(57)【要約】  本発明による方法は、基板（１）内での膜状、ブリッジング又は張り出し表面（２）を有する微細構造体の製造に関する。この際、張り出し表面（２）は、エッチングプロセスによってもたらされる材料弱化のために、及び基板内の凹部（３）を生成するために材料を除去した結果として生じる。この目的のために、第１のプロセスステップにおいて、例えばガラスから成る基板（１）内に、改変部（４）が、環状に閉じられている周囲輪郭（５）に沿ってレーザ照射によって基板（１）に導入される。第一ステップでは、湿式化学エッチング浴に耐性のない犠牲層（６）そしてその犠牲層の上に、エッチング媒体に対して耐性のある膜層（７）、例えば金属層が、改変された基板（１）上に形成される。次いで、エッチング工程は、（さらに図示しない）エッチング媒体によって、膜層（７）とは反対の基板（１）の側の上で行われる。エッチング工程は、周囲輪郭（５）に沿って、基板材料の線状の、溝状の除去をもたらす。最終的に、漸進的な除去と、それに対応して深くなる溝状の材料除去により、犠牲層（６）に到達する。エッチング効果によって、犠牲層が周囲輪郭（５）に応じてだけでなく、周囲輪郭５に対して横方向にも溶解する。その結果、周囲輪郭（５）で取り囲まれている領域は、その密着力又は結合力を失い基板（１）から一枚で取り除くことができる。
2021534004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）内に凹部（３）を生成する為の材料除去によって、エッチングプロセスによって生じる材料弱化のために、膜状、ブリッジング、又は張り出し表面（２）を有する微細構造体を基板（１）内に製造する為の方法において、
第一のステップでは、好ましくはリング形状に閉じられている円周輪郭（５）に沿って、レーザ照射を用いて改変部（４）がガラス基板（１）に導入され、及び張り出した又はブリッジング表面（２）を製造するために少なくとも１つの膜層（７）が、ガラス基板上に平らに形成されることによって、ガラスからなる、特に石英ガラスからなる基板（１）によって形成されているガラス基板内に微細構造体が生成され、
その際、改変部（４）の周囲輪郭（５）を取り囲む少なくとも部分表面部内に、基板（１）と膜層（７）の間の一つの犠牲層（６）が、挿入され、
その後、膜層（７）とは反対の基板（１）の側が、エッチング工程にさらされ、このエッチング工程によって、材料除去が、主にレーザ改変部領域の周囲輪郭（５）に沿って、犠牲層（６）に達するまで行われ、その結果、犠牲層（６）が溶解され又は縮小せれ、且つ最終的に、周囲の基板（１）から、及び膜層（７）から周囲輪郭（５）に取り囲まれている基板（１）の輪郭の接合を分離すること、を特徴とする方法。
【請求項２】
ガラス基板内に凹部（３）を生成する為の材料除去によって、エッチングプロセスによって生じる材料弱化によって、膜状、ブリッジング、又は張り出し表面（２）を有する微細構造体を、ガラス基板内に、特に石英ガラスからなるガラス基板内に製造する為の方法が、以下のステップ、即ち、
・少なくとも１つの、好ましくはリング形状に閉じられている周囲輪郭（５）に沿って、ガラス基板内へレーザ照射を用いた改変部（４）を導入するステップ、
・改変部（４）の周囲輪郭（５）を取り囲む第１の領域内でガラス基板上に犠牲層を形成するステップ、
・第一の領域を取り囲む第二の領域内で犠牲層（６）上に膜層（７）を形成するステップ、
・膜層（７）とは反対のガラス基板側のガラス基板をエッチングするステップで、このステップによって、材料除去が、少なくとも基本的に、レーザ改変部領域の改変部の周囲輪郭（５）に沿って、犠牲層（６）に達するまで生じ、その結果、犠牲層（６）を溶解又は縮小し、且つ最終的に、周囲輪郭（５）で取り囲まれているガラス基板の輪郭の、周囲のガラス基板及び膜層（７）との接続を分離すること、を含む方法。
【請求項３】
レーザ照射を用いた改変部（４）がガラス基板へ導入された後に、ガラス基板の少なくとも１つの外側面が最初にエッチング工程にさらされ、そのエッチング工程によって、少なくとも１つの凹部（３）が導入され、並びに
次に、第１の領域内の犠牲層（６）及び第２の領域の膜層（７）が、少なくとも凹部（３）を備える外側面上に連続して形成され、
