专利名称：微机电装置及其应用的制作方法
微机电装置及其应用本发明一般地涉及一种能够与传统的半导体元件制造工艺兼容的微机电装置，其具有低的制造偏差。本发明的一个特别的示例性形式是具有低的制造偏差的微机械CMOS压力传感器。在微机电装置情况下，集成在半导体衬底中的电子组件、尤其是压阻电阻或者晶体管相对于同样集成在半导体衬底中的微机械结构的准确的相对定位对于该装置的符合规定的功能是非常重要的。这种微机电装置具有微机械组件，其功能例如一方面通过机械的材料应力来设计，即以结构为条件，另一方面也受到寄生影响。典型的是，在微机电装置中，电子组件以及微机械组件平面地通过光刻来制造。微机械组件例如可以具有在所有侧被张紧的或者并非所有侧被张紧的板、膜和梁以及更复杂的形状。作为这种微机械组件的例子，在此可以是用于振荡系统的单侧张紧的梁(横梁、悬臂)、用于压力传感器的压力膜、或者用于振荡器的安置在中央的圆片。与传统的非微机械装置的情况相比，该微机械组件或者结构的微机械制造在微机 械组件的绝对尺寸(其典型地在微米范围中或者最大在毫米范围中)方面有明显更大的相对制造公差。在此，在制造工艺的设计中特别重视的是，将布局和制造方法选择为使得得到的工艺结构在工艺结果方面(即微机电装置)鲁棒地对于所述不可避免的参数波动起反应。在此，要制造的装置的结构与工艺结构关系密切，二者不能完全隔离。尤其是在这里示例性地描述的压力传感器情况下，在过去常见的是，将可变形的弯曲元件的设计选择为，使得形成最大材料应力的局部区域，在该区域中放置对于机械应力敏感的传感器元件，由此得到最大的测量信号。最大材料应力的区域的延伸较小，使得由于制造公差导致的传感器元件的错误放置产生强烈的非线性和偏移波动的结果。这又导致定标开销和测试开销，其附加于传感器本身的制造成本会总计达到微机械压力传感器系统的制造成本的大约3/4。本发明的任务是，在这种微机械组件的情况下(其中材料应力场在功能上或者寄生上是重要的)，控制该材料应力场，使得所述制造波动对于材料应力的测量技术上的检测的影响最小化。为了解决该任务，借助本发明提出了一种微机电装置，其设置有-适于制造微电子组件的衬底，尤其是半导体衬底，一集成到衬底中的微机械组件，其具有能够可逆地弯曲的弯曲元件，该弯曲元件具有与衬底连接的第一端部，并且从该第一端部出发通过自由空间延伸直到第二端部，一其中弯曲元件具有至少一个接片，其带有两个侧边缘，所述侧边缘的走向通过与侧边缘邻接的、引入弯曲元件中的凹处来限定，以及一其中为了形成在接片内的均匀区域，从弯曲元件的第一端部出发朝着接片的第二端部的方向观察，接片的侧边缘的相互距离减小，其中在所述均匀区域中在将弯曲元件弯曲时出现的机械应力基本上大小相同，以及一对于机械应力敏感的至少一个微电子组件，其在接片的均匀区域内集成在其中。
根据本发明的微机电装置的重要特征是，对在能够可逆地弯曲的弯曲元件内的材料应力场进行建模，使得在该材料应力场内所出现的材料应力基本相同。根据本发明，这通过在接片的从张紧的第一端部到可自由移动的第二端部的纵向延伸的区段中将接片的宽度减小来实现。接片是弯曲元件的部分并且通过侧边缘来限定，所述侧边缘通过接片的两侧构建的、引入弯曲元件中的凹处来限定。在其与衬底连接的第一端部上，弯曲元件于是在接片的两侧具有比在接片的区域中更小的厚度。接片本身从弯曲元件的第一端部出发来观察在其宽度上减小，这可以连续地、几乎连续地、或者逐级或者分区段地连续地、分区段地几乎连续地进行。描述接片的侧边缘的走向的函数可以是线性、二次、指数、连续、单调连续、可微分、分段连续、单调分段连续或者分段可微分的。其他函数曲线同样是可能的。重要的是，距弯曲元件或者接片的张紧的第一端部的距离越大，则其中要形成均匀区域的区域内接片的宽度越小。沿着接片的两个侧边缘的走向合乎目的地关于接片的中线对称。弯曲元件例如可以是一侧张紧的悬臂式的梁、两侧张紧的梁、多侧张紧的梁或者膜、片等等。