CN102164848B - 微机械构件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

按照本发明的用于制造微机械构件(300)的方法包括以下步骤：提供第一衬底(100)，在第一衬底(100)上形成微结构(150)，其中微结构(150)具有可动的功能元件(151)，提供第二衬底(200)，以及在第二衬底(200)中构造电极(251)，用以电容式检测功能元件(151)的偏移。该方法还包括将第一和第二衬底(100；200)相连接，其中，形成封闭的空腔，该空腔包围功能元件(151)，并且电极(251)在功能元件(151)的区域内邻接于该空腔。

Description

微机械构件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机械构件，其包括第一衬底和与第一衬底连接的第二衬底，其中，第一衬底具有带有可动的功能元件的微结构，并且第一和第二衬底这样地相互连接，使得功能元件被空腔包围。本发明还涉及一种用于制造这种构件的方法。

背景技术

微机械构件例如在汽车领域中用作惯性传感器或加速度传感器，通常具有带有可动的功能元件的微结构。微结构也称为MEMS结构(微机电系统)。在传感器运行时，功能元件的偏移例如通过相对于固定的参考电极的电容量变化来检测。

用于制造微机械构件的常用方法包括在一个功能衬底上构造微结构并且将该功能衬底与一个盖衬底通过所谓的晶片键合(bonding)方法连接。以这种方式构成包围功能元件的空腔，功能元件通过该空腔严密地相对周围环境密封。除了微结构外，还在功能衬底中构造被掩藏的带状导线，这些带状导线设置在功能结构下面。它们可作为电极用于电容式检测功能元件的偏移以及提供通向在框架状的盖外部的触点元件的电路径(键合路径)。功能衬底的覆盖通常在预定的气体氛围或压力氛围中进行，以便在空腔中形成相应的压力氛围。使用密封玻璃(玻璃焊剂)作为用于连接功能衬底和盖衬底的粘结剂，该密封玻璃例如借助丝网印刷法施加到盖衬底上。

构件的这种结构与一系列缺点相关联。掩藏的带状导线在MEMS结构旁或在盖的外部通向触点元件，这些带状导线的构造导致构件的面积需求很高。此外，该方法是复杂的并且需要大量的工艺步骤。例如，该方法可能要使用多于十个光刻的结构化平面或方法，由此得到用于总工艺的高的制造成本。在方法进程中也包含一些苛刻的工艺步骤，这些工艺步骤例如会导致掩藏的带状导线的不足蚀刻。使用密封玻璃还会导致比较宽的键合框架，由此构件进一步增大。此外，密封玻璃在施加时掺以溶剂，该溶剂在键合方法时排出。但问题在于，溶剂的剩余部分可能留在密封玻璃中，并且因此在空腔中会逸出气体并且会改变预定的压力。

发明内容

本发明的目的是，给出一种改进的用于制造微机械构件的方法和一种改进的微机械构件，其中避免上述的缺点。

该目的通过一种按照权利要求1的方法和通过一种按照权利要求8的微机械构件实现。本发明的其他有利的改进方案在从属权利要求中给出。

按照本发明提出一种用于制造微机械构件的方法。该方法包括提供第一衬底并在第一衬底上构造微结构，其中该微结构具有可动的功能元件。该方法还包括提供第二衬底并在第二衬底中构造电极，用以电容式检测功能元件的偏移。将第一和第二衬底相连接，其中，形成封闭的空腔，该空腔包围功能元件，并且电极在功能元件的区域内邻接于空腔。

因为第二衬底具有用以电容式检测功能元件的偏移的电极，所以可以省去在第一衬底中构造掩藏的带状导线和相对于微结构侧向错开的与带状导线连接的触点元件。因此，微机械构件能以小的构件尺寸实现。构件也可以用比较少量的结构化平面或工艺步骤制造，由此所述方法是简单而经济的。此外，不存在苛刻的带有消极后果如上述带状导线的不足蚀刻的工艺步骤，从而也不需要用于防止这种效果的耗费的措施。

按照一种优选的实施形式，电极的构造包括在第二衬底中构造绝缘结构。通过该绝缘结构将用作电极的衬底区域镶嵌在第二衬底中。

按照一种优选的实施形式，微结构构造为带有第一金属层。在第二衬底上构造第二金属层。第一和第二衬底的连接通过第一和第二金属层实现。以这种方式可以在这两个衬底之间形成严密密封的且节省空间的连接。也不存在逸出气体的危险，由此空腔能以很低或限定的压力构成。优选采用的连接方法是低共熔键合或热压键合。

