(57)【要約】マイクロマシニング型の装置を製造する方法及びマイクロマシニング型の装置が提案されており、この装置は基板材料（１０）、ダイアフラム（２０）、及びダイアフラム領域（２１）に基板材料（１０）とダイアフラム（２０）との間に位置する中空室（３０）とを有しており、第１のエッチングステップでまず孔（４０）がダイアフラム（２０）内に形成され、次いで中空室（３０）が、第２のエッチングステップにより形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料（１０）とダイアフラム（２０）とが設けられているマイクロマシニング型の装置を製造する方法において、基板材料（１０）と、ダイアフラム（２０）のダイアフラム領域（２１）との間に中空室（３０）を設け、該中空室（３０）を形成するために、まず孔（４０）を、第１の異方性のエッチングステップによりダイアフラム（２０）内に形成し、次いで中空室（３０）を、第２の等方性のエッチングプロセスにより形成することを特徴とする、マイクロマシニング型の装置を製造する方法。
【請求項２】
基板材料（１０）の一部を犠牲層として用い、第１のエッチングステップでは孔（４０）を犠牲層の領域に設ける、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記方法を、ＣＭＯＳ相容性にする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
第１のエッチングステップの間に、深さ構造化方法、特にＤＲＩＥ法（deep reactive ion etch法）を用いる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
第２のエッチングステップを、ＸｅＦ２−，ＣＩＦ３−，ＢｒＦ３又はＳＦ６プラズマにより、又は湿式化学的にＴＭＡＨ又はＫＯＨ又はＨＮＯ３／ＨＦにより実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
ダイアフラム（２０）内に設けられた孔（４０）を、第２のエッチングステップ後に、特にカバー層（５０）又はカバー（５２）により閉鎖する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第１のエッチングステップの前に、基板材料（１０）から断熱したい構成エレメントを、ダイアフラム（２０）上に、若しくはダイアフラム（２０）内に形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
基板材料（１０）とダイアフラム（２０）とを備えたマイクロマシニング型の装置において、該マイクロマシン型の装置が、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法により製造されることを特徴とする、マイクロマシン型の装置。
【請求項９】
ダイアフラム（２０）が、基板材料（１０）から特に良好に断熱されている、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
基板材料（１０）として、シリコン基板又はＳＯＩ基板（Silicon-on-Insulator基板）が用いられている、請求項８又は９記載の装置。
【請求項１１】
中空室（３０）の高さ（３１）が、基板材料（１０）内に設けられた孔（４０）の高さ（４４）にほぼ対応している、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
ダイアフラム（２０）上に、又はダイアフラム（２０）内に、１つ又は複数の断熱された構成エレメント、特に熱エレメント又は加熱エレメントが設けられている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の方法及び請求項８の上位概念部に記載の装置に関する。
【０００２】
従来技術
D. MosorとH. Baltesとによる論説、"A high sensitivity CMOS gas flow sensor on a thin dielectric membrane" 及び雑誌Sensors and Actuators A 37-38 (1993), S. 33-37より、マイクロマシニング型の装置が公知である。この装置では、構成エレメントと支持エレメント（基板）との間の断熱が実施されており、この場合に装置はバルクマイクロマシニングで製造されている。このためには、手間のかかる表面プロセスと裏面プロセスとが不可欠である。例えば温度センサ及びヒータが位置している、断熱のために必要なダイアフラムはバルクマイクロマシニングプロセスを介して裏面から形成される。ダイアフラムの構造化は、湿式化学的なエッチングプロセスにより、例えばＫＯＨを用いて行われる。この場合に、裏面から基板全体がダイアフラムの領域にエッチングされなければならなず、このことは長いプロセス時間につながる。湿式化学的エッチング溶液は表面の機能層に作用するので、エッチングプロセスの間に表面が保護されているようにウェーハはいわゆるエッチングボックス内に組み込まれなければならない。それ故、従来技術により公知の方法は、裏面プロセスを含めて極めて手間がかかり、高いコストに結びついている。
