(57)【要約】  基板と、該基板上に設けられたマイクロメカニカル機能層と、該マイクロメカニカル機能層上に設けられたキャッピング層とを備えたマイクロメカニカル素子と、該マイクロメカニカル素子の製造方法とを提供する。本発明では、キャッピング層は少なくとも１つのトレンチを有し、該トレンチに少なくとも１つの電気絶縁性の接続ウェブが架設される。
2010529594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（３）と、該基板（３）の上方に設けられたマイクロメカニカル機能層（１）と、該マイクロメカニカル機能層（１）の上方に設けられたキャッピング層（５０）とを備えたマイクロメカニカル素子であって、
前記キャッピング層（５０）は少なくとも１つのトレンチ（５２）を有するマイクロメカニカル素子において、
前記トレンチ（５２）には、少なくとも１つの電気絶縁性の接続ウェブ（５４）が架設されていることを特徴とする、マイクロメカニカル素子。
【請求項２】
前記トレンチ（５２）に接するキャッピング層エレメント（５０′）は、前記接続ウェブ（５４）によって固定的に機械的接続されている、請求項１記載のマイクロメカニカル素子。
【請求項３】
前記キャッピング層エレメント（５０）は、少なくとも１つの前記トレンチ（５２）によって完全に包囲されている、請求項１または２記載のマイクロメカニカル素子。
【請求項４】
前記トレンチ（５２）のトレンチ壁（１６６，１６８）の面法線は、前記基板（３）の主延在面（３′）に対して垂直な方向に対し、少なくとも２つの異なる角度を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル素子の製造方法において、
第１のステップにおいて、前記基板（３）に第１の絶縁層（２）と前記マイクロメカニカル機能層（１）とを設け、
第２のステップにおいて、前記マイクロメカニカル機能層（１）をパターニングし、
第３のステップにおいて、第２の絶縁層（４０）を設け、
第４のステップにおいて、前記第２の絶縁層（４０）をパターニングし、
第５のステップにおいて、前記キャッピング層（５０）を設け、
第６のステップにおいて、前記キャッピング層（５０）に少なくとも１つの前記トレンチ（５２）を設け、該トレンチ（５２）に架設されるように該キャッピング層（５０）の少なくとも接続ウェブ（５４）を残すことを特徴とする、製造方法。
【請求項６】
次の第７のステップにおいて、前記トレンチ（５２）を通じて前記第１の絶縁層（２）および／または前記第２の絶縁層（４０）をエッチング剤によってエッチングする、請求項５記載の製造方法。
【請求項７】
次の第８のステップにおいて酸化プロセスを実施し、とりわけ第３の絶縁層（６０）を形成し、かつ／または前記接続ウェブ（５４）を酸化する、請求項５または６記載の製造方法。
【請求項８】
次の第９のステップにおいて、前記第３の絶縁層（６０）をパターニングする、請求項７記載の製造方法。
【請求項９】
次の第１０のステップにおいて、前記第３の絶縁層（６０）の表面に導体路（７６）を設け、とりわけキャッピング層エレメント（５０′）を該導体路（７６）にコンタクトさせる（６２）、請求項５から８までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１０】
第１１のステップにおいて、とりわけポリイミドから形成される保護平面（８０）を設けてパターニングする、請求項５から９までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１１】
前記第６のステップにおいて、前記トレンチ（５２）のトレンチ壁（１６６，１６８）の面法線が、前記基板（３）の主延在面（３′）に対して垂直な方向に対し、少なくとも２つの異なる角度を有するようにする、請求項５から１０までのいずれか１項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のマイクロメカニカル素子に関する。
【０００２】
