用于制造MEMS传感器的方法和MEMS传感器与流程

本公开涉及一种用于制造mems传感器的方法和一种mems传感器。

背景技术：

mems传感器是通过使用微系统技术制造的传感器。在此，术语mems来自“microelectromechanicalsystem”(微机电系统)。例如，这种mems传感器的示例为压力传感器或麦克风。

技术实现要素：

一个实施方式涉及一种用于制造mems传感器的方法，包括以下步骤：

·提供衬底，

·在衬底的正面上构造mems结构，

·在衬底中构造具有凹槽的解耦结构，其使衬底的第一区域与第二区域应力解耦，

·在衬底的与正面对置的背面中，通过第一蚀刻工艺构造第一空腔并且通过第二蚀刻工艺构造第二空腔，并且

·第一空腔和第二空腔构造为使得第二空腔包括第一空腔并且第二空腔与mems结构的底部区域和解耦结构的底部区域邻接。

另一实施方式提供了一种根据该方法的设计方案制造的mems传感器。

附图说明

具体来说，存在多种可能性来设计和改进该方法和mems传感器。对此，结合附图参考对实施例的以下说明。

图1a)-图1d)示出了用于制造mems传感器的方法的第一设计方案的阶段，该mems传感器为mems麦克风。

图2a)-图2c)示出了制造作为mems传感器的示例的mems压力传感器的第二设计方案的阶段。

图3a)-图3d)示出了用于制造mems传感器的方法的第三设计方案的阶段，该mems传感器为mems麦克风。

图4a)-图4c)示出了用于制造mems传感器的方法的第四设计方案的阶段，该mems传感器例如为mems麦克风。

图5示出了用于制造mems传感器的方法的设计方案的步骤的流程图。

图6示出了用于制造mems传感器的方法的替代设计方案的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了在制造mems传感器100期间的四个阶段，该mems传感器100为麦克风。

图1a)示出了衬底1，其例如为硅晶片。在衬底1的正面10上引入多个凹口或凹槽30、90。一些凹槽30部分地属于在以下加工步骤中待构造的解耦结构3。在此，凹槽30形成用于待构造的弹簧状元件的阴模。其他凹槽90可部分地形成mems结构2，该mems结构2用于待制造的mems传感器100的实际功能。与正面10相对置的是衬底1的背面13。

图1b)示出了在衬底1的正面10上施加氧化硅(sio)涂层91的阶段。涂层91作为蚀刻停止层用于在下一步骤中施加的mems结构2的下方蚀刻出空腔的步骤。

图1c)示出了在衬底的正面10上已经施加了mems结构2的阶段。在此，膜片20为mems结构2的一部分。在此，在sio层91上方向凹槽30、90(参见图1a))中施加多晶硅外延层92，其是mems结构2的机械基础结构并且引起解耦结构3的弹性作用。此外，在正面10上构造有接触垫(所谓的“接合垫”)7。

对于随后的蚀刻步骤，在衬底1的背面13上设置有蚀刻停止掩模6。可以看出，蚀刻停止掩模6在从正面10到背面13位于mems结构2下方和解耦结构3下方的区域之外实现蚀刻停止。这允许通过随后的蚀刻工艺在该区域中形成空腔。

图1d)示出了作为mems传感器100的麦克风。在具有膜片20和多晶硅区域92的mems结构2下方现在是空腔。在此，该空腔特别是对于膜片20的运动也是必需的。通过蚀刻工艺，解耦结构3同样也被暴露。在此，解耦结构3例如为弹簧结构，并且通常用于衬底1的两个区域相对于彼此的机械应力的解耦。尤其是进行在膜片20和周围衬底1之间的解耦。

在图2中示出了作为mems传感器100的示例的压力传感器的制造期间的步骤。在此示出了制造的三个阶段。

图2a)示出了以下阶段，即在衬底1的正面10上已经施加或构造了mems结构2和接触垫7。在衬底1的背面13上已经施加了蚀刻停止掩模6，其在此特别是留出了mems结构2下方的区域。

