带有双膜片的微机械膜片传感器的制作方法

专利名称：带有双膜片的微机械膜片传感器的制作方法
带有双膜片的微机械膜片传感器现有技术本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分的、用于制造微机械膜 片传感器的方法以及一种用该方法制造的微机械膜片传感器。为了检测不同的物理量(压力、温度、空气质量、加速度、转速)， 特别是在机动车领域再三使用带有微机械传感器元件的部件。典型的 是，在此经常使用在膜片上的测量元件，这些膜片设置在一个空穴上面。 为了制造膜片或者空穴，除了所谓的表面微机械(其中由牺牲层和功能 层构成的层堆叠被淀积、结构化并且选择性地被去除)，还公开了所谓 的块或体微机械，其中结构由完整的材料中加工出。由EP 1 043 770 Al公开了一种方法，其中首先借助第一刻蚀步骤 在衬底中产生至少一个沟。在沟的壁钝化之后，在第二各向异性的刻蚀 步骤的框架中形成空穴。空穴的扩大可以在同样是各向异性的第三刻蚀 步骤中进行，其中在多个并排的沟之间的壁被去除。在DE 102 00 40 433 56 Al中描述了如何借助单个的槽刻蚀过程来 产生被掩埋的空穴。在此，槽刻蚀过程具有第一槽刻蚀步骤，其产生凹 陷。在该第一槽刻蚀步骤中，蚀刻步骤以两个阶段中进行。在此，交替 地在第一阶段中首先产生一个凹处，该凹处的壁在第二阶段中用钝化物 覆盖。通过重复这两个阶段，由此产生了凹陷。随后在第二槽刻蚀步骤 中产生空穴，其中所述凹陷用作至空穴的进入孔。这通过这种方式来实 现，即在第二槽刻蚀步骤中，第一阶段的刻蚀过程明显较长地实施，而 不进行钝化。通过重复该槽刻蚀过程的步骤，可以在衬底中产生多个相 叠的空穴。
由EP 1441 561 A2公开了另一种方法，其中凹进或者空穴可以被交 互地生成。为了该目的，在衬底上首先施加不同的层。借助掩蔽的金属 层，将凹陷引入所施加的层序列中。凹陷的引入借助各向异性的干刻蚀 方法来进行。通过接着的各向同性的蚀刻方法，例如通过等离子体刻蚀， 从凹陷出发在衬底中在所施加的层下方产生相互连接的空腔。在另外的 步骤中，可以从衬底的背面产生在衬底中的凹槽。通过另外的各向异性 刻蚀过程，可以最终将两个空腔彼此相连。发明优点本发明描述了一种用于制造微机械的膜片传感器的方法以及一种借助该方法制造的微机械膜片传感器。在此规定，微机械的膜片传感器 具有至少一个第一膜片和一个基本上位于该第一膜片之上的第二膜片。此外规定，微机械的膜片传感器具有第一空腔和基本上位于该第一空腔 之上的第二空腔。为了制造膜片传感器，规定在衬底上首先产生第一 保护层。在该第一保护层中，产生至少一个孔，该孔穿过整个第一保护 层直到衬底。随后将第一膜片层施加到该第一保护层上并且结构化。该 第一膜片层至少部分地设置有第二保护层。在第二保护层中同样至少产 生一个孔，其直到第一膜片层。随后将一个牺牲层施加到第二保护层上， 该牺牲层至少部分地被一个第三保护层覆盖。将一个第二膜片层施加到 该第三保护层上，其中特别是规定，第二膜片层设置在牺牲层之上。将 至少一个孔加工到第二膜片层中，该孔穿过第二膜片层和第三保护层直 到牺牲层。本发明的核心在于，膜片传感器的两个空腔在一个唯一的刻 蚀步骤中通过去除掉(Herausloesen)牺牲层、第一膜片层和衬底的一 部分来产生。本发明的优点在于，膜片的释放(Freistellung)或者双膜片的制造 可以在表面微机械工艺中借助唯一的刻蚀步骤从晶片或者衬底的正面 产生。对于膜片传感器的功能参数具有影响的几何结构(例如膜片的距
