微機械構件及其製造方法

2023-05-18 16:10:06 1

專利名稱：微機械構件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械構件，其包括第一襯底和與第一襯底連接的第二襯底，其中， 第一襯底具有帶有可動的功能元件的微結構，並且第一和第二襯底這樣地相互連接，使得功能元件被空腔包圍。本發明還涉及一種用於製造這種構件的方法。
背景技術：
微機械構件例如在汽車領域中用作慣性傳感器或加速度傳感器，通常具有帶有可動的功能元件的微結構。微結構也稱為MEMS結構(微機電系統)。在傳感器運行時，功能元件的偏移例如通過相對於固定的參考電極的電容量變化來檢測。用於製造微機械構件的常用方法包括在一個功能襯底上構造微結構並且將該功能襯底與一個蓋襯底通過所謂的晶片鍵合(bonding)方法連接。以這種方式構成包圍功能元件的空腔，功能元件通過該空腔嚴密地相對周圍環境密封。除了微結構外，還在功能襯底中構造被掩藏的帶狀導線，這些帶狀導線設置在功能結構下面。它們可作為電極用於電容式檢測功能元件的偏移以及提供通向在框架狀的蓋外部的觸點元件的電路徑(鍵合路徑)。功能襯底的覆蓋通常在預定的氣體氛圍或壓力氛圍中進行，以便在空腔中形成相應的壓力氛圍。使用密封玻璃(玻璃焊劑)作為用於連接功能襯底和蓋襯底的粘結劑，該密封玻璃例如藉助絲網印刷法施加到蓋襯底上。構件的這種結構與一系列缺點相關聯。掩藏的帶狀導線在MEMS結構旁或在蓋的外部通向觸點元件，這些帶狀導線的構造導致構件的面積需求很高。此外，該方法是複雜的並且需要大量的工藝步驟。例如，該方法可能要使用多於十個光刻的結構化平面或方法，由此得到用於總工藝的高的製造成本。在方法進程中也包含一些苛刻的工藝步驟，這些工藝步驟例如會導致掩藏的帶狀導線的不足蝕刻。使用密封玻璃還會導致比較寬的鍵合框架， 由此構件進一步增大。此外，密封玻璃在施加時摻以溶劑，該溶劑在鍵合方法時排出。但問題在於，溶劑的剩餘部分可能留在密封玻璃中，並且因此在空腔中會逸出氣體並且會改變預定的壓力。

發明內容
本發明的目的是，給出一種改進的用於製造微機械構件的方法和一種改進的微機械構件，其中避免上述的缺點。該目的通過一種按照權利要求1的方法和通過一種按照權利要求8的微機械構件實現。本發明的其他有利的改進方案在從屬權利要求中給出。按照本發明提出一種用於製造微機械構件的方法。該方法包括提供第一襯底並在第一襯底上構造微結構，其中該微結構具有可動的功能元件。該方法還包括提供第二襯底並在第二襯底中構造電極，用以電容式檢測功能元件的偏移。將第一和第二襯底相連接，其中，形成封閉的空腔，該空腔包圍功能元件，並且電極在功能元件的區域內鄰接於空腔。因為第二襯底具有用以電容式檢測功能元件的偏移的電極，所以可以省去在第一襯底中構造掩藏的帶狀導線和相對於微結構側向錯開的與帶狀導線連接的觸點元件。因此，微機械構件能以小的構件尺寸實現。構件也可以用比較少量的結構化平面或工藝步驟製造，由此所述方法是簡單而經濟的。此外，不存在苛刻的帶有消極後果如上述帶狀導線的不足蝕刻的工藝步驟，從而也不需要用於防止這種效果的耗費的措施。按照一種優選的實施形式，電極的構造包括在第二襯底中構造絕緣結構。通過該絕緣結構將用作電極的襯底區域鑲嵌在第二襯底中。按照一種優選的實施形式，微結構構造為帶有第一金屬層。在第二襯底上構造第二金屬層。第一和第二襯底的連接通過第一和第二金屬層實現。以這種方式可以在這兩個襯底之間形成嚴密密封的且節省空間的連接。也不存在逸出氣體的危險，由此空腔能以很低或限定的壓力構成。優選採用的連接方法是低共熔鍵合或熱壓鍵合。按照另一種優選的實施形式，在第一和第二襯底連接之後，在第二襯底的背側表面上去除襯底材料，以便在背側表面上露出電極，從而該電極可從外部接觸導通。因為襯底材料的去除只有在各襯底連接之後才執行，所以第二襯底在先前的方法步驟中可以具有比較大的厚度，由此所述方法可以更簡單地執行。在去除襯底材料之後還可以在第二襯底的背側表面上構造金屬化結構(Metallisierimg)，該金屬化結構接觸導通露出的電極。按照另一種優選的實施形式，在第二襯底中構造穿過第二襯底的接頭。通 過該接頭可以穿過第二襯底建立與微結構的電連接。按照本發明還提出一種微機械構件。該構件具有第一襯底和與第一襯底連接的第二襯底。第一襯底具有帶有可動的功能元件的微結構。第一和第二襯底這樣地相互連接， 使得功能元件被封閉的空腔包圍。該微機械構件的特徵在於，第二襯底具有電極用以電容式檢測功能元件的偏移，其中，所述電極在功能元件的區域內鄰接於空腔。通過在第二襯底中設置電極，能以簡單的方式、經濟地且以小的結構尺寸製造該構件。