【０００３】
発明の利点
これに対して請求項１に記載の特徴を有する本発明による方法及び請求項８に記載の特徴を有する本発明による装置は、表面プロセスのみが必要とされる、ダイアフラムを製造するための方法が提供されるという利点を有している。したがって本発明による方法及び本発明による装置は表面マイクロマシニング（ＯＭＭ）により製造可能である。さらに、本発明による方法及び本発明による装置により、ダイアフラム上若しくはダイアフラム内の構成エレメントと、支持材料、すなわち基板材料との間の遮熱若しくは断熱をもたらすことが可能である。この場合に、構成エレメントとしては特にダイアフラム内又はダイアフラム上に配置するための温度センサ及び／又は加熱エレメントが考慮されるが、しかしながら、本発明によれば、その製造を装置の製造プロセスに組み込むことのできるあらゆる構成部材が可能であり、考慮することができる。特に温度センサ、例えば熱エレメント、化学的なセンサ及び空気質量センサでは、断熱が必要とされる。本発明による方法及び本発明による装置は従来技術に対して、装置を製造するために表面マイクロマシニングプロセス、すなわち表面プロセスのみが不可欠であるという利点を有している。これにより、手間のかかる裏面プロセス、例えばダイアフラムを構造化するたためのエッチングボックスを用いたＫＯＨエッチングは必要ない。ウェーハを裏返して表面を下にして載置しなければならない裏面プロセスの省略により、ウェーハ表面の粒子及びひっかき傷が最小化されるか、若しくは阻止される。断熱を施すためには、本発明によれば表面マイクロマシニングによる犠牲層技術が使用される。この犠牲層技術は、断熱された材料、例えば酸化物及び窒化物に対しても金属に対しても高い選択性を有している。犠牲層としては、本発明による方法では特にシリコンが使用される。犠牲層の領域は、本発明によれば特にまず第１の（異方性の）エッチングステップ、特にＤＲＩＥエッチング法（Deep reactive ion etching）により、深く構造化され、次いで第２の（等方性の）エッチングステップで、特にＸｅＦ２−，ＣＩＦ３−，ＢｒＦ３方法により側方に完全にエッチングを施され、これにより、ダイアフラムの下方には中空室が生じる。これにより、所定のダイアフラム領域、すなわち、ダイアフラム層が自立式になっており、ひいては中空室の上方に張る基板領域が生じる。前記ダイアフラム層は、本発明によれば、劣悪な熱伝導性の材料、例えば酸化シリコン又は窒化シリコンを有している。本発明による組み合わされた犠牲層エッチングプロセスにより、大きい犠牲層深さを形成することが可能である。犠牲層エッチング時に使用されるエッチング媒体と、従来技術により公知の汎用の標準ＣＭＯＳプロセスで使用される材料との相容性が、発明により、本発明による装置の製造と、ＣＭＯＳ−技術で製造された組み込まれた回路（ＩＣ）技術の製造とが統合されている、すなわち、１つの（複数のステップを有する）製造プロセスで実施可能になっていることを可能にする。
【０００４】
従属請求項に記載の手段により、請求項１に記載の方法及び請求項８に記載の装置の有利な発展形及び改良形が可能である。
【０００５】
特に有利には、ダイアフラムに設けられた孔は第２のエッチングステップ後に、特にカバー層又はカバーにより閉じられる。これにより、構造体が例えば後続の切断プロセスにおいて保護されることが可能である。閉鎖層としては、ここでは本発明によれば、特にＰＥＣＶＤ酸化物又は塗布シリコン酸化膜から成る層、又は種々異なった層の組合せから成る層が可能である。さらに孔の閉鎖体としては、キャップがカバーとして考慮される。特に有利には、さらに第１のエッチングステップの前に基板材料から断熱したい構成エレメントがダイアフラム上若しくはダイアフラム内に形成される。これにより、第２のエッチングプロセスの後には、構成エレメントを形成する別のステップがもはや不可欠ではなく、ひいては、これにより例えば両方のエッチングステップの後にダイアフラムに孔が存在しており、これらの孔内に、場合によってはこれらの孔上に、ダイアフラムに被着したい材料が進入することができてしまい、若しくはダイアフラムに裏面から作用し損傷し得ることにより問題が生じることもない。特に有利には、さらにダイアフラムが基板材料から特に良好に断熱されていることである。このことは、本発明によれば特に基板材料の上方のダイアフラム領域内に設けられた中空室の比較的大きい高さにより得られる。