离、穿孔(Perforationen)、膜片的厚度等等)在此在预先过程中分别逐 个被确定并且不再通过释放改变。因为晶片或者衬底在表面微机械过程 中仅仅从正面加工，所以晶片处理能够在标准化的设备上进行。在此， 与晶片在两侧被操作和处理的体微机械(volumenmikromechanischen) 过程相比，易碎的微机械结构的损坏可能性较低，因为不需要抓住晶片 或者说将过程相对所产生的结构重新定向。在本发明的一种扩展方案中规定，在第一保护层的孔之下产生在衬 底中的第一空腔。通过去除掉牺牲层产生的第二空腔在此位于第一和第 二膜片(层)之间。所建议的膜片传感器的第一膜片基本上通过第一膜片层或者第二 膜片基本上通过第二膜片层形成。然而，也可以规定，两个膜片具有附 加的层，例如以保护层的形式。在本发明的另一种构型中规定，第二和第三保护层这样地结构化， 使得其包围所述第二空腔区域中的牺牲层。通过使用不腐蚀保护层的刻 蚀过程，可以在通过第二和第三保护层限定边界的区域内部实现第二空 腔的确定的生成。在本发明的一种改进方案中规定，第一和第二保护层包围第一膜 片，并且由此确定其横向和垂直的延伸。为了制造膜片传感器，规定-衬底具有半导体材料，特别是硅，和/或-保护层中的至少一个具有氧化物，特别是热氧化物，和/或-第一膜片层具有硅，和/或-牺牲层具有硅或者硅锗和/或-第二膜片层具有金属层。有利的是，规定第一和/或第二膜片层借助CVD方法来产生。特别 是可以规定，两个膜片层的至少一个通过LPCVD沉积来生成。设置在 层堆叠的最上方的膜片层可以由多个层构成。这样例如可以规定，膜片
层设置有附加的钝化层抵抗环境影响。第一和/或第二膜片层的结构化借 助槽工艺来实现。有利的是，所有的方法步骤、特别是刻蚀过程，都从 衬底的正面进行。在此，刻蚀过程可以借助含有氟的化合物、例如含氟的等离子体(SF6、 NF3)或者优选地通过自发刻蚀的气体如Cl&或者 XeF2来进行。为了封闭第一膜片层中的孔，规定根据孔的直径选择保 护层的厚度。在此特别规定，第二保护层的厚度大于在第一膜片层中的 孔的直径的一半。在衬底中的第一空腔的横向和垂直延伸有利地通过刻 蚀步骤的刻蚀持续时间来确定。 一种另外的可能的工艺步骤在于，这些 穿过第二膜片层和该第三保护层的孔通过施加一个另外的层来封闭，使 得通过这些孔产生的空腔被封闭。在本发明的一种扩展方案中规定，被掩埋的第一膜片被电接触。在 此规定，为了形成电接触，在第二保护层中产生一个直到第一膜片层的 孔。在施加牺牲层之后，它被这样地结构化，使得在牺牲层中产生一个 电绝缘的区域，该区域在以后可以被电接触。随后施加第三保护层，其 很大程度地包围牺牲层中的电绝缘区域。为了所述接触，规定，在第三 保护层中设置凹槽(Ausnehmung)，其一直达到牺牲层中的电绝缘区域。 最后，为了牺牲层中的该被隔离区域的接触或者为了第一膜片的接触， 在凹槽的区域中将一个可导电的、空间上受限的层施加到第三保护层 上。这例如可以以键合焊盘的形式出现。在此规定，该可导电的、空间 上受限的层不具有至第二膜片层的电连接。通过制造两个相叠的被释放膜片，这样可以生成微机械的膜片传感 器，其中两个膜片可以彼此独立地偏移。有利的是，第一和第二空腔彼此相连接。这例如可以通过在第一膜 片中的孔实现。通过所建议的用于制造双膜片的表面微机械工艺可以改进制造公 差，特别是膜片结构的几何参数。此外，该方案作为表面微机械工艺显 著减小了处理和加工开销并且由此降低了制造成本。背面的特殊处理通
常是体微机械工艺的重要组成部分，它关系到对机械处理(例如Pin-lift) 来说的死面(Totflaechen)以及由于正面上的损伤导致的产量损失。在 极端情况下，晶片背面的处理或者借助穿过晶片的通孔的处理(所谓的 贯穿晶片刻蚀)会需要使用昂贵的承载体技术(Traegertechnik)，其中 晶片必须被安装到承载体(晶片、薄膜、夹盘)上并且借助该承载体被 处理。在构造传感器的层时，制造公差和加工安全性很重要。这样，这 些过程通常针对样品在省略考虑过程公差对器件特性的相互作用的情 况下简化地描述。这样，例如可以通过两个时间刻蚀过程来实现两个膜 片的释放，其中一个时间刻蚀过程从晶片正面进行，另一个从晶片背面 进行。因为两个过程表现出关于刻蚀速率的变化并且附加地通过晶片处 理产生差别，所以器件公差并未由于晶片处理而被排除。借助所提出的 发明，由此可以展现具有高产量的受控的批量生产，因为不需要所述类 型的费事的晶片处理并且两个膜片的释放通过仅仅一个唯一的刻蚀步 骤实现。由此可以将工艺波动的影响与膜片传感器的功能参数分离。附la至lg示意性示出了带有双膜片的膜片传感器的制造方法。 图2示出了制成的膜片传感器的构造。