この種のマイクロメカニカル素子は周知である。たとえばＥＰ１２７４６４８Ｂ１から公知であるマイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の製造方法では、可動構造体と、接続された構造体とを有する機能平面が設けられ、該接続された構造体は、トレンチと、該トレンチを充填する酸化物栓とによって相互に分離されている。このような手法はまず、機能層を形成し、その後にトレンチを通じて犠牲層をエッチングした後、該トレンチを酸化物栓によって封止する。機能層の可動構造体および接続された構造体をコンタクトするための伝送線路平面は、この機能層の下方に形成される。このことにより、面倒かつ高コストの製造ステップが多数必要となる。
【０００３】
本発明の開示
独立請求項に記載された本発明のマイクロメカニカル素子およびマイクロメカニカル素子の製造方法は、従来技術と比較してマイクロメカニカル素子を製造するための製造ステップ数が格段に低減され、とりわけセンサおよびアクチュエータを製造する場合の製造ステップ数が格段に低減されるという利点を有する。必要な製造ステップ数を低減するためには、少なくとも１つのトレンチを有するキャッピング層によって、とりわけ薄膜キャップによってマイクロメカニカル素子をキャッピングする。このキャッピング層がトレンチを有することにより、キャッピング層エレメントが電気絶縁される。このキャッピング層エレメントは場合によっては、機能層中および上方の金属層中においてコンタクトされる。したがって、キャッピング層エレメント自体は導体路として設けられ、このようなキャッピング層エレメントによって、上方の金属層中に導体路平面を実現することができる。機能層下方に導体路および導体路平面を形成するための面倒かつ高コストの製造ステップは省略される。有利にはキャッピング層エレメントは、少なくとも１つのトレンチによって完全に包囲される。キャッピング層エレメントを機械的に接続するためには少なくとも、前記電気絶縁性の接続ウェブを設ける。その際には、キャッピング層を設ける時点で、接続ウェブと該キャッピング層とが一体形に結合されているのが有利である。キャッピング層エレメントを安定的に機械的に固定することによってとりわけ、該キャッピング層エレメントと、機能層に固定部を有さない該機能層の構造体とを接続することができる。というのも、キャッピング層エレメントはこの場合、前記構造体を保持するための保持部として機能すると同時に、該構造体を電気的にコンタクトするための導体路としても機能するからである。
【０００４】
１つの有利な発展形態では、トレンチのトレンチ壁の面法線は、基板の主延在面に対して垂直な方向に対し、少なくとも２つの異なる角度を有する。このようなプロフィールにより、主延在面に対して垂直な方向に沿って接続ウェブのサイズは変化し、絶縁機能および機械的耐性に課される要件に適合される。とりわけ、キャッピング層厚さより小さいサイズを有する接続ウェブが設けられる。
【０００５】
本発明はさらに、マイクロメカニカル素子の製造方法も対象とする。この製造方法では、
第１のステップにおいて基板に第１の絶縁層と機能層とを設け、有利にはＳＯＩウェハを設け、
第２のステップにおいて前記機能層を、有利には公知のトレンチ処理によって、特に有利にはボッシュ法またはＤＲＩＥ法によってパターニングし、
第３のステップにおいて第２の絶縁層を設け、
第４のステップにおいて前記第２の絶縁層をパターニングし、
第５のステップにおいてキャッピング層を、とりわけシリコン薄膜キャップを設け、
第６のステップにおいて前記キャッピング層に少なくとも１つのトレンチを設け、該トレンチを形成する際に、該トレンチに架設されるように該キャッピング層の少なくとも１つの接続ウェブを残す。このことにより、導体路として機能すると同時に機械的に固定されるキャッピング層エレメントが得られる。さらに、このようなトレンチによってマイクロメカニカル素子の機能層まで到達することができ、その後のステップにおいてエッチング工程および／または酸化工程をキャッピング層および／または機能層において行うことができる。とりわけ、キャッピング層のドーピングおよび／または焼結が行われる。これらの絶縁層は有利には、隣接する層を電気的および空間的に分離するために使用され、特に有利にはさらに保護層や犠牲層としても作用する。
【０００６】
