JP2022514291A - ダイアフラムを備えたmemsセンサおよびmemsセンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はさらに、MEMSセンサの製造方法に関する。
本発明はダイアフラムを備えた任意のMEMSセンサに全般的に適用可能ではあるが、変位可能に配置されたダイアフラムを備えたMEMS圧力センサに関し、本発明を説明する。
- ベース構造の上にダイアフラムを提供し、その際、ダイアフラムが壁構造を介してベース構造から離隔されるステップと、
- 少なくとも2つの部分領域を有するダイアフラムのベース面を提供し、その際、部分領域の少なくとも1つが変位可能に配置されるステップと、
- 少なくとも1つの分離構造によって少なくとも2つの部分領域を分離および/または画定するステップと、
- 分離構造内に、流体が通り抜けるための少なくとも1つの流体通路を提供するステップと
を含む、MEMSセンサの製造方法を提供する。
それによって達成される利点の1つは、これにより、様々なダイアフラム形状の製造に際し、柔軟性が著しく向上することである。さらなる1つの利点は、簡単に製造され得る大きくて規則的に成形されるダイアフラム面上での、様々なダイアフラム形状の簡単で安価な製造である。さらなる1つの利点は、少なくとも1つの流体通路により、基本的に、比較的大きな背後体積、つまり密閉封入された体積を利用できることであり、これは、その中に封入された圧力の、例えばガス放出に対する安定性に関し、温度変化またはそれに類することに対する安定性に関しても、著しく改善する。
有利な一変形形態によれば、少なくとも2つの部分領域が、ベース面上で互いに対称的に配置され、とりわけ同一に形成される。これは、少なくとも2つの部分領域の簡単な製造および配置を可能にする。
上で挙げたおよび下でさらに解説する特徴を、それぞれ提示した組合せだけでなく、別の組合せでまたは単独でも、本発明の枠を逸脱することなく使用可能であることは自明である。
詳しくは図1では、例えば以下のやり方で製造されたMEMSセンサ1を示している。すなわち最初に、シリコンウエハ2上に第1のステップで酸化物層3が施された。これに関しては任意選択で、電気シールド効果を改善するために基板2がドープされ得る。続いて層4、とりわけシリコンリッチ窒化物(SiRiN)から成るダイアフラム層が堆積され、続いて酸化物層3と一緒に構造化され、これにより基板コンタクトが可能にされた。続いて下側電極5が、多結晶シリコンの堆積、その後の構造化によって製造された。その際、基板コンタクトが導電性の多結晶シリコンで満たされる。その後、酸化物層6の形態での下側の第1の犠牲層が堆積され、続いて構造化され、かつとりわけこれに加えて化学的・機械的な研磨によって平坦化された。続いてストッパ構造を付けるために、第2の酸化物層7が堆積および構造化された。続いて上側電極8を製造するため、多結晶シリコン8が堆積され、続いて構造化された。その後、第3の酸化物層9が堆積および平坦化された。続いてポスト、つまり柱22の形態での支持要素のための、および壁23のための構造化が行われた。続いて、シリコンリッチ窒化物(SiRiN)の形態でのダイアフラム材料10が堆積された。その後、ポストまたは柱22および壁23内の酸化物充填を行うため、第4の酸化物層11が堆積され、かつ化学的・機械的な研磨によって平坦化された。続いて最後のダイアフラム材料12が堆積され、かつ犠牲層6、7、9への1つまたは複数のエッチング通路を得るために、上側電極層8と一緒に構造化された。その後、犠牲層6、7、9が、気相エッチングにより、またはスティクションフリー湿式リリース(Stiction-free Nassrelease)プロセスを使って除去され、かつダイアフラム10、12が自由にされた。この自由にするプロセスにより金属表面が影響を受けなくてよい場合が有利であり、したがって、金パッドが使用されない限り、またはそれに類することがない限り、意図しない効果、例えば気相エッチングの際の金属パッド上への沈着または湿式リリースプロセスでの金属パッドのエッチングが回避される。続いて、相応に設定されたプロセス圧力で、ストレスに適合されたSiN層13が堆積された。このSiN層13が続いてコンタクトパッドのために構造化された。続いて任意選択で、SiN層13の上面で、約100nmの薄膜厚でのさらなる薄いポリシリコン層が堆積および構造化され得る。このポリシリコン層が任意選択で、基板2のように電気遮蔽を提供し得る。続いて金属面が堆積され、続いてコンタクトパッド14の製造のために構造化された。これで、変位可能なダイアフラムを備えたMEMSセンサ1の製造が実質的に終了した。
2.辺の長さが最大約160×160μmの幾つかの正方形の部分ダイアフラム。
ここでは、追加的な接続での使用および部分ダイアフラム間の分離が、ダイアフラム40のための利用可能な面を減少させるので、ダイアフラム40のために利用可能な面は、正方形のベース面41に対して約30μm減少している。