これにより、特に種々異なった熱伝達機構により、ダイアフラムから基板材料内への極わずかな熱伝達のみが生じ、ひいては特に良好な断熱がもたらされる。特に有利には、さらに基板材料として特に単結晶のシリコン基板又はＳＯＩ／ＥＯＩ基板(silicon-on-insulator/epipoly-on-insulator-基板)が設けられている。ＳＯＩ／ＥＯＩ基板の用途は、本発明によれば特に有利には、ＳＯＩ／ＥＯＩ基板の酸化層が犠牲層エッチングの間に鉛直方向のエッチングストップとして働くようになっていることにより使用可能であり、これにより、所定の犠牲層厚さが調節可能である。ＳＯＩ／ＥＯＩ基板では、単結晶シリコン基板に酸化層、次いでシリコン層が被着される層構造を前提としている。
【０００６】
全体として本発明による方法は、本発明による装置、特にセンサエレメントの簡単な製造を可能にする。これらのセンサエレメントでは、温度センサ及び／又は加熱エレメントと、支持材料若しくは基板との間の断熱が不可欠である。本発明によれば、本発明による方法を実施するためには極わずかな層及びフォトリソグラフィステップのみが不可欠であり、これにより、本方法は簡単かつ安価に実施可能である。
【０００７】
次に本発明の実施の形態を図面につきさらに詳しく説明する。
【０００８】
図１には、ダイアフラム層の第１の部分２１を備えた基板材料１０の第１の構成が示されている。前記ダイアフラム層の第１の部分２１は引張り応力下にあり、所定の熱伝導率を有していることが望ましい。ダイアフラム層の第１の部分２１は、本発明によれば特に第１の部分ダイアフラム層２２を有しており、この部分ダイアフラム層２２は特に酸化層の形で設けられている。第１の部分ダイアフラム層２２は、本発明によれば例えば熱的な酸化層又はＰＥＣＶＤ酸化層の形で形成されている。ダイアフラム層の第１の部分２１は、本発明によればさらに特に第２の部分ダイアフラム層２４を有しており、この第２の部分ダイアフラム層２４は特に窒化層の形で設けられている。この第２の部分ダイアフラム層２４は、本発明によれば、例えばＰＥＣＶＤ窒化層又はＬＰＣＶＤ窒化層の形で形成されている。しかしながら、前記ダイアフラム層の第１の部分２１は、本発明の別の構成（図示していない）では、酸化層／窒化層からなる層システムの形式で設けられていてよい。第１及び第２の部分ダイアフラム層２２，２４の層厚さは、本発明によれば約０．５〜５μｍの領域にある。基板材料１０の第１の構成では、この基板材料１０は特に半導体材料１２、有利には単結晶のシリコン材料１２を有している。
【０００９】
図２には、ダイアフラム層２０の第１の部分２１と、前記ダイアフラム層２０に組み込まれた構成エレメント（特に個別に符号により示していない）とを有する基板材料１０の第１の構成が示されている。前記構成エレメントは、本発明によれば、例えば熱エレメント又は温度センサの形で設けられており、説明されているが、しかしながら、ダイアフラム内又はダイアフラム上に組み込み可能なそれぞれの任意の構成エレメントであってよい。前記熱エレメントは、例えば公知の方法で製造されている公知のプラチナ抵抗器若しくは公知のＳｉ／Ａｌ−又はＳｉ／Ｇｅ−サーモパイルを有している。サーモパイルを熱エレメントの形で製造するためには、まず構造化された、特にポリシリコン層の形で設けられた層がダイアフラム２０に被着される。このダイアフラム２０は第１の領域２０１及び場合によっては第２の領域２０２を有している。第１の領域２０１は、第１の抵抗器を形成している（この第１の抵抗器には、以下に同様に符号２０１を付す）。この場合、第１及び第２の領域２０１，２０２は互いに電気的に完全に分離されていてもよいが、しかしながら同じ層から構造化されていてよい。第１の抵抗器２０１の被着に続いて、中間酸化層２０３及び第２の抵抗器２０４の析出及び構造化が行われる。前記第２の抵抗器２０４は、本発明によれば特にアルミニウム材料又はゲルマニウム材料から成っている。第１及び第２の抵抗器２０１，２０４の間のコンタクト（符号によりさらに示していない）により、第１及び第２の抵抗器２０１，２０４より成る熱エレメントが生じる。この熱エレメントを介して、カバー酸化層２０５が析出され、構造化される。熱エレメントの接続部をコンタクトするためには、ボンディングパッド２０６又は一般的にコンタクト面２０６が形成される。これらのコンタクト面２０６は、例えばアルミニウム材料より成っている。これにより、ダイアフラム層の第１の部分２１と、構成エレメントの、ダイアフラム層の第１の部分２１上に設けられた、本実施例では熱エレメントの形の構成エレメントの「構造部」とから成るダイアフラム２０が生じる。しかしながら、ダイアフラム２０は本発明の別の構成（図示していない）では、例えば構成エレメントが第１及び第２の部分ダイアフラム層２２，２４の下方に設けられている形で構成されていてもよい。本発明によれば、いずれにせよダイアフラム層２０の「下方に」基板材料１０が配置されている。このことは、以下の全ての図面において基本的に同じようになっているので繰り返し説明しない。構成エレメントの、例えば熱エレメントとしての基本的な構造もさらなる図面には基本的に維持されているので繰り返し説明しない。