按照另一种优选的实施形式，在第一和第二衬底连接之后，在第二衬底的背侧表面上去除衬底材料，以便在背侧表面上露出电极，从而该电极可从外部接触导通。因为衬底材料的去除只有在各衬底连接之后才执行，所以第二衬底在先前的方法步骤中可以具有比较大的厚度，由此所述方法可以更简单地执行。在去除衬底材料之后还可以在第二衬底的背侧表面上构造金属化结构(Metallisierung)，该金属化结构接触导通露出的电极。

按照另一种优选的实施形式，在第二衬底中构造穿过第二衬底的接头。通过该接头可以穿过第二衬底建立与微结构的电连接。

按照本发明还提出一种微机械构件。该构件具有第一衬底和与第一衬底连接的第二衬底。第一衬底具有带有可动的功能元件的微结构。第一和第二衬底这样地相互连接，使得功能元件被封闭的空腔包围。该微机械构件的特征在于，第二衬底具有电极用以电容式检测功能元件的偏移，其中，所述电极在功能元件的区域内邻接于空腔。通过在第二衬底中设置电极，能以简单的方式、经济地且以小的结构尺寸制造该构件。

附图说明

下面根据附图更详细地说明本发明。图中：

图1至7分别以侧剖视图示出一种用于制造微机械构件的方法。

具体实施方式

下面的图1至7示意性示出一微机械构件300的制造，该构件例如可在机动车中用作惯性传感器。在制造时，可以采用在半导体技术中常见的工艺和材料。

图1和2示出用于构件300的、带有微机械结构或者说MEMS结构150的功能衬底100的制造，开始提供一个衬底100，该衬底例如具有半导体材料例如硅。衬底100可以是直径例如为8英寸(200mm)的常用的晶片。

接下来在衬底100上如在图1中所示地施加一个牺牲层(Opferschicht)110并在该牺牲层110上施加一个功能层120。牺牲层110优选具有氧化硅。功能层120可以是所谓的外延多晶硅层、亦即按外延法制成的多晶硅层。可选地，功能层120可以附加掺杂地构成，以便提高导电能力和/或给层120配设预定的机械应力。衬底100与层110、120的上述构造可以替代地通过所谓的SOI衬底(绝缘体上的硅)实现，其中功能层120在这里可以具有单晶硅。

此外如在图1中所示地，在功能层120上施加一个薄的金属层130。该金属层130的厚度可以在例如数十纳米直至数个微米的范围内。作为用于层130的材料考虑金属例如铝、铜或金。也可以使用金属合金例如铝-硅-铜合金。

如在图2中所示地，使金属层130结构化。在这里执行光刻结构化方法，在该结构化方法中首先在金属层130上产生结构化的光刻漆层，并且以蚀刻方法使金属层130结构化。接下来将结构化的金属层130作为掩模用于在功能层120中蚀刻出凹穴140。通过这些凹穴140确定要形成的微结构150的形状。凹穴蚀刻例如可借助DRIE方法(深反应离子蚀刻方法)执行，其中采用各向异性地作用的蚀刻等离子。

为了制成微结构150，此外去除牺牲层110的一部分，以便如在图2中所示地露出电极指形件或者说功能元件151、153、154。为此目的，经由凹穴140将蚀刻介质或者蚀刻气体引到牺牲层110。对于牺牲层110如上所述具有氧化硅的情况，在这里例如可使用氢氟酸蒸汽。功能元件151形成所谓的z-摆杆，并且因此为了偏移而与衬底表面垂直地(“z方向”)构成。功能元件153、154形成振动器结构或梳形结构，其中功能元件154不能运动，而功能元件153能平行于衬底表面(“x/y-方向”)偏移(见图7)。

在蚀刻牺牲层110之后，基本上制成带有微结构150的衬底110。衬底100因此在下文称作功能衬底100。因为仅仅执行一次光刻结构化，所以功能衬底100的制造与比较小的耗费相关联。

图3至5示出盖衬底200的制造，将该盖衬底与功能衬底100连接以构成微机械构件300。在这里，盖衬底200不仅用于严密地密封功能元件151、153、154，而且附加地用于电容耦合和电接触导通。开始时提供一衬底200，该衬底可以具有半导体材料例如硅。衬底200同样可以是直径例如为8英寸的晶片。