具体实施方式
为了制造根据本发明的膜片传感器，在一个实施例中，将三个功能 层相继地施加到衬底上。这些功能层涉及下部的膜片、膜片之间的牺牲 层以及上部膜片。除了三个功能层之外，还需要中间层，它们将功能元 件彼此分开。下部的膜片、即第一膜片以及牺牲层优选由硅构成，因为在牺牲层 刻蚀时两个层至少部分被去除，以便释放膜片。替代地，也可以使用如 SiGe的材料，其可以在牺牲层刻蚀时被去除。上部的膜片、即第二膜片
可以由不同的材料构成，尤其是硅。 一个优选的选择是处于小的拉应力下的膜片，例如ONO结构(可能具有金属敷层)，如在质量流量传感器 中所使用那样。然而也可以使用其它的组合，如氧化物/金属膜片或者由 绝缘子和导电层构成的多层的层，以便为电容性电路提供电线路或者电 极。根据本发明的微机械膜片传感器的一种可能的制造方法借助图la 至lg示意性地示出。如在图la中所示，膜片传感器的层构造通过将不 同的层施加到硅衬底晶片100的正面105上来进行。在第一步骤中，硅 衬底晶片100的表面通过沉积氧化物110来保护。该氧化物例如可以借 助热氧化来产生。在该第一保护层110中，可以设置一个或多个通孔 120，它们可以用于随后的第一空腔的产生。接着，将第一膜片层130施加到第一保护层110上或施加到孔120 中，如在图lb中所示。第一膜片层130以后形成下部的膜片400。该第 一膜片层130的施加借助外延方法或者借助硅的LPCVD沉积来实现。 在此，第一膜片层130的层厚通过在层沉积期间的工艺参数确定。如在 图lc中所示，第一膜片层130例如通过槽刻蚀工艺来结构化。结果得 到膜片的限定了区域140的穿？L，这些区域可以在牺牲层刻蚀时被去除。 这些区域通过槽刻蚀沟道(Trenchaetzgraeben) 145与真正的膜片层400 分离。在结构化的第一膜片层130上施加一个另外的保护层150 (见图 ld)。通过第一膜片层的例如借助氧化物层的覆盖，槽刻蚀沟道145同 样被完全填充。这可以通过热氧化来实现，其中第二保护层150的层厚 或者氧化物厚度应该大于槽沟的沟道宽的一半，由此使得槽沟可以被完 全填充(见图ld中的155)。为了建立牺牲层与膜片的待刻蚀区域、即 在第一膜片层130中的穿孔(140)的连接，氧化物层150同样可以被 结构化。在此，可以在第一膜片400的区域中产生通孔160。为了第一 膜片400的电接触，可以规定，在第一保护层中或者在氧化物层150中 同样至少设置一个通孔165。
如在图le中所示，将牺牲层170沉积到第二保护层150上并且结 构化。在此，这些工艺步骤可以与下部的膜片层130的沉积和结构化类 似地进行。通过牺牲层170的结构化，可以确定用于第二空腔310的区 域。此外，可以在牺牲层170内部设置区域200用于下部的膜片400的 电接触。 一个另外的保护层或者氧化物层180将牺牲层170封闭，并且 同时在横向上通过用氧化物层180的氧化物填充的槽沟175形成牺牲层 刻蚀的边界，使得只有确定的区域被掏蚀(imteraetzt)，其中确定了在 布局中或者在层构造中的膜片刚性。在第三保护层180中可以设置通孔 190，以便例如提供用于牺牲层刻蚀的通道或者以便能够实现至被掩埋 的结构的电接触。接着，施加上部的膜片层210作为最上部的层。其可以由单个的层 构成(例如用于形成金属电极的金属层)或者由"层包"(带有金属层 的ONO膜片，在表面上带有氧化物钝化的硅层等等)构成。