次に、膜層とは反対のガラス基板の外側面は、周囲輪郭（５）で取り囲まれているガラス基板の輪郭の周囲のガラス基板と膜層（７）との接続が分離されるまで、新たなエッチング工程にさらされる、ことを特徴とする請求項１又は２の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項４】
改変部（４）が、環状に閉じられている複数の周囲輪郭（５）に沿って、ガラス基板へ導入され、この周囲輪郭（５）が互いを取り囲むこと、を特徴とする請求項１から３の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項５】
隣接する周囲輪郭（５）は、ガラス基板内に、互いに平行に離間して導入されること、を特徴とする請求項１から４の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項６】
第１の周囲輪郭（５）に沿ったレーザ照射のパラメータは、第１の周囲輪郭（５）で取り囲まれている第２の周囲輪郭（５）に沿ったレーザ照射のパラメータとは異なること、を特徴とする請求項１から５の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項７】
エッチング工程の内の少なくとも１つは、特にマスキングの使用によって、周囲輪郭（５）の部分領域に限定されていること、を特徴とする請求項１から６の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項８】
膜層（７）及び／又は犠牲層（６）は、スパッタリングプロセスを用いて形成されること、を特徴とする請求項１から７の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項９】
周囲輪郭（５）は、円筒形の又は多角形の周面に沿って導入されること、を特徴とする請求項１から８の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１０】
周囲輪郭は、膜層（７）に面した側で、膜層（７）と反対側の周囲輪郭（５）とは異なって導入されることを特徴とする請求項１から９の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１１】
改変部（４）は、犠牲層（６）及び膜層（７）を形成する前に、ガラス基板へ導入されること、を特徴とする請求項１から１０の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１２】
第一に、犠牲層（６）を全面的に形成し、次いで、周囲輪郭（５）の間の中間領域内での犠牲層（６）の除去が実施されること、を特徴とする請求項１から１１の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１３】
周囲輪郭（５）内で、少なくとも１つの別の改変部（４）が、ガラス基板へ導入されること、を特徴とする請求項１から１２の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１４】
エッチング工程の間、ガラス基板は、特に超音波によって高周波振動されること、を特徴とする請求項１から１３の少なくとも一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板内に凹部（キャビティ）を生成する為の材料除去によって、エッチングプロセスによって生じる材料の弱化のために、膜状、ブリッジング、又は張り出し表面を有し、基板に微細構造体、特にＭＥＭＳ及びＭＯＥＭＳ（微小電気機械システム及び微小光電気機械システム）を製造する為の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、このような微細構造体は、そのような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく圧力検出装置又はマイクロホンとして、既に知られている。その際、膜として微小機械システムの基礎を形成するブリッジング構造が作られる。従って、本質的な観点は、柔軟な表面を生成する、適切な材料弱化である。
【０００３】