下面根據附圖更詳細地說明本發明。圖中圖1至7分別以側剖視圖示出一種用於製造微機械構件的方法。
具體實施例方式下面的圖1至7示意性示出一微機械構件300的製造，該構件例如可在機動車中用作慣性傳感器。在製造時，可以採用在半導體技術中常見的工藝和材料。圖1和2示出用於構件300的、帶有微機械結構或者說MEMS結構150的功能襯底 100的製造，開始提供一個襯底100，該襯底例如具有半導體材料例如矽。襯底100可以是直徑例如為8英寸(200mm)的常用的晶片。接下來在襯底100上如在圖1中所示地施加一個犧牲層(Opferschicht) 110並在該犧牲層Iio上施加一個功能層120。犧牲層110優選具有氧化矽。功能層120可以是所謂的外延多晶矽層、亦即按外延法製成的多晶矽層。可選地，功能層120可以附加摻雜地構成，以便提高導電能力和/或給層120配設預定的機械應力。襯底100與層110、120的上述構造可以替代地通過所謂的SOI襯底(絕緣體上的矽)實現，其中功能層120在這裡可以具有單晶矽。
此 外如在圖1中所示地，在功能層120上施加一個薄的金屬層130。該金屬層130 的厚度可以在例如數十納米直至數個微米的範圍內。作為用於層130的材料考慮金屬例如鋁、銅或金。也可以使用金屬合金例如鋁_矽-銅合金。如在圖2中所示地，使金屬層130結構化。在這裡執行光刻結構化方法，在該結構化方法中首先在金屬層130上產生結構化的光刻漆層，並且以蝕刻方法使金屬層130結構化。接下來將結構化的金屬層130作為掩模用於在功能層120中蝕刻出凹穴140。通過這些凹穴140確定要形成的微結構150的形狀。凹穴蝕刻例如可藉助DRIE方法(深反應離子蝕刻方法)執行，其中採用各向異性地作用的蝕刻等離子。為了製成微結構150，此外去除犧牲層110的一部分，以便如在圖2中所示地露出電極指形件或者說功能元件151、153、154。為此目的，經由凹穴140將蝕刻介質或者蝕刻氣體引到犧牲層110。對於犧牲層110如上所述具有氧化矽的情況，在這裡例如可使用氫氟酸蒸汽。功能元件151形成所謂的ζ-擺杆，並且因此為了偏移而與襯底表面垂直地(「ζ方向」)構成。功能元件153、154形成振動器結構或梳形結構，其中功能元件154不能運動， 而功能元件153能平行於襯底表面(「x/y_方向」)偏移(見圖7)。在蝕刻犧牲層110之後，基本上製成帶有微結構150的襯底110。襯底100因此在下文稱作功能襯底100。因為僅僅執行一次光刻結構化，所以功能襯底100的製造與比較小的耗費相關聯。圖3至5示出蓋襯底200的製造，將該蓋襯底與功能襯底100連接以構成微機械構件300。在這裡，蓋襯底200不僅用於嚴密地密封功能元件151、153、154，而且附加地用於電容耦合和電接觸導通。開始時提供一襯底200，該襯底可以具有半導體材料例如矽。襯底200同樣可以是直徑例如為8英寸的晶片。如在圖3中所示地，在提供的襯底200中形成凹穴210，這些凹穴如進一步在下面描述地用於絕緣以及用於限定用於電容耦合和電耦合的襯底區域。為了構成凹穴210可以執行相應的光刻方法和蝕刻方法(例如DRIE方法)。凹穴210例如具有從數十到數百μπι 的深度。接著將一絕緣層220大面積地施加到襯底200上，填充凹穴210。絕緣層220例如具有氧化物或者替代地具有其他的電介質例如氮化物。依據另一光刻結構化方法，使絕緣層220結構化，從而得到在圖4中所示的構型，其中襯底200的半導體材料在部分區段內是露出的。通過設置在凹穴210中的絕緣層220圍起或者說限定這樣的襯底區域，所述襯底區域在微機械構件300中作為電極251用於電容式分析處理和作為接頭252用於電接觸導通。此外，通過結構化的層220在襯底表面上在一電極251的區域內限定一留空或者說空腔，該留空或空腔能實現功能元件151朝向電極251的運動。相應的通過層220限定的空腔或者說形貌240也在襯底200的另一區段上提供，從而能實現功能元件153沿x/y方向、 即與功能元件151的運動方向垂直地不受阻礙地運動。為了提高電極251和接頭252的導電能力，可選地可以在製造凹穴210或構成結構化的絕緣層220之前或之後實現襯底200的摻雜。