微机械结构元件的制作方法

1.本发明涉及一种微机械结构元件。此外，本发明还涉及一种用于制造微机械结构元件的方法。


背景技术：

2.已知微机械压力传感器，在所述微机械压力传感器中，膜片夹紧在框架结构中，其中，该框架结构可以例如由硅块状材料(silizium bulk-material)(单晶硅晶片)制成或者但是在omm技术(-mikromechanik，表面微机械)中制造。在使用omm技术时，该框架通常由多晶硅构成。
3.由de 10 2018 222 715 a1已知一种压力传感器，在该压力传感器中，膜片夹紧部(membraneinspannung)不是由连续环绕的框架构成，而是由单个的锚结构构成。
4.尤其是在低压传感器的情况下，使用薄的和/或大的膜片，以便可以由此实现良好的测量灵敏性/响应灵敏性。为了使得这些传感器在较高的压力的情况下(例如在过载情况下)不受损伤，膜片尽管如此仍必须具有高稳定性。尤其是在膜片的夹紧区域上或者在膜片加固结构的棱边上，在过载情况下可能出现高的力，所述高的力可能导致膜片中的裂纹。


技术实现要素：

5.本发明的任务在于，提供一种尤其在膜片方面得到改进的微机械结构元件。
6.根据第一方面，该任务借助一种用微机械结构元件来解决，该微机械结构元件具有：
[0007]-膜片；其中，
[0008]-该膜片在至少一个锚结构的区域中和/或在至少一个连接结构的区域中具有至少一个增强结构，该增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助该增强结构以定义的方式增强膜片。
[0009]
通过这种方式，膜片可以尤其相对于高压力负载是更稳健的，由此，膜片内的应力曲线可以有利地是最小化的。结果，通过这种方式能够在很大程度上避免例如由于高压力负载导致的、膜片的裂纹或损伤。
[0010]
根据第二方面，该任务借助一种用于制造微机械结构元件的方法来解决，该方法具有下述步骤：
[0011]-提供膜片；其中，
[0012]-在该膜片中在至少一个锚结构的区域中和/或在至少一个连接结构的区域中构造至少一个增强结构，该增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助该增强结构以定义的方式增强膜片。
[0013]
微机械结构元件的优选扩展方案是从属权利要求的主题。
[0014]
微机械结构元件的一种有利扩展方案的突出之处在于，增强结构构造为越过至少一个锚结构和/或至少一个连接结构以定义的方式重叠。有利地，通过这种方式可以更进一
步地改进增强结构的增强效果。
[0015]
微机械结构元件的另外的有利扩展方案的突出之处在于，增强结构的凸起相对于剩余的膜片的横向尺寸与重叠区域的范围(ausmaβ)和/或膜片的厚度有关。
[0016]
微机械结构元件的另一种有利扩展方案的突出之处在于，增强结构在膜片的表面的上方和下方具有基本上相同的或者不同的横向尺寸。由此，对增强结构的各个区域进行具体的尺寸设计，由此可以更进一步地改进增强结构的增强效果。
[0017]
微机械结构元件的另一种有利扩展方案的突出之处在于，增强结构构成整体地(integral)由一种材料构造。通过这种方式，能够基于广为人知的材料特性而非常准确地指定增强结构的增强效果。
[0018]
微机械结构元件的另一种有利扩展方案的特征在于，增强结构包括被包围的至少一个附加元件。通过这种方式，可以通过两种不同材料的共同作用来更进一步地改进增强结构的增强效果。
[0019]
微机械结构元件的另一种有利扩展方案的突出之处在于，至少一个附加元件布置在至少一个锚结构的区域中和/或布置在至少一个连接结构的区域中。通过这种方式，也可以更进一步地优化增强结构的增强效果。
[0020]
微机械结构元件的另外的有利扩展方案的突出之处在于，增强结构由下述材料中的至少一种材料构造：si、ge、sio2、si3n4、geo2、ge3n4、sic、al2o3、富硅氮化硅。有利地，由此可以使用分别具有各自的材料参数的不同材料来实现增强结构，由此，例如也可以以优化的方式使用制造工艺来提供增强结构。
附图说明
[0021]
下面根据多个附图借助其他特征和优点详细描述本发明。相同的或者功能相同的元件具有相同的附图标记。这些附图尤其旨在表明对于本发明而言重要的原理，而不一定按比例实施。为了更加清楚起见可以设置，并非所有附图标记都被绘入到所有附图中。
[0022]
在附图中示出：
[0023]
图1示出传统的微机械传感器的横截面视图；
[0024]
图2示出图1的传统的微机械传感器的横截面视图，其具有形成裂纹的问题；
[0025]
图3示出在膜片的夹紧区域中的、所提出的微机械结构元件的所提出的增强结构的多个视图；