如在图3中所示地，在提供的衬底200中形成凹穴210，这些凹穴如进一步在下面描述地用于绝缘以及用于限定用于电容耦合和电耦合的衬底区域。为了构成凹穴210可以执行相应的光刻方法和蚀刻方法(例如DRIE方法)。凹穴210例如具有从数十到数百μm的深度。

接着将一绝缘层220大面积地施加到衬底200上，填充凹穴210。绝缘层220例如具有氧化物或者替代地具有其他的电介质例如氮化物。依据另一光刻结构化方法，使绝缘层220结构化，从而得到在图4中所示的构型，其中衬底200的半导体材料在部分区段内是露出的。

通过设置在凹穴210中的绝缘层220围起或者说限定这样的衬底区域，所述衬底区域在微机械构件300中作为电极251用于电容式分析处理和作为接头252用于电接触导通。此外，通过结构化的层220在衬底表面上在一电极251的区域内限定一留空或者说空腔，该留空或空腔能实现功能元件151朝向电极251的运动。相应的通过层220限定的空腔或者说形貌240也在衬底200的另一区段上提供，从而能实现功能元件153沿x/y方向、即与功能元件151的运动方向垂直地不受阻碍地运动。

为了提高电极251和接头252的导电能力，可选地可以在制造凹穴210或构成结构化的绝缘层220之前或之后实现衬底200的掺杂。为此目的，例如可以将磷玻璃(POCl3)施加到衬底200上并且接着执行一个温度步骤，以便将磷作为掺杂材料引入衬底200中。

接下来将一金属层230施加到衬底200或层220上并且借助光刻结构化方法使该金属层结构化，从而基本上制成盖衬底200(图5)。关于用于金属层230的可能的材料参见对于功能衬底100的金属层130的上述实施方式。金属层230的一部分设置在接头252上并且用于这些接头的接触导通。

此外，盖衬底200的金属层230连同功能衬底100的金属层130一起用于将这两个衬底100、200依照晶片键合方法机械稳定地相互连接(图6)。通过连接这两个衬底100、200，形成一个或者多个包围功能元件151、153、154的空腔，这些空腔通过用作密封框架的层130、230严密地相对于周围环境密封。衬底100、200此外这样地连接，使得一个电极251邻接于在一个功能元件151上方的区域内的空腔。

为了连接衬底100、200，优选执行低共熔的键合工艺，在该键合工艺中两个金属层130、230在温度作用下形成低共熔的合金。变换地，可以执行热压键合，在该热压键合中将层130、230通过温度作用和相互压紧衬底100、200连接成一个共同的层。但出于清晰的原因，层130、230在图6和7中继续作为单独的层示出。关于所提到的键合方法，层130、230的材料相应地彼此协调。

此外两个衬底100、200的连接在限定的具有预定(例如很低)压力的氛围中执行，以便在两个衬底100、200之间该空腔或这些空腔中建立限定的压力。通过经由金属层130、230的连接不存在逸出气体的危险，从而一次建立的压力不经受其他的变化。此外，经由层130、230的连接是能导电的并且可以比密封玻璃连接节省位置地(密封框架的宽度更小)实现。

在连接两个衬底100、200之后，还将在盖衬底200背侧表面上的衬底材料去除至少直至绝缘层220。按这种方式，在背侧表面上的通过绝缘层220限定的电极251和接头252如图6所示地露出，从而电极251和接头252完全穿过衬底200或其半导体材料。在衬底背面上的去除例如可以通过背面磨削(例如CMP、化学机械抛光)实现。功能衬底100也可按相应的去除工艺或磨削工艺背面变薄。

此外如图7所示地将另一绝缘层260大面积地施加在盖衬底200的背侧表面上，并且依照光刻结构化方法使该另一绝缘层结构化，从而电极251和接头252重新部分地露出。在这里，还可将锯切标记安置到层260中用以分成单个。接下来将另一金属层270大面积地施加在衬底200的背侧表面上或在绝缘层260上并且以光刻方式使该另一金属层结构化，以便给电极251和接头252配设金属化结构，通过该金属化结构能从外部接触导通电极251和接头252。然后可以执行分成单个的工艺，由此基本上制成微机械构件300。

构件300具有三个布线平面，这些布线平面通过用金属层130覆盖的功能层120、穿过衬底200的接头或贯穿触点252和金属层270形成。构件300还具有一个包括功能元件151的z摆杆和一个包括功能元件153、154的振动器结构，它们的振动方向在图7中借助箭头示出。