為此目的，例如可以將磷玻璃(P0C13) 施加到襯底200上並且接著執行一個溫度步驟，以便將磷作為摻雜材料引入襯底200中。接下來將一金屬層230施加到襯底200或層220上並且藉助光刻結構化方法使該金屬層結構化，從而基本上製成蓋襯底200 (圖5)。關於用於金屬層230的可能的材料參見對於功能襯底100的金屬層130的上述實施方式。金屬層230的一部分設置在接頭252上並且用於這些接頭的接觸導通。此外，蓋襯底200的金屬層230連同功能襯底100的金屬層130 —起用於將這兩個襯底100、200依照晶片鍵合方法機械穩定地相互連接(圖6)。通過連接這兩個襯底100、 200，形成一個或者多個包圍功能元件151、153、154的空腔，這些空腔通過用作密封框架的層130、230嚴密地相對於周圍環境密封。襯底100、200此外這樣地連接，使得一個電極251 鄰接於在一個功能元件151上方的區域內的空腔。為了連接襯底100、200，優選執行低共熔的鍵合工藝，在該鍵合工藝中兩個金屬層 130,230在溫度作用下形成低共熔的合金。變換地，可以執行熱壓鍵合，在該熱壓鍵合中將層130、230通過溫度作用和相互壓緊襯底100、200連接成一個共同的層。但出於清晰的原因，層130、230在圖6和7中繼續作為單獨的層示出。關於所提到的鍵合方法，層130、230 的材料相應地彼此協調。此外兩個襯底100、200的連接在限定的具有預定(例如很低)壓力的氛圍中執行，以便在兩個襯底100、200之間該空腔或這些空腔中建立限定的壓力。通過經由金屬層 130,230的連接不存在逸出氣體的危險，從而一次建立的壓力不經受其他的變化。此外，經由層130、230的連接是能導電的並且可以比密封玻璃連接節省位置地(密封框架的寬度更小)實現。在連接兩個襯底100、200之後，還將在蓋襯底200背側表面上的襯底材料去除至少直至絕緣層220。按這種方式，在背側表面上的通過絕緣層220限定的電極251和接頭 252如圖6所示地露出，從而電極251和接頭252完全穿過襯底200或其半導體材料。在襯底背面上的去除例如可以通過背面磨削(例如CMP、化學機械拋光)實現。功能襯底100 也可按相應的去除工藝或磨削工藝背面變薄。此外如圖7所示地將另一絕緣層260大面積地施加在蓋襯底200的背側表面上， 並且依照光刻結構化方法使該另一絕緣層結構化，從而電極251和接頭252重新部分地露出。在這裡，還可將鋸切標記安置到層260中用以分成單個。接下來將另一金屬層270大面積地施加在襯底200的背側表面上或在絕緣層260上並且以光刻方式使該另一金屬層結構化，以便給電極251和接頭252配設金屬化結構，通過該金屬化結構能從外部接觸導通電極251和接頭252。然後可以執行分成單個的工藝，由此基本上製成微機械構件300。 構件300具有三個布線平面，這些布線平面通過用金屬層130覆蓋的功能層120、 穿過襯底200的接頭或貫穿觸點252和金屬層270形成。構件300還具有一個包括功能元件151的ζ擺杆和一個包括功能元件153、154的振動器結構，它們的振動方向在圖7中藉助箭頭示出。在構件300的ζ-擺杆運行時，測量在電極251和起參考電極作用的功能元件151 之間的電容，其中，功能元件151的偏移反映在電容變化中。在這裡，功能元件151可以通過配設給ζ擺杆的接頭252並通過層230、130、120接觸導通。為了能實現差動式評分析處理，這些功能元件151可以如在圖7中根據不同的箭頭方向所示地為了反相的偏移而相互連接。類似的工作方式適用于振動器結構，其中這裡測量在不可動的功能元件154和能偏移的功能元件153之間的電容。功能元件153、154在這裡可以通過所屬的接頭252並通過層230、130、120接觸導通。通過電極251和接頭252在微結構150上方的蓋襯底200中的布置，能實現構件 300的小的結構尺寸。該方法也基於僅僅六個光刻結構化平面或工藝，由此方法設計成簡單且經濟的。此外證明有利的是，蓋襯底200(必要時以及功能襯底100)的背側變薄只有在襯底100、200連接之後才執行，從而這些襯底在前述的方法步驟中可以具有較大的厚度。