[0026]
图4示出在所提出的微机械结构元件的夹紧区域中的、所提出的增强结构的另外的替代变型；
[0027]
图5示出在所提出的微机械结构元件的夹紧区域中的、所提出的增强结构的另外的变型；
[0028]
图6示出在微机械结构元件的膜片的夹紧区域中的、所提出的增强结构的俯视图；
[0029]
图7示出在所提出的微机械结构元件的膜片的夹紧区域中的、所提出的增强结构的俯视图；
[0030]
图8示出在所提出的微机械结构元件的夹紧区域中的、所提出的增强结构的俯视图；
[0031]
图9示出在所提出的微机械结构元件的膜片的加固区域中的、所提出的增强结构
的变型；
[0032]
图10示出用于制造所提出的微机械结构元件的原理性流程。
具体实施方式
[0033]
本发明的核心构思尤其在于，在夹紧区域中和/或在膜片的过渡部(例如加固结构)的区域中有针对性地这样增强微机械结构元件的膜片，使得在过载情况下尽可能不在膜片中形成裂纹。
[0034]
在本发明的背景下的“锚结构”可以是多个彼此分离的锚结构或锚固结构或者是连贯的、一件式的或构成整体的锚区域或锚固区域。在下文中，为了简单起见，不再进行区分。
[0035]
图1示出传统的微机械结构元件100的原理构造的横截面视图，微机械结构元件呈电容式微机械压力传感器的形式，如该电容式微机械压力传感器例如由de 10 2018 222 715 a1已知的那样。可以看到衬底1(优选是硅衬底，例如硅晶片)，该衬底具有布置在该衬底上的层构造，该层构造主要具有功能层2和上牺牲层3。在此，借助并排布置的各个锚结构实现在夹紧区域11中对膜片的夹紧。在中间的加固区域12中对膜片10的加固通过一个或多个支撑结构来实现，所述支撑结构共同将在有效电容的下电极16上方的上电极15固定。这些支撑结构通过连接结构14与膜片10连接，并且通过这种方式引起对膜片10的局部加固。
[0036]
图2示出如下场景：在该场景中，将高机械压力f施加到膜片10上。如果该压力f过高，则在最不利的情况下，可能在夹紧区域11中和/或在膜片10的加固区域12中出现裂纹。这种类型的裂纹的可能位置通过用虚线画出的圆标示。
[0037]
为了可以避免膜片10中的这种类型的裂纹，提出，以定义的方式增强膜片10的夹紧区域11，如图3b)
–
图3d)中所示。
[0038]
图3a)示出夹紧区域11中的传统的锚结构13的横截面视图，如该锚结构例如由de 2018 222 715a1已知的那样。锚结构13包括功能层2(例如由多晶硅构成)，并且与膜片10或膜片层直接接触。在此，功能层2以完全穿透下牺牲层4和上牺牲层3的方式布置在下牺牲层4内且布置在上牺牲层3中。为了可以增强夹紧区域11，如下所述，考虑不同可能性。
[0039]
例如，如图3b)中所示，膜片10的上侧可以借助附加层来加厚或增强，该附加层可以延伸超过锚结构13并且由此在锚结构13与膜片10之间的过渡部的区域中产生膜片增强部。优选地，由多晶硅构成的层可以用于制造该膜片增强部，以便例如将对传感器性能的热影响保持得低和/或提供相对于牺牲层蚀刻介质的良好的化学蚀刻稳定性。如果牺牲层3和牺牲层4例如由sio2构成，则增强层应相对于呈液态的或者气态的hf的形式的蚀刻介质具有尽可能高的耐蚀刻性。如借助下面的等式表述的那样，该增强部可以延伸超过锚结构13的区域或宽度和长度(即锚结构13的横向尺寸)，其中，相应的突出部不一定需要具有相同的尺寸设计。
[0040]
下面给出的、增强结构20的几何尺寸设计是可能的，其中，术语“任意的”在下文中理解为在微机械结构元件的可能的尺寸设计参数的背景下适合的尺寸设计参数的范围(bandbreite)，例如膜片的几何尺寸的尺寸设计参数的范围。在此认为，例如微机械结构元件100的膜片10的厚度可以是几十nm至数百μm。
[0041]
a、c》＝0
[0042]
a＝c
[0043]
a》c
[0044]
a《c
[0045]
dv＝任意的
[0046]
dvu《do
[0047]
dm＝任意的
[0048]a′
、c
′
》＝0
[0049]a′
＝c
′
[0050]a′
》c
′
[0051]a′
《c
′
[0052]a′
＝a
[0053]a′
》a
[0054]a′
《a
[0055]c′
＝c
[0056]c′
》c
[0057]c′
《c
[0058]
在图3c)中示出增强结构20的另一种变型，在该变型中，在锚结构13与膜片10之间的过渡部的区域中可以实现膜片增强部。在此，增强层也可以由硅构成并且可以延伸超过锚结构13。在这种情况下，具有宽度a和c的突出部也可以具有不同的尺寸设计。虽然在图3b)中增强层的厚度可以是任意的，但是在图3c)中的变型中，该厚度应比最上方的牺牲层3(例如由sio2构成)的厚度小，该最上方的牺牲层处在膜片层与位于该膜片层下方的下一个功能层2(例如由多晶硅构成)之间。