従って、張り出した構造体又はブリッジング構造体は、マイク又はセンサに最適である。このような構造体を製造する為の、実際に、ほぼ独占的に使用されている方法は、反応性イオンエッチング（深掘りエッチング，ＤＲＩＥ）である。この反応性イオンエッチングは、層の厚さを所望の残留厚さまで減少するための制御された除去を可能にする。現在、この方法は、シリコンとの併用しかできず、材料コストが高くなる。
【０００４】
例えば、特許文献１（ＵＳ４２３６１３７Ａ）は、半導体圧力変換器を開示している。さらに、特許文献２（ＵＳ５１７８０１６Ａ）及び特許文献３（ＵＳ６０９３５７９Ａ）も、半導体圧力センサを開示している。
【０００５】
特許文献４（ＤＥ１０２０１７２１６４１８Ａ１）は、細長い、平らな多角形のキャビティを伴う圧力検出装置、特に微小機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく圧力検出装置に関する。これは、シリコンキャリア基板と、シリコンキャリア基板の上側に形成されている細長い、平らな、多角形のキャビティと、埋め込まれた二酸化シリコン層と、二酸化シリコン層上に形成されているデバイス層と、デバイス層の１つの上側に形成され且つその上に配置されている少なくとも４つのボンドパッドとを有す。少なくとも４つのボンドパッドは、細長い、平らな、多角形のキャビティから間隔をあけて配置されている。より詳細には、少なくとも４つのボンドパッドは、細長い、平らな多角形のキャビティと接続していないように、細長く平らな多角形のキャビティから間隔をあけて配置される。圧力検出装置は、多角形のキャビティの上に配置されている膜を有し得、その形状は多角形のキャビティの形状によって規定され、その大きさは、多角形のキャビティの大きさと実質的に同じである。
【０００６】
ＭＥＭＳ圧力感知デバイスでは、シリコン膜のたわみによって圧力非線形性（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）が生じる可能性があることが知られている。しかしながら、膜がたわむ能力は、圧力の変化を感知するＭＥＭＳ圧力感知装置の能力をも決定する。膜のたわみが増加すると、出力の非直線形性も増加する。
【０００７】
ＭＥＭＳ圧力感知装置の圧力感度は、膜サイズが小さくなるほど問題となる。しかし、膜の小型化及びＭＥＭＳ圧力検出装置の小型化は、ＭＥＭＳ圧力検出装置自体の製造コストと、ＭＥＭＳ圧力検出装置を配置すべきであるハウジングの製造コストの両方について、低減することを可能にする。
【０００８】
このような微細構造体で構成されたマイクロホンも知られており、これらは圧力センサと同様に構成され、音圧を電気信号に変換するが、漏れ経路は、マイクロホンの前後の空間間の静圧の均等化を保証する。それらは、環境に露出され、作用する音圧に応じて運動する少なくとも１つの独立した構造体からなる。
【０００９】
この際、膜の運動は、膜の前面又は背面に配置されて穿孔された対向電極と膜との間の静電容量を測定することによって検出される。
【００１０】
独立した構造体の運動の検出を可能にする、代替的な既知の基本原理は、直接的な圧電効果に基づく。このようなマイクロホンでは、構造体のたわみによって圧電層が影響を受け、その圧電層の表面上に電荷が発生する。この電荷は、電気出力電圧として検出することが可能であり、且つ評価することができる。
【００１１】
レーザ誘起ディープエッチングによるガラス精密加工のための一般的な方法は、レーザ誘起ディープエッチング（ＬＩＤＥ）（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｄｅｅｐ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）の名称で知られるようになった。この際、ＬＩＤＥプロセスは、超精密な穴や構造体を高速で導入することを可能にし、従って、マイクロシステム技術における材料としてのガラスの使用を拡大させるための条件を作り出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４２３６１３７号明細書
【特許文献２】米国特許第５１７８０１６号明細書