根據附圖闡述的方法和微機械構件300構成本發明的優選的實施形式。此外能實現其他的實施形式，這些實施形式包括本發明的其他變型方案。特別是代替給出的材料也可應用其他材料。代替通過兩個金屬層、功能襯底和蓋襯底之間的連接也可通過一個例如施加在蓋襯底上的金屬層實現，該金屬層按一種鍵合方法直接與功能層連接。為此考慮的示例是在材料金(金屬層)和矽(功能層)之間的低共熔的連接形成。替代地，在蓋襯底中的電極和接頭可以藉助「矽通孔(Through-Silicon-Via) 」方法構成。在這裡，在襯底中構成凹穴，用絕緣層給這些凹穴加襯裡，以及接著用導電層填滿這些凹穴。微機械構件還可用其他數目的功能元件實現。此外，能夠實現這樣的構件的製造， 該構件具有僅一個或多個ζ-擺杆並且沒有振動器結構，其中ζ-擺杆可通過蓋襯底的電極和接頭分析處理。
權利要求
1.用於製造微機械構件(300)的方法，其特徵在於以下步驟提供第一襯底(100)；在第一襯底(100)上構造帶有可動的功能元件(151)的微結構(150)；提供第二襯底O00)；在第二襯底O00)中構造電極051)，用以電容式檢測功能元件(151)的偏移；以及將第一和第二襯底(100;200)相連接，其中，形成封閉的空腔，該空腔包圍功能元件 (151)，並且電極051)在功能元件(151)的區域內鄰接於該空腔。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，電極051)的構造包括在第二襯底(200) 中構造絕緣結構OlO ;220)，該絕緣結構包圍第二襯底O00)中的一個襯底區域。
3.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，將微結構(150)構造為具有第一金屬層(130)，並且在第二襯底(200)上構造第二金屬層030)，其中，通過第一和第二金屬層(130 ；230)實現第一和第二襯底(100 ；200)的連接。
4.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，第一和第二襯底(100;200) 的連接通過下列工藝之一進行低共熔鍵合；和熱壓鍵合。
5.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在第一和第二襯底(100; 200)連接之後去除第二襯底O00)的背側表面上的襯底材料，以便在該背側表面上露出電極(251)。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，在去除襯底材料之後在第二襯底(200)的背側表面上構造金屬化結構070)，該金屬化結構接觸導通露出的電極051)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在第二襯底O00)中構造接頭052)，通過該接頭能穿過第二襯底(200)與微結構(150)建立電連接。
8.微機械構件，包括第一襯底(100)和與第一襯底(100)連接的第二襯底000)，其中，第一襯底(100)具有帶有可動的功能元件(151)的微結構(150)，並且第一和第二襯底 (100 ；200)這樣地相互連接，使得功能元件(151)被封閉的空腔包圍，其特徵在於，第二襯底(200)具有電極051)用以電容式檢測功能元件(151)的偏移，該電極051)在功能元件(151)的區域內鄰接於該空腔。
9.根據權利要求8所述的微機械構件，其特徵在於，該電極(251)能在第二襯底(200) 的背側表面上接觸導通。
10.根據權利要求8或9所述的微機械構件，其特徵在於，設有金屬層(130；230)，第一和第二襯底(100 ；200)通過該金屬層相互連接。
11.根據權利要求10所述的微機械構件，其特徵在於，第二襯底(200)具有穿過第二襯底O00)的接頭052)，用以與微結構(150)建立電連接。
全文摘要
按照本發明的用於製造微機械構件(300)的方法包括以下步驟提供第一襯底(100)，在第一襯底(100)上形成微結構(150)，其中微結構(150)具有可動的功能元件(151)，提供第二襯底(200)，以及在第二襯底(200)中構造電極(251)，用以電容式檢測功能元件(151)的偏移。該方法還包括將第一和第二襯底(100；200)相連接，其中，形成封閉的空腔，該空腔包圍功能元件(151)，並且電極(251)在功能元件(151)的區域內鄰接於該空腔。
文檔編號B81C1/00GK102164848SQ200980137984
公開日2011年8月24日 申請日期2009年8月3日 優先權日2008年9月25日
發明者A·法伊 申請人:羅伯特·博世有限公司