【００１０】
図３には、ダイアフラム層２０を備えており、第１のエッチングステップが部分的に実施された基板材料１０の第１の構成の横断面図が示されている。本発明による中空室を形成するためには、図３に矢印及び符号２８，２９を付した所定の穿孔箇所で鉛直方向の凹部、すなわち孔がダイアフラム層２０若しくはダイアフラム２０内に設けられる。このためには、特に本発明によれば、図３には破線によってのみ示したフォトレジストマスク２６により穿孔箇所２８，２９が次のことにより規定される、すなわち、フォトレジストマスク２６が穿孔箇所２８，２９以外のダイアフラム層２０全体を覆うことにより規定されるようになっている。次いで湿式化学的又は乾式化学的な第１のエッチングステップによりダイアフラム層２０内に孔４０を設けること、すなわち、カバー酸化層２０５、中間酸化層２０３並びに第１及び第２の部分ダイアフラム層２２，２４を通過して孔４０を穿つことが可能である。このためには、第１のエッチングステップのためのエッチングプロセスが特に異方性に行われる。穿孔箇所２８，２９及び対応して孔４０も、ダイアフラム層２０上又は内部に位置する構成エレメントのいかなる部分も孔４０の形成により損傷され得ないようなダイアフラム層箇所に位置している。それ故、鉛直方向、すなわち面状に広がるダイアフラム層２０に孔４０を設ける方向で見て、穿孔箇所２８，２９の「下方には」基板１０の犠牲層として設けられた領域のみしか位置していない。符号２８を付した穿孔箇所のためにはこのことがはっきりと判る。なぜならば、対応した孔４０が熱エレメントの第１又は第２の抵抗器（図１では符号２０１若しくは２０４を付した）と交差しないからである。符号２９を付した穿孔箇所のためには、対応した孔４０の点線により示した側壁によりこのことが示されている。これは、符号２９を付した穿孔箇所のための孔４０が、図示の横断面（この横断面に熱エレメントの第１及び第２の抵抗器が位置している）にではなく、孔４０により構成エレメントが損傷されることのない別の横断面に位置していることを明確にしたいためである。
【００１１】
図４には、ダイアフラム層２０を備えており、第１のエッチングステップが完全に実施された基板材料１０の第１の構成の横断面図が示されている。図３に対しては、第１のエッチングステップが完全に実施されたこと、すなわち、孔４０が、穿孔箇所２８，２９でダイアフラム層２０内に設けられた孔４０（図３の説明参照）を起点として所定の高さ４４まで基板材料１０内に設けられたという相違点のみがもたらされている。このためには、第１のエッチングステップの、図３に示した第１の部分のためには、深さ構造化のための異方性エッチングプロセス、特にＤＲＩＥエッチングプロセスが用いられる。図４では、高さ４４が二重矢印により第１及び第２の部分ダイアフラム層２２，２４の下方に、基板材料１０内に示されている。孔４０の高さ４４はダイアフラム層２０の下方の２μｍ〜２００μｍまでの領域にある。深さ構造化により、犠牲層エッチングプロセスの深さ（若しくは高さ）がほぼ規定される。孔４０（以下に穿孔孔４０とも呼ぶ）は、０．５μｍ〜５００μｍまでの間の直径を有していてよい。ダイアフラムができるだけわずかな孔４０を有していることが望ましい用途（例えば赤外線検出器又は質量流センサ）のためには、孔４０は有利には１０μｍよりも小さいことが望ましい。できるだけ著しく構造化されたダイアフラムを必要とする用途（例えばＨ２認識のための熱伝導率センサ、傾斜測定のための自由な対流電流に基づくセンサ）のためには、有利には孔４０は１００μｍよりも大きい。
【００１２】
図５には、ダイアフラム層２０を備えており、第１及び第２のエッチングステップが実施された基板材料１０の第１の構成の横断面図が示されている。本発明による装置の、図４に示した製造段階から出発して、第２のエッチングステップとしての等方性の半導体エッチングプロセスにより、孔４０を介して設けられた、ダイアフラム層２０の領域には見ることのできない溝構造が犠牲層の領域に、すなわちダイアフラム２０の下方に横方向にエッチングされる。このことは、図５では水平方向に延びる、符号を付していない４つの二重矢印により示されている。第２のエッチングステップのためのエッチング媒体のアクセスは、図５には符号４２を付した、孔４０を通過する矢印により示されている。エッチングプロセスは、例えばＸｅＦ２−，ＣＩＦ３−又はＢｒＦ３方法により実施することができる。これにより、ダイアフラム領域２１内には、ダイアフラム層２０と、基板材料１０のエッチングされていない部分との間に中空室３０が生じ、前記ダイアフラム領域２１により、自立式で、構成エレメントを支持する若しくは包含するダイアフラム２０が中空室３０の上方に規定される。この中空室３０又は空洞３０は高さ３１を有しており、この高さ３１は、本発明によれば、図４に示した、ダイアフラム領域２０の下方の孔４０の深さ構造部の高さ４４にほぼ対応している。ダイアフラム２０上に、若しくはダイアフラム２０内に位置する熱エレメント又は一般の構成エレメントは、空洞３０により基板材料１０に対して断熱又は遮熱されている。