【特許文献３】米国特許第６０９３５７９号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０１７２１６４１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、ＭＥＭＳ圧力感知装置のマトリックスサイズを小さくすることで、感度の向上と圧力非線形性の低減とを達成することができる微細構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、独立請求項１に記載の微細構造体の内の１つによって達成される。好ましい形態は、従属請求項に記載されている。
【００１５】
本発明によれば、第一のステップでは、好ましくはリング状の、必ずしも円形ではない、閉じられている円周輪郭に沿って、レーザ照射を用いた改変部がガラス基板に導入されることで、及び張り出し表面又はブリッジング表面を生成するための少なくとも１つの膜層がガラス基板上に平らに形成されることで、ガラスからなる基板によって形成されているガラス基板内に微細構造体が生成される。その際、改変部の周囲輪郭を取り囲む少なくとも部分表面部内に、基板と膜層の間に、一つの犠牲層が、挿入されその後、膜層とは反対のガラス基板の側が、エッチング工程にさらされ、このエッチング工程によって、材料除去が、主にレーザ改変部領域の周囲輪郭に沿って、犠牲層に達するまで生じる。その結果、横方向のエッチングによる犠牲層を溶解又は縮小が発生し、且つ最終的に、周囲のガラス基板及び膜層から周囲輪郭で取り囲まれているガラス基板の輪郭の接合を分離する。
【００１６】
本発明は、これまでほぼ独占的に使用されていたシリコン基板の代わりにガラス基板を使用することによって、いわゆる圧力非線形性を大幅に低減させることができるという驚くべき知見に基づいている。これは、一方では、ガラス基板のこの点でのより優れた材料特性に起因し、他方では、膜厚の層厚における許容範囲が大幅に低下していることに起因する。特に、本発明によれば、犠牲層を含むガラス基板のみが除去され、一方、膜層は変化しないままであるので、適用面全体にわたって均一である。換言すると、エッチング除去中の材料除去は、犠牲層に達した時点で確実に終了するので、方法を実行する際の誤差の影響を最小限に抑えられる。同時に、本発明による方法では、シリコンの代わりにガラスを使用することにより、製造コストを大幅に低減することを可能にし、さらに、提供可能なガラス基板はシリコン基板に比べて面積が大きいため、コスト面でも有利になる。
【００１７】
この際、犠牲層は完全に溶解される必要はなく、むしろ、短いエッチング工程の後に、ガラス基板及び／又は膜層への接続が、接続が解放されて周囲輪郭で取り囲まれているガラス基体が外れるほど弱められることが分かった。
【００１８】
特に有利な本発明の実施形態によれば、本方法は、以下のステップで実施される：
・ガラス基板内での、少なくとも１つの好ましくはリング状に閉じられている周囲輪郭に沿って、レーザ照射によって改変部を導入するステップ。
・ガラス基板をエッチングし、及びこれによって、ガラス基板の外側面内に、例えば溝状のくぼみ部として、少なくとも一つの凹部を導入するステップ。
・凹部を取り囲む第１の領域内で、ガラス基板上に犠牲層を形成するステップ。
・第一の領域を取り囲む第二の領域内の犠牲層上に膜層を形成するステップ。その際、第二の領域は第一の領域よりも大きい。
・膜層とは反対のガラス基板の側からガラス基板をエッチングし、これによって、材料除去が、少なくとも基本的に、レーザ改変部領域の改変部の周囲輪郭に沿って、犠牲層に達するまで生じ、その結果、犠牲層が溶解又は縮小され、且つ最終的に、周囲輪郭で取り囲まれているガラス基板の輪郭の、周囲のガラス基板及び膜層との接合を分離する、ステップ。
【００１９】
このようにして、第１のエッチングステップによって、例えば、エッチング工程の結果としての環状のくぼみ部の形で、ガラス基板の輪郭のある外側表面を導入することができる。これは、その後のプロセス過程で形成される膜層の形状を決定するように作用する。従って、膜層は、平らな推移（独語：Ｖｅｒｌａｕｆ）に限定されるものではなく、例えば、ベローズのように、引張力解放構造体として利用可能である波形状を有し得る。故に、同様の方法で、ラウドスピーカー（独語：Ｌａｕｔｓｐｒｅｃｈｅｒ）又は圧力センサ用の膜も、製造することができる。本発明によれば、このようにしてほぼ任意の形状を生成することができる。