在构件300的z-摆杆运行时，测量在电极251和起参考电极作用的功能元件151之间的电容，其中，功能元件151的偏移反映在电容变化中。在这里，功能元件151可以通过配设给z摆杆的接头252并通过层230、130、120接触导通。为了能实现差动式评分析处理，这些功能元件151可以如在图7中根据不同的箭头方向所示地为了反相的偏移而相互连接。类似的工作方式适用于振动器结构，其中这里测量在不可动的功能元件154和能偏移的功能元件153之间的电容。功能元件153、154在这里可以通过所属的接头252并通过层230、130、120接触导通。

通过电极251和接头252在微结构150上方的盖衬底200中的布置，能实现构件300的小的结构尺寸。该方法也基于仅仅六个光刻结构化平面或工艺，由此方法设计成简单且经济的。此外证明有利的是，盖衬底200(必要时以及功能衬底100)的背侧变薄只有在衬底100、200连接之后才执行，从而这些衬底在前述的方法步骤中可以具有较大的厚度。

根据附图阐述的方法和微机械构件300构成本发明的优选的实施形式。此外能实现其他的实施形式，这些实施形式包括本发明的其他变型方案。特别是代替给出的材料也可应用其他材料。

代替通过两个金属层、功能衬底和盖衬底之间的连接也可通过一个例如施加在盖衬底上的金属层实现，该金属层按一种键合方法直接与功能层连接。为此考虑的示例是在材料金(金属层)和硅(功能层)之间的低共熔的连接形成。

替代地，在盖衬底中的电极和接头可以借助“硅通孔(Through-Silicon-Via)”方法构成。在这里，在衬底中构成凹穴，用绝缘层给这些凹穴加衬里，以及接着用导电层填满这些凹穴。

微机械构件还可用其他数目的功能元件实现。此外，能够实现这样的构件的制造，该构件具有仅一个或多个z-摆杆并且没有振动器结构，其中z-摆杆可通过盖衬底的电极和接头分析处理。

Claims (10)

1.用于制造微机械构件（300）的方法，包括以下步骤：

提供第一衬底（100）；

在第一衬底（100）上构造带有可动的功能元件（151）的微结构（150）；

提供第二衬底（200）；

在第二衬底（200）中构造电极（251），用以电容式检测功能元件（151）的偏移；以及

将第一和第二衬底（100；200）相连接，其中，形成封闭的空腔，该空腔包围功能元件（151），并且电极（251）在功能元件（151）的区域内邻接于该空腔，其特征在于，

电极（251）的构造包括在第二衬底（200）中构造绝缘结构（210；220），该绝缘结构包围第二衬底（200）中的一个衬底区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将微结构（150）构造为具有第一金属层（130），并且在第二衬底（200）上构造第二金属层（230），其中，通过第一和第二金属层（130；230）实现第一和第二衬底（100；200）的连接。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一和第二衬底（100；200）的连接通过下列工艺之一进行：

低共熔键合；和

热压键合。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一和第二衬底（100；200）连接之后去除第二衬底（200）的背侧表面上的衬底材料，以便在该背侧表面上露出电极（251）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在去除衬底材料之后在第二衬底（200）的背侧表面上构造金属化结构（270），该金属化结构接触导通露出的电极（251）。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第二衬底（200）中构造接头（252），通过该接头能穿过第二衬底（200）与微结构（150）建立电连接。

7.微机械构件，包括第一衬底（100）和与第一衬底（100）连接的第二衬底（200），其中，第一衬底（100）具有带有可动的功能元件（151）的微结构（150），并且第一和第二衬底（100；200）这样地相互连接，使得功能元件（151）被封闭的空腔包围，其中，第二衬底（200）具有电极（251）用以电容式检测功能元件（151）的偏移，该电极（251）在功能元件（151）的区域内邻接于该空腔，其特征在于，所述电极（251）被以第二衬底（200）的衬底区域的形式构造，所述衬底区域被构造在第二衬底（200）中的绝缘结构（210；220）包围。

8.根据权利要求7所述的微机械构件，其特征在于，该电极（251）能在第二衬底（200）的背侧表面上接触导通。

9.根据权利要求7或8所述的微机械构件，其特征在于，设有金属层（130；230），第一和第二衬底（100；200）通过该金属层相互连接。

10.根据权利要求9所述的微机械构件，其特征在于，第二衬底（200）具有穿过第二衬底（200）的接头（252），用以与微结构（150）建立电连接。