所有弯曲元件共同的是，当力或者压力作用到其上时，其经历可逆的弯曲。通过根据本发明的方式，对于材料应力敏感的传感器元件不再一定要设置在最大材料应力的极窄地受限的区域中，而是弯曲元件在几何结构上构建为使得在接片内形成比·较大面积的区域，在该区域中材料应力梯度基本上为零，现在不再取决于传感器元件的精确的放置，因为该传感器元件仅仅要求的是，其至少部分地、优选完全地位于均匀区域内。由此，现在于是传感器元件的由于制造公差导致的错误放置不再不利地影响制造偏差等等。此外，可以省去或者节约成本地减少在制造微机电装置之后费事的定标和测试方法。在根据本发明的微机电装置的一个特别的设置情况中，均匀区域在接片的宽度延伸或者长度延伸中伸展。此外可以设计的是，均匀区域在接片的宽度延伸和/或长度延伸中比微电子组件在所涉及的接片的宽度延伸和/或长度延伸中的伸展大可预先给定的最小因子。例如，该因子可以至少为6西格玛(Sigma)，其中西格玛是通过用于制造微电子组件的工艺限定的、设置在均匀区域中的微电子组件相对于该均匀区域的位置的放置精度。根据本发明的微机电装置的弯曲元件可以通过刻蚀衬底、尤其是DRIE或者等离子体刻蚀来构建。根据本发明的装置的应用例子是压力传感器、加速度传感器或者谐振器。首先借助根据本发明的压力传感器以及参照附图
来阐述本发明。具体而言图I示出了示例性的根据本发明的微机械压力传感器的示意性横截面；图2示出了根据现有技术的压力传感器的俯视图；图3示出了在根据现有技术的示例性的压力传感器中与半径相关的机械应力关系;图4示出了带有平台区域或者恒定区域的、优化的根据本发明的压力传感器的理想化的应力曲线，其允许在制造上稳定地放置应力敏感的电子器件，例如压阻电阻或者MOS晶体管；图5示出了示例性的带有优化的接片(弯曲梁或者弯曲元件)的压力传感器的俯视图；图6示出了示例性的带有优化的接片的压力传感器的俯视图，其中细节示意性地示出了接片边界的优化的曲线，其导致恒定的机械应力，并且由此导致类似于根据图4中的曲线的所希望的应力平台；
图7附加于图6示意性地示出了在接片上在基本上恒定的机械材料应力的区域中应力敏感的电子组件的大致位置；以及 图8示例性地借助悬臂示出了将本发明转移到其他微结构上，其中悬臂为了更好的理解而在侧视图以及俯视图中示出。图I示意性示出了在硅基(Si衬底)上的差分压力传感器作为体现本发明的例子。在(半导体)衬底I构成的压力传感器本体中引入空腔3，膜4在空腔之上在衬底I的上侧2上延伸。在膜4中，从上侧将槽6刻蚀到衬底I的上侧2中，然而所述槽并未穿透膜4。槽6被接片或者梁8中断。膜4、槽6和接片或者梁8形成能够可逆地弯曲的弯曲元件。对于弯曲以及由此至弯曲元件的力作用或者压力作用在测量技术上的检测通过测量机械应力来进行，例如接片之一受到所述机械应力。为了能够借助压力传感器来测量差分压力，空腔3通过通道7与环境连接。为了测量绝对压力，空腔3必须完全相对于环境封闭。图2示出了压力传感器的俯视图，如其与现有技术所对应的那样。如所描述的根据本发明的压力传感器那样，已知的压力传感器具有在传感器上侧之下的空腔，其被膜13覆盖。如在根据本发明的实施例的传感器情况下那样，槽12被引入上侧中。如根据实施例的传感器那样，已知的传感器通过垫9来电连接。其他细节例如实际的传感器元件在图2中并未示出。根据现有技术，接片11作为恒定宽度的梁或者作为相对于传感器中心有恒定角度的梁来实施。不同于根据图2的现有技术的已知传感器，梁或者接片8的宽度在根据本发明的传感器情况下调整为，使得在梁弯曲情况下出现的机械应力至少在梁的部分区域中在理想实施情况下恒定，并且在实际的实施情况下几乎恒定。这意味着，在梁中的应力场通过其横截面来调整和控制。如果现在要将传感器放置在梁上，则从制造技术观点来看同样没有意义的是，如目前常见的那样将应力最大化，而是将梁的区域内出现的机械应力在均匀化的意义上稳定，使得在应力敏感元件的不可避免的放置误差情况下所述应力敏感元件所经受的机械应力与所实现的放置无关地尽可能彼此没有差别。