１つの有利な実施形態では、第６のステップの後に第７のステップにおいて、前記第１の絶縁層および／または前記第２の絶縁層をエッチング剤によって、トレンチを通じてエッチングする。このようなエッチングによって、機能平面にとりわけ可動構造体が得られる。キャッピング層エレメントを接続ウェブによって機械的に固定することによって、とりわけ、機能層中にあり該機能層自体には固定されないエレメントであって、キャッピング層エレメントとの接続部のみを有し該キャッピング層エレメントとコンタクトするエレメントのアンダーエッチングが実現される。このような構造体はとりわけ電極として機能する。
【０００７】
別の有利な実施形態では、第７のステップの後に第８のステップにおいて酸化プロセスを実施し、有利には熱酸化を実施する。その際にはとりわけ、キャッピング層を封止するために第３の絶縁層を形成し、かつ／または、電気伝導度を低減するために接続ウェブの酸化を行う。有利にはキャッピング層の封止は２つの連続するステップに分けて行われ、第１のステップでは少なくとも接続ブリッジの熱酸化が行われて、とりわけトレンチが部分的に封止され、第２のステップにおいてトレンチの完全な封止および／またはトレンチ部分領域の完全な封止を行われるように酸化を行う。有利なのは、マイクロメカニカル素子の加圧領域が酸化工程で調整されるようにすることである。
【０００８】
別の有利な実施形態では、第８のステップの次の第９のステップにおいて第３の絶縁層のパターニングを行い、その次の第１０のステップにおいて、有利には金属から成る導体路を第３の絶縁層の表面に設ける。その際にはとりわけ、キャッピング層エレメントに導体路をコンタクトさせる。キャッピング層エレメントのこのようなコンタクトにより、該キャッピング層エレメントは導体路として機能し、キャッピング層の表面に導体路平面が形成される。このようにして、絶縁されたキャッピング層エレメントを場合によってはコンタクトすることにより、とりわけ、２つの電気的に分離された金属導体路を金属平面において交差させることができる。
【０００９】
別の有利な実施形態では、第１０のステップの次に第１１のステップにおいて保護平面を設けてパターニングする。とりわけ、この保護平面はポリイミドから形成される。このような保護平面により、とりわけ後続のパッケージング工程において、マイクロメカニカル素子の応力感度が低減される。
【００１０】
別の有利な発展形態では第６のステップにおいて、トレンチのトレンチ壁の面法線が、基板の主延在面に対して垂直な方向に対し、少なくとも２つの異なる角度を有するようにする。有利には、トレンチをトレンチ処理によって形成する。このトレンチ処理はまず高いエッジ損失で行い、その後に小さいエッジ損失で行う。このようにして接続ウェブが下から切り崩される。このようなプロフィールにより、主延在面に対して垂直な方向に沿って接続ウェブのサイズは変化し、絶縁機能および機械的耐性に課される要件に適合される。
【００１１】
本発明の実施例を図面に示し、以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態によるマイクロメカニカル素子の製造方法のステップの概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子の概略図である。
【図３ａ】本発明の第１の実施形態によるマイクロメカニカル素子の部分要素を上から見た概略図である。
【図３ｂ】図３ａの平面図で概略的に示された同一の部分要素の断面を概略的に示す側面図である。
【図３ｃ】本発明の第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子の部分要素を上から見た概略図である。
【図３ｄ】図３ｃの平面図で概略的に示された同一の部分要素の断面を概略的に示す側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態または第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子の部分領域の異なる実施形態を示す。
【図５】本発明の別の実施形態によるマイクロメカニカル素子の平面図である。
【００１３】
上記の異なる図において同一の部分には常に、同一の参照符号が付されているので、通常は各部分を一度だけ説明する。
【００１４】
本発明の実施形態