在图2b)中示出了以下阶段，即在正面10上已经附加地构造了具有凹槽30的解耦结构3。完成的解耦结构3可实现在衬底1的具有mems结构2的区域与衬底1的周围区域之间的应力解耦。

图2c)示出了如何通过衬底1中的蚀刻工艺在mems结构2的下方构造空腔。空腔使解耦结构3的下侧敞开，使得(在此作为弹簧元件的)解耦结构具有其应力解耦的作用。然而，还可看出，mems结构2位于一种由在此未被蚀刻掉的衬底1形成的托盘上。由此，mems结构2在朝背面13的方向上不是自由的。为此需要其他步骤。

图3示出了在制造mems传感器100时的四个阶段。mems传感器100在此为麦克风。

图3a)示出了厚度为d的衬底1的截面图。在正面10上施加有mems结构2。为了简化图示，在此仅示出了作为mems结构2的一部分的膜片20。未示出属于解耦结构3的多晶硅区域，从而仅示出了凹槽30。在正面10上还附加地设置有接触垫(“接合垫”)7。

在衬底1的背面13上设置有蚀刻停止掩模6，其在此实施为两部分(由点线填充区域表示)。蚀刻停止掩模6特别是设计成使得衬底1的第一部分14被保护免受第一蚀刻工艺，并且优选地仅免受第一蚀刻工艺。如果进行第二蚀刻工艺，则第一部分14被蚀刻掉，因为第一部分14不再受到蚀刻停止掩膜6的保护。此外，蚀刻停止掩模6保护衬底1的第二部分15免受第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺。在此，所述两个部分14、15沿着在正面10和背面13之间的连接部在朝正面10的方向上位于蚀刻停止掩膜6的下方或者说位于背面13的设置有蚀刻停止掩膜6的部分的下方。在一个设计方案中，蚀刻停止掩模6的所述作用通过其特定性质实现。在补充或替代的设计方案中，在第一蚀刻工艺之后去除蚀刻停止掩模6的一部分，从而不再对第一部分14进行保护。

图3b)示出了如何将解耦结构3的凹槽30引入到衬底1的正面10中。在此，衬底1例如为硅晶片。在本实施例中，在此位于外部的第一区域11和在此位于内部的第二区域12之间实现应力解耦。在第二区域12的上方特别是设置有具有膜片20的mems结构2，其由此与周围的衬底1应力解耦。

还可看出，由在此以两部分表示的蚀刻停止掩模6限定的第二部分15在应力解耦方面属于第一区域11。从正面10观察，由蚀刻停止掩模6限定的第一部分14位于解耦结构3的下方并且特别是位于解耦结构3的凹槽30的下方。

图3c)示出了第一蚀刻工艺的结果。利用蚀刻停止掩模6通过第一蚀刻工艺在mems结构2的下方且尤其是在膜片20的下方形成第一空腔4。在此，第一空腔4的深度以及第一蚀刻深度由t1表示。在第一蚀刻工艺期间，两个部分14、15受到蚀刻停止掩模6的保护。

在图3d)中示出了第二蚀刻工艺的结果和作为mems传感器100的麦克风。在此，蚀刻停止掩模6仅保护了第二部分15，从而第一部分14被蚀刻掉。通过第二蚀刻工艺形成第二空腔5，第二空腔5比第一空腔4大并且包括或者说扩大空腔4。第二空腔5部分地具有由蚀刻深度构造的深度t2并且在此还比第一空腔4具有更大的横向延伸，由于第二蚀刻工艺和第二空腔5而使第一空腔4不再存在。

通过形成具有深度t1的第一空腔4的第一蚀刻工艺和随后将衬底1蚀刻掉蚀刻深度t2的第二蚀刻工艺在总体上形成第二空腔5，其部分地具有两个蚀刻深度t1、t2之和的深度并且部分地具有仅由第二蚀刻深度t2决定的深度。在此，该深度涉及到在朝正面10的方向上与背面13的距离。由此，第二空腔5在衬底1中具有至少两个不同的延伸。