图3示出了通过简化的分析计算来平均的、在根据现有技术的压力传感器的膜中的应力曲线。如果整个膜面被薄化了槽深度，则在这样得到的膜中的应力特别大，并且跟随上部曲线17、37。如果没有刻蚀槽，则平均的机械应力大致跟随下部曲线18、36。具有类似根据图2的俯视图的传感器的曲线大致跟随曲线18并且在两个极值之间变动。在区域19中(这是压力传感器膜13的中心的区域)，应力跟随下部曲线36。如果所观察的部分圆(Schnittkreis)的半径大到使得部分圆不再完全处于压力传感器膜13内，而是与槽的区域12相交，则在距中心的距离区域20中的平均机械应力开始增大，直到部分圆完全在槽12中并且在区域21中的曲线仅仅跟随曲线37。这进行得直到半径大到使得部分圆大于槽
12。随后，在距中心的距离区域22中，机械应力又下降，直到其又与曲线36相遇，或者如这里一样直到部分圆也离开空腔10。在该情况中，于是出现机械应力的大幅降低，因为于是传感器的整个本体可以接收剩余应力(参见距中心的距离区域23和24)。不利的是，机械应力在距中心的距离区域19至22中从不是恒定的。由此，应力敏感的组件例如压阻电阻的放置不准确显著地影响系统性能和所得到的制造偏差。
尤其是在应力曲线的极大值25、26、27上的放置在制造技术上是极为不利的，因为机械应力对半径的导数最大，因此在那里存在对于制造波动的最大的敏感性。图4示出了示例性的、所希望的应力曲线28，其中在图4中也再次示出了图3的曲线17的走向。应力曲线28的特征在于突然的上升32和陡峭的下降33以及(这是重点)在二者之间的根据本发明的保持平台29不变的应力，其位置选择为使得在典型的已知的放置不准确情况下，组件的大小在两侧比平台29小3西格玛。由此，保证了器件在该情况下能够以Cpk值为2来制造。因为空腔3通常不能相对于前侧上的结构以特别好的放置精度来制造，所以有意义的是，让第一应力下降33在空腔边界之前的一定距离(该放置精度的3西格玛)中进行(参见图4中的30)，其中接着进行进一步的应力下降31。示例性的根据本发明的压力传感器示意性地在图5中以俯视图示出。膜4在此是圆形的，槽6弯曲地走向并且沿着膜4的环周。而本发明也可以使用在如图2所示的带有有角的槽走向的矩形膜中。
在图6的右边又放大地示出了基于图5的本发明的重点通过接片8的侧边缘的合适的形状35 (所述接片将槽6中断)，每个接片8的横截面根据半径(距压力传感器膜的中点的距离)而改变，使得在膜偏移的情况下在(曲线)形状35的区域中得到恒定的应力曲线(参见图4中的平台29)。接片8至本体硅的“附接”(参见图I中径向地在空腔3之外的区域)、即每个接片8在其第一端部34上的构型选择为，使得接片8的宽度朝向第一端部34增大，即朝着膜4的中心的方向减小。在该实施例中，这通过相对于接片8侧向向外伸出的、槽6的曲线形状的边缘区段(参见35处的走向)来进行。可替选地，这些边缘区段也可以直线倾斜地、阶梯形地或者多边形地向外延伸。换而言之，(曲线)形状35也可以通过直线区段或者阶梯来近似(参见在图6中不同的、用虚线绘出的走向35'、35")。图7示出了应力敏感的电子组件相对于接片的示例性的示意性放置以及其建模曲线形状35。接片的这种调整后的轮廓的原理当然也可以使用在其他传感器中。于是，例如可能的是，这使用在悬臂和谐振器中。图8示意性示出了结合悬臂37的、本发明的示例性实施形式。悬臂在应力敏感的电子组件39的区域中在厚度中建模。在该区域中，悬臂具有薄化的区域42和未改变的区域38。在薄化的区域42与未薄化的区域38之间的边界曲线40在此又选择为，使得对于悬臂37的按照规定的力作用导致同样按照规定的、该悬臂37相对于传感器本体41的偏移，并且该偏移又导致在应力敏感的电子组件39的区域中在X方向上(参见图8中的标记)几乎恒定的机械应力。如果现在出现制造误差，其导致电子器件相对于微机械结构的推移，则当应力场恒定并且并未离开恒定的区域时，该推移没有影响。如果应力场几乎恒定，则相比于现有技术所对应的解决方案，该推移仅仅导致非常小的影响。由此，通过这种应力场调整，实现了更好的制造能力的目标。合乎目的的是，相应的结构通过DRIE刻蚀或者等离子体刻蚀来制造，因为其允许自由选择形状。