4.直径が最大約160μmの幾つかの丸い部分ダイアフラム
5.辺の長さが最大約320μmで、辺の長さの比が2:1より大きい幾つかの長方形の部分ダイアフラム。
図2では、正方形のベース面41を有するダイアフラム40を備えたMEMSセンサ1を示している。さらに、ダイアフラム40の4つの部分領域A、B、C、Dを示しており、これらの部分領域はそれぞれ、長方形に、かつ変位可能に形成されている。長方形の領域A、B、C、Dは、正方形のベース面41の内部に配置されており、かつベース面41内で、点状の、ライン上に配置された柱22によって互いから分離されている。正方形のベース面41の画定は、広さがあり周りを取り囲んでいる壁23によって行われており、壁23は、とりわけ、点状の柱22と同様に、酸化物が充填されたダイアフラム材料から成り得る。この点状の柱22は、断面が丸い、角張っている、および/または正方形であることができ、かつそれぞれ10μm~50μmの間の間隔をあけて、長方形の領域A、B、C、Dの長辺に平行に配置され得る。柱22により、部分領域A、B、C、Dの間で開口部または流体通路80が可能であり、これにより、それぞれの部分領域A、B、C、Dの空間の間の流体連通が可能になる。部分領域A、B、C、Dの内部にはそれぞれ電極ペア21が配置されている。
詳しくは、図3では上の領域にダイアフラム40の部分領域Aの平面図を示しており、図3の下の領域には断面図を示している。ダイアフラム40は、壁構造23を介してベース構造2’から離隔されている。この場合、ベース構造2’と、壁構造23と、ダイアフラム40とが、中空空間30を包囲している。ベース構造2’の上面およびダイアフラム40の下面には、第1のキャパシタンス50を形成するための電極ペア21aが配置されている。この電極ペア21aは、この場合、壁構造23の左部分と右部分の間で実質的に真ん中に配置されている。第1の電極ペア21aと壁構造23の左部分または右部分との間には、それぞれサイドに鉛直な支持構造22が配置されている。両方の支持構造22と、壁構造23のそれぞれの左部分または右部分との間では、ベース構造2’の上面およびダイアフラム40の下面にそれぞれ第2の電極ペア21bが配置されている。これにより、第2のキャパシタンス60、例えば基準キャパシタンスが形成される。この場合、部分領域Aの寸法71、72は、長さ72として約320マイクロメートルおよび幅71として約70~80マイクロメートルである。
図4では、異なるMEMSセンサ1を図4の中央に示しており、これらのMEMSセンサ1はそれぞれ、正方形のベース面41を有するダイアフラム40を備えており、各々のダイアフラム40がそれぞれ4つの部分ダイアフラム領域A、B、C、Dを有している。この場合、図4の左側に断面図で示しているように、それぞれダイアフラム40の下面およびベース構造2’の上面に電極ペアが配置されている。4つの部分ダイアフラム領域A、B、C、Dはそれぞれ320μm×72μmの大きさを有しており、かつ部分領域A、B、C、Dの間の間隔は10μmである。4つの部分ダイアフラム領域A、B、C、Dを介し、図4の右側に示した方式に従って、電極101、102が上側電極として、および下側電極として電極103、104が相互に接続されている。とりわけ、キャパシタンスおよび/または基準キャパシタンスを形成するために、異なる部分領域A、B、C、D内の下側電極103、104および/または異なる部分領域A、B、C、D内の上側電極101、102が相互に接続され得る。図4の実施形態の1つでは、2つの基準キャパシタンスおよび2つの可変キャパシタンスが形成され、これに関し(それぞれ斜めに走る矢印によって示された)2つの可変キャパシタンスは、ダイアフラム40の中央の両方の領域BおよびCによって形成されている。
図5では、図1の符号を有するMEMSセンサの製造方法を示している。
これに関し第1のステップS1では、ベース構造2、3、4の上でのダイアフラム40の提供が行われ、その際、ダイアフラム40が壁構造23を介してベース構造2、3、4から離隔される。
さらに第4のステップS4では、分離構造22内での、流体が通り抜けるための少なくとも1つの流体通路80の提供が行われる。
・ 正方形のダイアフラム面内でのほぼ長方形の個々のダイアフラムの連結、その際、とりわけ、ベースキャパシタンスC0の低下の際の、キャパシタンス構成とベースキャパシタンスの比ΔC/C0の上昇が可能にされ、これが有利である。
・ 正方形のベース面内での多角形の個々のダイアフラムの連結。
・ 正方形のダイアフラム面内でのほぼ長方形の個々のダイアフラムの連結、例えば辺の長さと幅のアスペクト比が2:1以上の台形、多角形、オーバル形。
・ ダイアフラム材料から成っており、酸化物充填された壁による個々のダイアフラムの分離。
・ ダイアフラム材料から成っており、酸化物充填された点状の柱による個々のダイアフラムの分離、例えば丸い、角張った、三角形、多角形、またはそれに類する形。
・ ダイアフラムの内側の電気的にアクティブな領域内での柱による感圧性の基準キャパシタンスの機械的補強