在此，第二空腔5与mems结构2的底部区域21和解耦结构3的底部区域31邻接。在此，mems结构2的底部区域21从正面10开始具有深度t3。

在所示示例中，mems结构2的底部区域21由膜片20给出。因此，在膜片20下方为了自由摆动，第二空腔5完全延伸穿过衬底1。由此，在所示实施例中，深度t3消失，并且第一空腔4的深度t1和第二蚀刻工艺的第二蚀刻深度t2之和等于在正面10和背面13之间衬底1的厚度d。

解耦结构3的底部区域31相对于正面10的深度t4一方面取决于解耦所需的尺寸，而另一方面取决于所需的机械强度。由此，在解耦结构3的下方，通过在衬底1的厚度d和解耦结构3的底部区域31在衬底1的正面10之下的深度t4之间的差给出了第二空腔5的深度t2，从而给出了以第二蚀刻工艺实现的蚀刻深度。

由此，利用第一蚀刻工艺进行蚀刻直到已达到第一蚀刻深度t1。利用第二蚀刻工艺构造第二蚀刻深度t2。在此，蚀刻深度t1、t2是指从背面13到正面10。在mems结构2下方的区域中，两个蚀刻深度t1、t2相加，并且在其他区域中，特别是在解耦结构3的下方，仅去除第二蚀刻深度t2。在此，两个蚀刻深度t1、t2之间的差值等于解耦结构3的底部区域31和mems结构2的底部区域21相对于正面10的深度t3、t4之间的差值。

在所示示例中，作为第一和第二蚀刻工艺的结果，第二空腔5在mems结构2的膜片20的下方延伸穿过衬底1。由此，两个蚀刻深度t1、t2之和等于衬底1的厚度d。

在图4中示出了制造作为mems传感器100的麦克风的另一变型方案的三个阶段。在所示设计方案中，基于第一蚀刻工艺的准备，利用第二蚀刻工艺形成解耦结构3的凹槽30。

图4a)示出了衬底1，衬底1在正面10上具有mems结构2、mems结构2的膜片20和接触垫7。在背面13上设置有蚀刻停止掩膜6，其被设计成使得衬底1的第一部分14仅被保护免受第一蚀刻工艺并且衬底1的第二部分15被保护免受第一和第二蚀刻工艺。此外，蚀刻停止掩膜被设计成使得通过第一蚀刻工艺除了第一空腔4之外还在衬底1中构造预凹槽32。后者在所示实施例中通过以下方式实现，即蚀刻停止掩膜6在一些区域中不覆盖而是留出背面13，从而第一蚀刻工艺可去除衬底1在这些空白部位下方的材料。

图4b)示出了第一蚀刻工艺的结果。可看到具有由第一蚀刻深度得到的深度t1的第一空腔4以及位于解耦结构3待形成的凹槽30之上的预凹槽32。

图4c)示出了第二蚀刻工艺的结果。第二空腔5由第一空腔4得到并且在解耦结构3附近具有由第二蚀刻深度t2给出的深度，并且在此特别是在mems结构2的膜片20下方具有等于衬底1的厚度d且等于两个蚀刻深度t1、t2之和的深度。

此外可看出，解耦结构3的凹槽30通过以下方式得到，即通过第二蚀刻工艺将预凹槽32朝衬底1的正面10的方面推进。由此，总体上仅通过蚀刻工艺从背面13开始构造解耦结构3的凹槽30。

图5示出了构造图3的阶段的示例性步骤流程。

在步骤300中提供衬底。此外，在衬底的正面上施加mems结构，并且在背面上施加蚀刻停止掩膜。图3a)示出了该步骤的结果。

在步骤301中，在衬底的正面上构造解耦结构的凹槽。图3b)示出了该步骤的结果。

在步骤302中进行第一蚀刻工艺，其构造第一空腔并且去除衬底材料直到第一蚀刻深度t1。图3c)示出了该步骤302的结果。

在之后的步骤303中，利用第二蚀刻工艺去除更多的衬底材料。图3d)示出了该步骤的结果。

在此，第二蚀刻工艺的蚀刻深度t2部分地加到第一蚀刻工艺的蚀刻深度t1上，并且部分地(取决于蚀刻停止掩膜的设计或者替代或补充地取决于其在步骤302和303之间的部分距离)单独形成第二空腔的深度。两个蚀刻深度t1、t2特别是在mems结构的下方相加。第二蚀刻工艺的蚀刻深度t2在解耦结构的下方构造该区域中第二空腔的深度。因此，总体上mems结构的底部区域(从背面看)比解耦结构的底部区域更深。如在图3中所示，待制造的mems传感器特别是为mems麦克风，则通过步骤303留出了mems结构和解耦结构的凹槽。