权利要求
1.一种微机电装置，具有 一适于制造微电子组件的衬底(I )，尤其是半导体衬底， 一集成到衬底(I)中的微机械组件，所述微机械组件具有能够可逆地弯曲的弯曲元件(4)，该弯曲元件具有与衬底(I)连接的第一端部(34)，并且从该第一端部(34)出发通过自由空间(3)延伸， 一其中弯曲元件(4)具有至少一个接片(8)，所述接片带有两个侧边缘，所述侧边缘的走向(35)通过与所述侧边缘邻接的、引入弯曲元件(4)中的凹处(6)来限定，以及 一其中为了形成在所述接片(8)内的均匀区域，从弯曲元件(4)的第一端部(34)出发来观察，所述接片(8)的侧边缘的相互距离减小，其中在所述均匀区域中在将弯曲元件(4)弯曲时出现的机械应力基本上大小相同，以及 一对于机械应力敏感的至少一个微电子组件(36)，所述微电子组件在所述接片(8)的均匀区域内集成在所述接片(8)中。
2.根据权利要求I所述的微机电装置，其特征在于，均匀区域在所述接片(8)的宽度延伸或者长度延伸中伸展。
3.根据权利要求I或2所述的微机电装置，其特征在于，所述微电子组件(36)完全设置在所述接片(8)的均匀区域内。
4.根据权利要求I至3之一所述的微机电装置，其特征在于，均匀区域在所述接片(8)的宽度延伸和/或长度延伸中比所述微电子组件(36)在所述接片(8)的所涉及的宽度延伸和/或长度延伸中的伸展大可预先给定的最小因子。
5.根据权利要求4所述的微机电装置，其特征在于，所述因子至少为6西格玛，其中西格玛是通过用于制造微电子组件的工艺限定的、设置在均匀区域中的所述微电子组件(36)相对于该均匀区域的位置的放置精度。
6.根据权利要求I至5之一所述的微机电装置，其特征在于，弯曲元件(4)是膜、板、梁或片。
7.根据权利要求I至6之一所述的微机电装置，其特征在于，弯曲元件(4)通过刻蚀衬底、尤其是DRIE刻蚀或者等离子体刻蚀来构建。
8.根据权利要求I至7之一所述的微机电装置，其特征在于，所述接片(8)的宽度减小连续地、几乎连续地、分区段地连续地或者逐级地连续地进行，和/或描述所述接片(8)的侧边缘的走向的函数是线性、二次、指数、连续、单调、可微分、分段连续、单调分段或者分段可微分的。
9.根据权利要求I至8之一所述的微机电装置，其特征在于，所述接片(8)的两个侧边缘的走向关于在所述接片的长度延伸中走向的中线对称。
10.根据上述权利要求之一所述的装置作为压力传感器、加速度传感器或者谐振器的应用。
全文摘要
微机电装置具有适于制造微电子组件的衬底(1)，尤其是半导体衬底。微机械组件集成到衬底(1)中，所述微机械组件具有能够可逆地弯曲的弯曲元件(4)，该弯曲元件具有与衬底(1)连接的第一端部(34)，并且从该第一端部(34)出发通过自由空间(3)延伸。弯曲元件(4)具有至少一个接片(8)，该接片带有两个侧边缘，所述侧边缘的走向(35)通过与侧边缘邻接的、引入弯曲元件(4)中的凹处(6)来限定。为了形成在接片(8)内的均匀区域，从弯曲元件(4)的第一端部(34)出发来观察，接片(8)的侧边缘的相互距离减小，其中在所述均匀区域中在将弯曲元件(4)弯曲时出现的机械应力基本上大小相同。此外，该装置具有对于机械应力敏感的至少一个微电子组件(36)，所述微电子组件在接片(8)的均匀区域内集成在其中。
文档编号B81B3/00GK102947216SQ201180016329
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月26日
发明者贝恩德·伯查德, 迈克尔·德勒, 周宁宁 申请人:艾尔默斯半导体股份公司, 硅微结构有限公司