の部分領域２４において有利には、該部分領域２４と電気的コンタクトのための図中にない接続コンタクト面との間に比較的低抵抗の接続部を形成するためにドーピングを施すことができる。図面には示されていないが、とりわけ音響的用途で、メンブレン構造体３０の両側の圧力補償を行うためにメンブレン構造体３０に開口を設けることができる。

本発明では、メンブレン構造体３０と基板２０の部分領域３４との間のギャップが特に小さくなり、特に正確に再現可能に構成される。このことにより、素子１０の電極１６，１７間の間隔を小さく実現し、ひいては感度を高くすることができる。とりわけここでは、電極１６，１７の電極間隔を２μｍ未満にすることができる。部分領域２４も基本的にメンブレンであるが、このメンブレンはメンブレン構造体３０より格段に厚く設けられる。このことによって部分領域２４はメンブレン構造体３０より格段に高質量であるから、音響的用途ではメンブレン構造体３０の対向素子ないしは裏板として使用することができる。

基板２０内に回路を形成し、とりわけ評価回路を形成することにより、比較的高いマルチチップ構成を回避することができる。

図１０に断面図で概略的に示されているような本発明の実施形態では、第２の電極１７も次のように形成することができる。すなわち、基板２０の第１の面にまず第５のパッシベーション層４２′が堆積した後に、電極１７を形成するための導電層（たとえば金属層またはドーピングされて導電性になったポリシリコン層）が堆積し、次に再び第２のパッシベーション層４２が堆積するように形成することができる。他の製造ステップは上記と同様である。

図１０に示されているが第２の電極１７の形状に依存しない本発明の別の実施形態は、破線によって示された切欠部３５のみをメンブレン構造体３０に形成することである。このことはたとえば、音響的用途に適用される。

本発明による素子の概略的な平面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による製造方法を図解するための本発明の素子の前段階構造体の断面図である。 本発明による素子の断面図である。 １つの実施形態による本発明の素子の前段階構造体を示す。 本発明の１つの実施形態による本発明の素子の断面図である。

Claims (12)

1. 基板（２０）とメンブレン構造体（３０）とを有するマイクロメカニカル素子（１０）の製造方法であって、
   該マイクロメカニカル素子（１０）はとりわけマイクロフォン、マイクロスピーカまたは圧力センサであり、
   該メンブレン構造体（３０）を形成するためには、該基板（２０）にモノリシック集積される回路（２５）と両立する製造ステップのみを行う製造方法において、
   ・該基板（２０）の第１の面（２１）において、第２のパッシベーション層（４２）上に犠牲層領域（４０）を形成し、第１の電極（１６）の第１のパッシベーション層（４１）と別のカバー層（４３）とによって被覆し、
   ・該基板（２０）の該第１の面（２１）に対向する第２の面（２２）から、少なくとも１つのエッチングステップによって、該第２のパッシベーション層（４２）に達する切欠部（２９）を該基板（２０）に形成した後、該基板（２０）の露出された壁を保護するために第４のパッシベーション層（４５）を堆積し、
   ・該第２のパッシベーション層（４２）および第４のパッシベーション層（４５）を除去した後に該犠牲層領域（４０）を該切欠部（２９）の領域において、該第２の面（２２）から除去する
   ことを特徴とする製造方法。
2. 前記メンブレン構造体（３０）を形成する層の形成より時間的に前および／または後に、前記モノリシック集積される回路（２５）を形成するための製造ステップを実施する、請求項１記載の製造方法。
3. 前記メンブレン構造体（３０）の領域内に設けられたカバー層（４３，４３′）を少なくとも部分的に除去する、請求項１または２記載の製造方法。
4. 前記メンブレン構造体（３０）に少なくとも１つの切欠部（３５）を形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の製造方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の製造方法によって製造される、基板（２０）とメンブレン構造体（３０）とを有するマイクロメカニカル素子（１０）であって、
   とりわけマイクロフォン、マイクロスピーカまたは圧力センサであるマイクロメカニカル素子において、
   該メンブレン構造体（３０）と該基板（２０）の少なくとも１つの部分領域（２４）とがコンデンサシステム（１５）として構成されていることを特徴とする、マイクロメカニカル素子。
6. 前記メンブレン構造体（３０）と前記基板（２０）の部分領域（２４）との間隔は約１０μｍ未満であり、有利には約５μｍ未満であり、特に有利には約２μｍ未満である、請求項５記載のマイクロメカニカル素子。
7. 前記メンブレン構造体（３０）は第１の電極（１６）を有し、前記基板（２０）の部分領域（２４）は第２の電極（１７）を有し、
   該第１の電極（１６）および／または第２の電極（１７）は、少なくとも１つのパッシベーション層（４１，４２，４４，４５）によって保護されている、請求項５または６記載のマイクロメカニカル素子。
8. 前記メンブレン構造体（３０）は、前記基板（２０）の内部または表面上にモノリシック集積される回路（２５）とともに設けられている、請求項５から７までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
9. 前記メンブレン構造体（３０）は一続きで設けられている、請求項５から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
10. 前記メンブレン構造体（３０）は切欠部（３５）を有する、請求項５から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
11. 前記部分領域（２４）および前記電極（１６，１７）は全面で、少なくとも１つのパッシベーション層（４１，４２，４４，４５）によって包囲されている、請求項５から１０までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
12. 前記切欠部（２９）の壁と前記基板（２０）の第２の面（２２）とは、少なくとも１つのパッシベーション層（４１，４２，４４，４５）によって被覆されている、請求項５から１０までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。

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