图6示出了构造图4的阶段的示例性步骤流程。

在步骤400中提供衬底，在衬底的正面上施加mems结构并且在背面上施加蚀刻停止掩膜。在此，蚀刻停止掩膜与在图5的流程中所使用的不同。因此，特别是在解耦结构的凹槽上方的衬底区域不会免受第一蚀刻工艺。图4a)示出了步骤400的示例性结果。

在步骤401中进行第一蚀刻工艺。由此，一方面在mems结构的下方或在图4的示例中在mems结构的膜片的下方形成第一空腔，并且另一方面在解耦结构的凹槽的上方得到预凹槽。图4b)示出了步骤400的示例性结果。

在之后的步骤402中，利用第二蚀刻工艺构造第二空腔，其部分地位于mems结构的下方。此外，通过第二蚀刻工艺朝衬底正面的方向推进预凹槽，使得由预凹槽形成解耦结构的凹槽。图4c)示出了步骤400的示例性结果。

根据第一设计方案，用于制造mems传感器的方法至少包括以下步骤：提供衬底；在衬底的正面上构造mems结构；在衬底中构造具有凹槽的解耦结构，其使衬底的第一区域与第二区域应力解耦；在衬底的与正面对置的背面中，通过第一蚀刻工艺构造第一空腔并且通过第二蚀刻工艺构造第二空腔；并且第一空腔和第二空腔被构造为使得第二空腔包括第一空腔并且第二空腔与mems结构的底部区域和解耦结构的底部区域邻接。

根据第二设计方案，在其参考第一设计方案时，利用第一蚀刻工艺构造第一蚀刻深度，并且利用第二蚀刻工艺构造第二蚀刻深度，使得在第一蚀刻深度和第二蚀刻深度之间的差值基本上等于在mems结构的底部区域的深度和解耦结构的底部区域的深度之间的差值。

根据第三设计方案，在其参考第一设计方案时，在构造第一空腔之前在衬底的背面上构造蚀刻停止掩膜，使得衬底的第一部分仅被保护免受第一蚀刻工艺并且衬底的第二部分被保护免受第一和第二蚀刻工艺。

根据第四设计方案，在其参考第一设计方案时，在第一空腔和第二空腔之前构造mems结构和解耦结构。

根据第五设计方案，在其参考第一设计方案时，通过第二蚀刻工艺构造解耦结构的凹槽。

根据第六设计方案，在其参考第五设计方案时，在构造第一空腔之前在衬底的背面上构造蚀刻停止掩膜，使得衬底的第一部分仅被保护免受第一蚀刻工艺并且衬底的第二部分被保护免受第一和第二蚀刻工艺，并且通过第一蚀刻工艺在衬底中构造第一空腔和预凹槽。

根据第七设计方案，在其参考第六设计方案时，第二蚀刻工艺实施为使得由预凹槽构造解耦结构的凹槽。

根据第八设计方案，在其参考第一设计方案时，mems结构被构造用于压力传感器。

根据第九设计方案，在其参考第一设计方案时，mems结构被构造用于麦克风，并且膜片被构造作为mems结构的一部分。

根据第十设计方案，在其参考第九设计方案时，第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺实施为在衬底的整个厚度上去除膜片下方的衬底。

根据另一设计方案提出了利用根据第一设计方案所述的方法制造的mems传感器。

上述实施例仅用于说明本发明的原理。应理解的是，对本文所述的布置和细节进行的修改和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，意图在于，本发明仅受所附权利要求的保护范围的限制，而不受借助于本文实施例的说明和解释所呈现的具体细节的限制。而所附权利要求还包括对所述布置和细节的前述修改和变型。