此外，还 可以规定，最上部的保护层180是上部的膜片410的一部分。通常，在 层结构中上部的膜片410包含至少一个金属覆层210，其也可以用于制 造用于器件的电接触的键合焊盘220。替代地，也可以设置附加的、满 足相同的目的的金属化结构。在图lf中的层210在此应该代表上部的 膜片410的整个应用特定的层结构，其中第三保护层180可能同样可以 算作膜片。在图lg中示出了，产生穿过上部的膜片和第三保护层180的通孔 230，作为刻蚀介质直到牺牲层170的通道。替代地，可以规定，在第 三保护层180中，在施加第二膜片层210之前已经可以设置通孔230， 这些通孔通过第二膜片层210的合适的结构化可以用作用于随后的刻蚀 步骤的通道孔。在此，用于牺牲层刻蚀的刻蚀步骤优选地借助选择性地 刻蚀硅的气体、例如含氟的等离子体(SF6， NF3)或者优选地通过自发 刻蚀的气体如ClF3或者XeF2进行。在刻蚀步骤的牺牲层刻蚀中，将膜 片400和410之间的牺牲层170、实现至衬底的通道的区域140以及硅
衬底100的位于膜片400或者区域140之下的部分刻蚀掉。 通孔230可以在另外的步骤中借助另外的层来封闭。 替代地，也可以仅仅去除第一膜片400的一部分或者仅仅去除牺牲层170。这可以通过在中间氧化物层或者保护层中定位通孔来实现。 为了触点接通第一膜片400，可以规定在牺牲层170中的区域200可以通过特别是金属的键合焊盘220被接触，其中所述区域200通过两个用氧化物填充的槽沟205与牺牲层电绝缘。全部的所描述的方法步骤能够实现晶片的从正面的表面微机械加工。由此，在标准化的设备上的晶片处理是可能的，而不必旋转晶片。由此，与晶片必须在两侧被操作和处理的体机械工艺相比，易碎的微机械结构的损坏可能性较低。
权利要求
1.用于制造微机械膜片传感器的方法，所述微机械膜片传感器至少具有一个第一膜片(400)和一个基本上位于该第一膜片上方的第二膜片(410)，以及一个第一空腔(300)和一个基本上位于该第一空腔(300)上方的第二空腔(310)，其中为了制造膜片传感器，设置这些方法步骤在衬底(100)上产生一个第一保护层(110)，在该第一层(110)中产生至少一个孔(120)直到该衬底(100)，将一个第一膜片层(130)施加到该第一保护层(110)上，将该第一膜片层(130)结构化，在该第一膜片层(130)的至少一部分上产生一个第二保护层(150)，在该第二保护层(150)中产生至少一个孔(160，165)直到该第一膜片层(130)，将一个牺牲层(170)施加到该第二保护层(150)上，在该牺牲层(170)的至少一部分上产生一个第三保护层(180)，施加一个第二膜片层(210)，在该第二膜片层(210)和该第三保护层(180)中产生至少一个孔(230)直到牺牲层(170)，其特征在于，在一个刻蚀步骤中通过去除掉该牺牲层(170)的、该第一膜片层(140)的以及该衬底(100)的一部分来产生这两个空腔(300，310)。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，通过所述一个刻蚀歩 骤释放两个膜片。
3. 根据权利要求l的方法，其特征在于，在该衬底中在第一保护层中的孔的下方产生所述第一空腔，以及 在第一和第二膜片之间产生该第二空腔。
4. 根据权利要求1的方法，其特征在于， 该第一膜片基本上通过该第一膜片层形成，和/或 该第二膜片基本上通过该第二膜片层形成。
5. 根据权利要求1的方法，其特征在于，第二和第三保护层为 该第二空腔的产生限定界限。
6. 根据权利要求1的方法，其特征在于，第一和第二保护层确 定该第一膜片的延伸，其中特别规定，第一和第二保护层至少部分地 包围该第一膜片。
7. 根据权利要求1的方法，其特征在于， 所述衬底具有半导体材料、特别是硅，和减 这些保护层中的至少一个具有氧化物、特别是热氧化物，和/或 该第一膜片层具有硅，和/或 该牺牲层具有Si或者SiGe，和/或 该第二膜片层具有一个金属层。