【００１３】
図６及び図７には、ダイアフラム層２０を備えており、第１及び第２のエッチングステップが完全に実施された基板材料１０の第１の構成、及びダイアフラム２０に設けられた孔４０のカバーの第１及び第２の構成の横断面図が示されている。この場合、図６には孔４０のカバーの第１の構成がカバー層５０により示されている。図７には、孔４０のカバーの第２の構成がキャップ５２により示されている。これにより、特にダイアフラム２０上の、又はダイアフラム２０内の構成エレメント又は別の構造体が、例えば基板ウェーハに一緒に製造された複数の本発明による装置を個別化するための引き続く切断プロセスの間に保護される。カバー層５０は、特にＰＥＣＶＤ酸化物又は塗布シリコン酸化膜(Spin On Glass)の形で形成されている。
【００１４】
図８及び図９には、ダイアフラム層２０を備えた基板材料１０の第２の構成が横断面図で示されている。図８には、第１のエッチングステップが完全に実施されたところが示されている。図９には第１及び第２のエッチングステップが完全に実施されたところが示されている。基板材料１０の第２の構成では、基板材料１０内に種々異なった層の連続、例えばシリコン−酸化シリコン−シリコンの層連続を有する支持材料が使用される。この場合に、基板材料１０の単結晶の部分１７に（シリコン）酸化物層１６が被着され、次いでシリコン層１５が被着される。この場合にこのシリコン層１５は、単結晶のシリコン層１５の形で設けられていても、又は「エピタキシャルに被着された」多結晶のシリコン層１５（いわゆる「ＥｐｉＰｏｌｙ−シリコン層１５」）の形で設けられていてもよい。対応して基板材料１０は第１の場合にはＳＯＩ材料であり、第２の場合にはＥＯＩ材料である。しかしながら、製造方法のステップは、基板材料１０の第２の構成の場合にも図１〜図７までに関連した記載に類似している。相違点は、第１のエッチングステップの終了時には基板材料１０の酸化層１６がエッチングストップのために働くことのみである。これにより、第１のエッチングステップの深さ構造化法によっては、孔４０は基板材料１０内の酸化層１６までよりも深くは設けられない、すなわち、もっぱら犠牲層として使用されるシリコン層１５を通過してのみ設けられる。これにより、第１のエッチングステップの終点認識が可能である。孔４０の深さ構造部は、ダイアフラム層２０を越えて、この場合にシリコン層１５の層厚さに対応する、符号４４を付した高さ（若しくは深さ）にわたって延びている。さらに空洞３０の高さ３１は、基板材料のシリコン層１５の厚さに対応している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ダイアフラム層の第１の部分を備えた基板材料の第１の構成を示す横断面図である。
【図２】ダイアフラム層の第１の部分と、ダイアフラム層に組み込まれた構成エレメントとを備えた基板材料の第１の構成の横断面図である。
【図３】ダイアフラム層を備えた基板材料の第１の構成に第１のエッチングステップが部分的に実施されたところを示す横断面図である。
【図４】ダイアフラム層を備えた基板材料の第１の構成に第１のエッチングステップが完全に実施されたところを示す横断面図である。
【図５】ダイアフラム層を備えた基板材料の第１の構成に第１及び第２のエッチングステップが実施されたところ示す横断面図である。
【図６】第１及び第２のエッチングステップが完全に実施されたダイアフラム層を備えた基板材料の第１の構成と、ダイアフラムの孔のカバーの第１の構成を示す横断面図である。
【図７】第１及び第２のエッチングステップが完全に実施されたダイアフラム層を備えた基板材料の第１の構成と、ダイアフラムの孔のカバーの第２の構成を示す横断面図である。
【図８】ダイアフラム層を備えた基板材料の第２の構成に第１のエッチングステップが完全に実施されたところを示す横断面図である。
【図９】ダイアフラム層を備えた基板材料の第２の構成に第１及び第２のエッチングプロセスが施されたところを示す横断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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