【００２０】
この際、改変が、環状に閉じられている複数の周囲輪郭に沿ってガラス基板に導入される場合、特に有効であることが既に証明され、周囲輪郭が好ましくは互いを同心円状に取り囲む。
【００２１】
勿論、円形の周囲輪郭及び任意の形状の輪郭の他に、多角形の周囲輪郭も生成することができる。その際、隣接する周囲輪郭は、特に互いに平行に離間して配置される。その結果、隣接する周囲輪郭に対する距離は、周囲輪郭の推移で一定である。
【００２２】
レーザ照射の強度は、様々なの周囲輪郭に一致するように選択することができる。しかしながら、これは、第１の周囲輪郭に沿ったレーザ照射のパラメータが、第１の周囲輪郭で取り囲まれている第２の周囲輪郭に沿ったレーザ照射のパラメータと異なる場合には、多くのアプリケーションで特に役立つ。その結果、例えば、くぼみ部の振幅は、第１の領域の中心に向かって減少する。
【００２３】
加えて、例えば、マスキングの使用によって、ガラス基板の部分領域のみがエッチング工程にさらされる場合には、エッチング工程を不均一に構成することもできる。
【００２４】
層の形成は、それ自体が知られている様々な方法で、ガラス基板の外側面部に生じ得る。その際、スパッタリングプロセスは、膜層又は犠牲層を構築するために有効であることがすでに証明されている。
【００２５】
円筒形又は多角形状の円周面に沿って周囲輪郭を導入することができ、その際、従来の方法では実現できなかったエッジを含む輪郭を備えることも可能である。別の特に実用的な実施形態によれば、例えば、円周輪郭及びこのように生じる凹部の円錐状または切頭円錐形な推移を達成するために、膜層に面する側での円周輪郭は、膜層と反対側とは異なるように設計され得る。特に、これによっては多くの技術的応用に対してかなりの利点をもたらす定義された開口角度を生成することができる。
【００２６】
犠牲層及び膜層が形成される前に、改変部がガラス基板へ導入される場合、実際の試験において有利であることは既に証明されているが、改変方法に従って、改変部をその後でも、すなわち、犠牲層及び膜層が既に加工されているガラス基板の場合も導入され得る。
【００２７】
この際、犠牲層は、周囲輪郭の領域に限定され、特に、試験によって実際に決定されるオーバーラップ部を伴って、ガラス基板上に選択的に適用することができる。それに対して、全表面にわたって犠牲層を適用することも、もちろん実現可能であり、その際、ガラス基板の膜層からの完全な分離を回避するために、中間領域を後から除去することが有効である。
【００２８】
この際、周囲輪郭で取り囲まれているガラス本体を簡単に取り除く為に、少なくとも一つの別の改変が、周囲輪郭の中に存在し、その後のエッチング工程によって、膜層とは反対の外側面と犠牲層との間に、チャネル状の凹部が生じる場合に、有利であることが既に証明されている。その結果、（このようにして作製された流体通路によって油圧補償を可能にするという点で）取り除くことが促進される。このような補償チャネルの数及び性質は、それぞれの用途に応じて調整することができる。
【００２９】
この方法の、別の、また特に実用的な変形例によれば、周囲輪郭で取り囲まれたガラス基板の領域を取り除くことを容易にするか、又は促進するために、エッチング工程中に、特に超音波を用いてガラス基板を高周波振動させる。
【００３０】
本発明は、様々な実施形態を可能にする。その基本原理をさらに明確に説明するために、その一つが図で示され、且つ以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】環状に閉じられている周囲輪郭に沿って張り出した構造体を作製するための個々の方法のステップを示す。
【図２】互いに取り囲み環状に閉じられている複数の周囲輪郭を作製するための図１に示される方法のステップを示す。
【図３】図２に示された、片側にのみ導入された複数の周囲輪郭による方法の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