8. 根据权利要求l的方法，其特征在于，第一和/或第二膜片层外延地和/或借助LPCVD沉积来产生，和/或该第二膜片层由多个层产生，和/或 第一和/或第二膜片层借助槽工艺被结构化，和/或 该刻蚀过程从该衬底的正面(105)进行，和/或 该刻蚀过程借助呈SF6、 NF3、 ClF3或者XeF2形式的含氟化合物 来进行，和/或该第二保护层的厚度根据在该第一膜片层中的孔的直径来选择， 其中特别规定，该第二保护层的厚度大于在该第一膜片层中的孔的直 径的一半，和/或该第一空腔(300)的横向和垂直的延伸与该刻蚀步骤的刻蚀持 续时间相关，和/或在该第二膜片层(210)中和在该第三保护层(180)中的孔(230) 通过施加一个另外的层来封闭。
9. 根据权利要求1的方法，其特征在于，该第一膜片被电接触， 其中规定，为了形成电接触，在该第二保护层(150)中产生一个直到第一膜片层(130)的孔 (165)，以及这样地将该牺牲层(170)结构化，使得产生一个电绝缘的区域，以及该第三保护层很大程度地包围在该牺牲层中的该电绝缘区域，其 中规定，在该第三保护层中产生一个直到该电绝缘区域的凹槽，在所述凹槽的区域中将一个可导电的、空间上受限的层施加到该 第三保护层上。
10. 微机械膜片传感器，特别是根据权利要求l至9之一制造， 至少具有一个衬底(100)和 一个第一膜片(400)和一个基本上位于该第一膜片上方的第二膜片(410)，和 一个在该衬底(100)中的第一空腔(300)和 一个在第一和第二膜片之间的第二空腔(310)，其中规定，该第 二空腔基本上位于该第一空腔上方， 其特征在于，不仅该第一膜片而且该第二膜片都具有生长到该衬底上的材料， 其中特别是规定，所述材料外延地生长。
11. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于，这两 个膜片可以彼此无关地偏移。
12. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于，该第 一膜片中的至少一个孔将该第一空腔和该第二空腔相连接。
13. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于， 该第二空腔的壁和/或该第一膜片中的孔的壁 具有氧化物。
14. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于，该第二膜片具有一个金属层。
15. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于，从该 衬底的正面设置有该第一膜片的电接触，其中特别规定，在该微机械 膜片传感器的表面上设置有一个可导电的、空间上受限的层，它与该 第二膜片电绝缘并且具有至该第一膜片的电接触。
16. 根据权利要求10的微机械膜片传感器，其特征在于，该第 二膜片具有一个第三保护层(180),其中规定，在该第二膜片和该第 三保护层中设置共同的孔(230)，这些孔通过该第三保护层上的一个 另外的层封闭。
全文摘要
本发明描述了一种用于制造微机械膜片传感器的方法以及一种借助所述方法制造的微机械膜片传感器。在此规定，微机械膜片传感器具有至少一个第一膜片和一个基本上在第一膜片之上的第二膜片。此外还规定，微机械膜片传感器具有第一空腔和基本上在第一空腔之上的第二空腔。
文档编号B81B3/00GK101119924SQ200580048189
公开日2008年2月6日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年2月18日
发明者C·舍林, H·施塔尔, H·韦伯, M·伊林, S·魏斯 申请人:罗伯特·博世有限公司