本発明の第１の実施形態によるマイクロメカニカル素子の製造方法を図解するため、図１ａ〜１ｋに、マイクロメカニカル素子の複数の前段階構造に基づいて、該マイクロメカニカル素子の製造方法のステップを概略的に示す。図１ａに第１の前段階構造が示されている。これには基板３が示されており、とりわけシリコン基板等である該基板３には、第１の絶縁層２と、該第１の絶縁層２の上に設けられた機能層１とが設けられ、有利にはエピポリＳｉ層またはポリＳｉ層が設けられ、とりわけ該機能層１を平坦化するための平坦化工程が行われる。図１ｂに、第２のステップを図解するための第２の前段階構造が示されており、とりわけ機能層１に可動部分３２および空洞３０が形成されるように該機能層１がパターニングされる。第３のステップは図１ｃにおいて第３の前段階構造で示されている。このステップでは、とりわけ酸化物層である第２の絶縁層４０を設け、有利には該絶縁層４０を平坦化する。図１ｄに、第４のステップを図解するための第４の前段階構造を示す。ここでは、有利には後の時点で行われるエッチング工程に対して第２の絶縁層４０の部分の耐性を生成するために、該第２の絶縁層４０をパターニングする。第５のステップを図解するために図１ｅにおいて、とりわけシリコン薄膜キャップであるキャッピング層５０が設けられる前段階構造を示す。ここでは、エピタクシー法を使用するのが有利である。次の第６のステップを、図１ｆ中に第６の前段階構造によって示す。ここでは、キャッピング層を有利にはトレンチ処理によってパターニングすることにより、少なくとも１つのトレンチ５２を形成し、このパターニング工程では、トレンチ５２に架設されるようにキャッピング層５０の少なくとも１つの接続ウェブ５４を残す。接続ウェブ５４をとりわけトレンチ５２のトレンチ処理によって形成し、最初はエッジ損失を小さくし、その後に大きくすることにより、接続ウェブが下から切り崩され、キャッピング層厚さの一部の上方にのみ形成されるようにする。とりわけ、キャッピング層エレメント５０′が少なくとも１つのトレンチ５２によって完全に包囲されるようにする。図１ｇに、第７のステップを第７の前段階構造で示す。ここでは、第１の絶縁層２および／または第２の絶縁層４０の犠牲層エッチングを行う。その際に有利なのは、トレンチ５２を通じてエッチング剤を絶縁層２，４０に供給することであり、特に有利には機能平面１に可動構造体３２を形成する。図１ｈに示された第８の前段階構造で第８のステップを示す。ここでは、接続ウェブ５４の電気伝導度を低減してとりわけ第３の絶縁層６０によってキャッピング層５０を封止する酸化プロセスを実施し、有利には熱酸化プロセスを実施する。その際には、キャッピング層５０の表面の酸化速度を該キャッピング層５０内部および／または機能層１の内部より高くする。というのも、ここでは酸化工程時の気体流が比較的少ないからである。図１ｉに第９の前段階構造で第９のステップが示されている。ここでは、第３の絶縁層６０をパターニングする。図１ｊに第１０の前段階構造で、導体路７６を第３の絶縁層６０に設けるための第１０のステップ、とりわけ金属製の導体路７６を第３の絶縁層６０に設けるための第１０のステップが示されている。ここではとりわけ、キャッピング層エレメント５０′に導体路７６をコンタクトさせ、該キャッピング層エレメント５０′と導体路６５とが導電接続部を形成するようにする。図１ｋにおいて、本発明の素子の第１の実施形態の構造の一例で、第１１のステップを示す。ここでは、保護平面８０をマイクロメカニカル素子の表面に、有利にはポリイミドから形成して設け、該マイクロメカニカル素子の応力感度が低減されるようにする。
【００１５】
図２に、本発明の第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子の構造の一例を示すが、この構造は基本的には、第１の実施形態によるマイクロメカニカル素子の構造（図１ｋ）を基礎とする。それゆえ以下では、本発明の第１の実施形態と異なる第２の実施形態の特徴のみを詳細に言及する。本発明の第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子は、図１ｋに示された本発明の第１の実施形態のマイクロメカニカル素子のキャッピング層５０にキャッピング層エレメント５０′を有し、該キャッピング層エレメント５０′は機能層中の構造体９０と機械的に安定的に接続されている。この構造体９０は、本発明の第１の実施形態（図１ｋ）のマイクロメカニカル素子と異なり、機能層中に機械的な固定部を有さない。このキャッピング層エレメントは導体路７６と導電コンタクトし、接続ウェブ５４を介して機械的に固定される。このような構造は、接続ウェブ５４を備えた本発明によるトレンチ５２によって実現され、該接続ウェブ５４によってキャッピング層エレメント５０′が機械的に固定され、かつトレンチ開口をエッチング入口として使用することができる。さらに、接続ウェブ５４を少なくとも部分的に酸化することにより、キャッピング層エレメント５０′をキャッピング層５０から電気的に絶縁することができる。