膜状、ブリッジング又は張り出し表面２を有する、基板１内に微細構造体を製造するための本発明による方法は、図１に記載されている個々のプロセスステップを参照して、以下でさらに詳細に説明する。この際、張り出し表面部２は、エッチングプロセスによってもたらされる材料弱化によって、及び基板内の凹部３を生成するために材料を除去した結果として生じる。この目的のために、第１のプロセスステップでは、基板１の平面図で分かるように、レーザ照射によって、例えばガラスからなる基板１内に、環状に閉じられている周囲輪郭５に沿って、改変部４が基板１へ導入される。このように改変された基板１上に、第一ステップでは、湿式化学エッチング浴に耐性のない犠牲層６、そしてその犠牲層の上にエッチング媒体に対して耐性のある膜層７、例えば金属層が施される。
【００３３】
次いで、エッチング工程は、（さらに図示しない）エッチング媒体によって、主として膜層７とは反対の基板１の側の上で行われる。エッチング工程は、周囲輪郭５に沿って、基板材料の線状の、溝状の除去をもたらす。その際、エッチングの進行は、基板１の表面に対して少なくとも実質的に垂直である。最終的に、漸進的な除去と、それに対応して深くなる溝状での材料除去により、犠牲層６に到達する。これが周囲輪郭５に対して溶解するだけでなく、エッチング効果によって、周囲輪郭５に対して横方向にも溶解する。その結果、周囲輪郭５で取り囲まれている領域は、その密着力又は結合力を失い、重力の作用により容易に基板１から下方へ、取り除くことができる。例えば膜として使用することができる所望の張り出した輪郭５は、このように凹部３に張架している。
【００３４】
さらに、本方法の変形例を図２及び図３に示す。これは、犠牲層６及び膜層７が形成される前の追加のエッチングステップに関して、例えば、互いに同心円状に取り囲む複数の周囲輪郭５により、図１に示されている方法とは異なる。
【００３５】
この目的のために、種々の周囲輪郭５は、互いに一様な距離で配置される必要はない。例えば、隣接する周囲輪郭５が交差してもよい。同様に、取り囲まれている周囲輪郭５は、環状に閉じられている必要もなく、基板１の表面部分上に限定して、この基板１にも導入することができる。種々の周囲輪郭５に沿ったレーザ改変の完了後、最初に、第１のエッチング工程がエッチング浴で行われ、それによって、周囲輪郭５の領域には、溝形状の凹部３としての材料除去が改変に応じて同じ又は異なる深さで、基板表面へ導入される。図１に示されているプロセスステップに従って次のステップでその上に適用された犠牲層６及び膜層７に、凹凸輪郭が対応して再現される。膜層７とは反対の基板１の側の後に続くエッチングは、全ての周囲輪郭５に沿った基板材料の線状な除去につながる。その結果、最終的には、外側の周囲輪郭５で取り囲まれている領域が、基板１から取り除かれる。従って、表面２は、平らな領域の隣に、波形状のエッジ側輪郭領域も有する。この領域は、例えばベローズのように長さ補償として機能することができる。特に、張り出した輪郭は部分的に、柔軟性又は弾性が与えられ、これによって全く新しい用途が可能になる。
【００３６】
図３に示されている方法では、この結果が、図２に示されている方法と一致する。この変形例では、膜層７の輪郭を形成するために使用され、取り囲まれている周囲輪郭５が、基板１の材料厚さ全体にわたって延在せず、施され、対応して輪郭化された膜層７の表面に近い領域に、基本的には、制限される。より少ない浸透深さを有するこれらの改変部４は、例えば、変化するレーザパラメータによって生成される。この際、図１に示す変形例のように、外側の周囲輪郭５に取り囲まれている基板１の領域を一枚として取り除くことはできる。
【符号の説明】
【００３７】
１          基板
２          表面
３          凹部
４          改変部
５          周囲輪郭
６          犠牲層
７          膜層
【図１】
2021534004.tif 000003
【図２】
2021534004.tif 000004
【図３】
2021534004.tif 000005
【国際調査報告】
2021534004.tif 000006
2021534004.tif 000007
2021534004.tif 000008
2021534004.tif 000009