・ 柱または壁による感圧性の測定キャパシタンスの可変の機械的補強。
・ 丸い、多角形、正方形、または三角形の幾何形状の柱によるダイアフラムの可変の機械的支持。
・ 2μm~20μmの可変の直径をもつ柱および壁によるダイアフラムの可変の機械的支持。
・ 内部にもう1つの使用キャパシタンスを有する、周りを取り囲むキャパシタンス、およびこれらキャパシタンスの支持構造による分離。
Claims (13)
- ダイアフラム(40)を備えたMEMSセンサ(1)であって、
前記ダイアフラム(40)のベース面(41)が、周りを取り囲む壁構造(23)によって画定されており、かつ
前記ベース面(41)が少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)を有し、前記部分領域(A、B、C、D)のうち少なくとも1つが変位可能に配置されており、かつ前記少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)が、少なくとも1つの分離構造(22)によって互いから分離されているかまたは前記少なくとも1つの分離構造(22)によって画定されており、かつ前記分離構造(22)が、流体が通り抜けるための少なくとも1つの流体通路(80)を有するMEMSセンサ。 - 前記少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)が、前記ベース面(41)上で互いに対称的に配置されており、とりわけ同一に形成されている、請求項1に記載のMEMSセンサ。
- 前記分離構造(22)が少なくとも1つの柱を含んでいる、請求項1または2に記載のMEMSセンサ。
- 前記分離構造(22)が、規則的な間隔をあけて、とりわけ互いに対してそれぞれ同じ間隔をあけて配置された複数の柱を含んでいる、請求項3に記載のMEMSセンサ。
- 前記少なくとも1つの柱(22)が、断面では少なくとも部分的に丸くおよび/または角張って形成されており、好ましくは台形、三角形、正方形、および/またはオーバル形に形成されている、請求項3または4の記載のMEMSセンサ。
- 前記少なくとも1つの柱(22)が、異なって形成された少なくとも2つの区間を有している、請求項3から5のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。
- 前記柱(22)の少なくとも2つが異なる直径を有している、請求項4から6のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。
- 前記少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)が長方形に形成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。
- 前記壁構造(23)および/または前記分離構造(22)が2種の異なる材料から製造されている、請求項1から8のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。
- 前記分離構造(22)および/または前記壁構造(23)が、ダイアフラム材料および/または絶縁材料および/または導電性材料から製造されている、請求項9に記載のMEMSセンサ。
- 少なくとも1つの部分領域(A、B、C、D)内に、第1のキャパシタンス(50)を形成するための第1の電極構造(21a)および第2のキャパシタンス(60)を形成するための第2の電極構造(21b)が配置されており、前記両方の電極構造(21a、21b)が前記分離構造(22)によって互いから離隔されている、請求項1から10のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。
- 前記少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)の少なくとも1つが基準キャパシタンスとして形成されている、請求項11に記載のMEMSセンサ。
- - ベース構造(2、3、4)の上にダイアフラム(40)を提供し(S1)、その際、前記ダイアフラム(40)が壁構造(23)を介して前記ベース構造(2、3、4)から離隔されるステップと、
- 少なくとも2つの部分領域(A、B、C、D)を有する前記ダイアフラム(40)のベース面(41)を提供し(S2)、その際、前記部分領域(A、B、C、D)の少なくとも1つが変位可能に配置されるステップと、
- 少なくとも1つの分離構造(22)によって前記少なくとも2つの部分領域を分離(S3a)および/または画定(S3b)するステップと、
- 前記分離構造(22)内に、流体が通り抜けるための少なくとも1つの流体通路(80)を提供するステップ(S4)と
を含む、MEMSセンサ(1)の製造方法。
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