【００１６】
図３ａおよび３ｃの各図は、本発明の第１の実施形態のマイクロメカニカル素子（図１ｋ）の部分要素の例、または本発明の第２の実施形態のマイクロメカニカル素子（図２）の部分要素の例を平面図で示す。それに対して図３ｂおよび３ｄの各図は、上記各図で平面図で概略的に示された同一の部分要素の概略的な断面１２０，１２０′を例として示す側面図である。図３ａはキャッピング層５０を上から見た図であり、キャッピング層５０はキャッピング層エレメント５０′を有し、該キャッピング層エレメント５０′はトレンチ５２によって離隔され、接続ウェブ５４を介して機械的に固定されている。断面線１２０は、図３ｂに示された構造の断面を示し、この断面でも、キャッピング層５０と、トレンチ５２によって該キャッピング層５０から離隔されたキャッピング層エレメント５０′とが示されている。図３ａの平面図では断面線１２０は接続ウェブ５４を分断しているので、該接続ウェブ５４も図３ｃの断面図に示されている。図３ｂも同様に、マイクロメカニカル素子の同一の部分領域を上から見た図であり、同図では、該断面線１２０′が接続ウェブ５４を切断しないように該断面線１２０′が示されている。したがって、図３ｂの同一の構造を断面線１２０′に沿って切断した断面を示す図３ｄには接続ウェブ５４は示されておらず、トレンチ５２はキャッピング層厚さ全体にわたって延在する。
【００１７】
図４ａ〜４ｃは、本発明の第１の実施形態または第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子（図１ｋ，２）の部分領域の異なる実施形態を示す。図４ａ〜４ｃには、本発明の第１の実施形態または第２の実施形態によるマイクロメカニカル素子のキャッピング層５０に設けられた一例のトレンチ５２のトレンチ壁１６０〜１６８が示されており、このトレンチ壁はアンダーエッチングされており、トレンチ壁の面法線はトレンチプロセスに応じて、主延在面３′に対して垂直な方向に対し、図４ａの概略図ではちょうど１つの角度を有し、図４ｂの概略図では複数の角度を有し、図４ｃでは２つの角度を有する。このことによって、電気絶縁機能および／または機械的な接続安定性に課される要件に応じて、異なるプロフィールを接続ウェブ５４に形成することができる。
【００１８】
図５は、本発明の別の実施形態によるマイクロメカニカル素子の概略的な平面図である。ここでは、キャッピング層５０と、接続ウェブ５４によって機械的に固定され電気絶縁されたキャッピング層エレメント５０′とが示されている。このキャッピング層エレメント５０は、機能平面１に配置された構造体のコンタクトおよび／または機械的固定を行うための導体路を形成する。この構造体は、有利には電極として機能する構造体である。
【図１ａ−ｅ】
2010529594.tif 000003
【図１ｆ−ｈ】
2010529594.tif 000004
【図１ｉ−ｋ】
2010529594.tif 000005
【図２】
2010529594.tif 000006
【図３ａ）】
2010529594.tif 000007
【図３ｂ）】
2010529594.tif 000008
【図３ｃ）】
2010529594.tif 000009
【図３ｄ）】
2010529594.tif 000010
【図４ａ）】
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【図４ｂ）】
2010529594.tif 000012
【図４ｃ）】
2010529594.tif 000013
【図５】
2010529594.tif 000014
【国際調査報告】
2010529594.tif 000015
2010529594.tif 000016
2010529594.tif 000017
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