[0059]
图3d)示出由在图3b)和图3c)中示出的变型构成的组合。在这种情况下，增强层在锚结构13的区域中设置在膜片层的上方和下方，所述增强层都可以以不同的距离伸出超过锚结构13。图3b
‘
)-图3d
‘
)示出在移除牺牲层3、4之后的增强结构20的相应变型。
[0060]
虽然在图3b
‘
)-图3d
‘
)中的变型中示出通过借助层进行的加厚对膜片夹紧部的增强，但是，原则上也存在如下可能性：借助多个增强层来稳定夹紧区域11。由此，例如可以影响且有针对性地调设膜片10的夹紧区域11中的应力和应力曲线。
[0061]
为此，在图4a)至图4c)中示出所提出的增强结构20的可能的变型。在图4a)中，例如示出一种变型，在该变型中，附加元件或附加层5集成在膜片夹紧部的经增强的区域中，如其在图3b)中所示。如果经增强的区域完全由多晶硅构成，则附加元件5或者附加层完全被多晶硅包围。在此，包覆的硅层的厚度可以是例如到处相同的、例如到处不同的或者但是例如仅部分相同的。经增强的区域的宽度由悬垂宽度加上锚结构13的宽度的和得出。
[0062]
从图3c)出发，得出另一种变型。在此，提供一种增强结构20，该增强结构在夹紧区域11中在锚结构13的区域中延伸到在膜片10下方的区域中。一个或者多个附加层又可以集成到该增强结构中，所述附加层与先前所阐述的内容类似地被硅包围，所述硅可选地具有不同层厚度。
[0063]
图4c)示出前述变型的组合。图4a
‘
)-图4c
‘
)再次示出在移除牺牲层3、4之后的增
强结构20的相应变型。
[0064]
参照在图4a)至图4c)中示出的参数，应可以适用的是：
[0065]
a+b+c》bz
[0066]
dv+dm》dz
[0067]
dv+dvu+dm》dz
[0068]a′
、c
′
》0
[0069]a′
＝c
′
[0070]a′
》c
′
[0071]a′
《c
′
[0072]a′
＝a
[0073]a′
》a
[0074]a′
《a
[0075]c′
＝c
[0076]c′
》c
[0077]c′
《c
[0078]
在图4a和图4b中标示，附加元件5可以基本上布置在膜片表面的上方或者下方。
[0079]
这也适用于图5a)和图5b)的布置，图5a)和图5b)示出相对于图4c)的另两个变型，在所述变型中，附加元件5可以基本上布置在膜片表面的上方(图5a))或者膜片表面的下方(图5b))。在图5a)和图5b)中也能够看出，可以存在不具有附加元件5的附加增强层。如果附加元件或附加层5由相对于牺牲层蚀刻介质具有抵抗力的层或者层系统构成，则也可以考虑借助硅仅部分地包覆附加元件或附加层5并且可以省去完全包覆。
[0080]
如前所述，在de 2018 222 715 a1中提到的电容式压力传感器的情况下，膜片夹紧部通过单独的基本上相邻的锚结构实现。
[0081]
图6a)示出在de 10 2018 222 715 a1中描述的夹紧区域11的膜片10的片段的俯视图，其中，可以看到，膜片夹紧部在单独的锚结构13上实现。
[0082]
图6b)示出俯视图，在该俯视图中，多个所提出的增强结构20不连贯地、仅在围绕单独的锚结构13的区域中实现。在此，然后，用于增强结构20的相同前提或假设在围绕锚结构13的两个方向的平面中适用，如其在上文中在图3a)-图3d)和图4a)-图4c)的变型的背景下描述的那样。
[0083]
图6c)示出另一种变型的俯视图，在该变型中，相邻的锚结构13的增强结构20至少部分地过渡到彼此中，且构造较大的、连贯的增强区域。如图6c)中所示，该增强区域可以布置在锚结构13的区域中，但是在那里不一定需要如图6c)中所示地对称地构造。
[0084]
替代地，增强区域可以不对称地远离锚结构13地延伸，如图6d)中所示。在极端情况下，增强结构20可以处在膜片区域之外的整个面中。在此，膜片区域可以例如延伸直至增强结构20或者延伸直至锚结构13，或者可以包括锚结构13。
[0085]
图7a)-图7c)是与图6b)-图6d)相对应的图示，在所述图示中还可以存在附加元件或附加增强层5。另外也能够考虑，不是直线地与膜片夹紧部平行地构造增强结构20的走向，而是凸状地、凹状地或者在其他情况下如具体构造的那样沿着膜片夹紧部构造该增强结构的走向。
[0086]
在图8a)-图8d)中示出用于增强结构20沿着夹紧区域11的腹状(凸状的)走向的例子。在图8a)中能够看到一种变型，在该变型中，单独的、不连贯的增强结构20实现沿着膜片夹紧部的凸状的走向，而在图8b)中能够看到连贯的区域。虽然在图8a)、图8b)中腹状的增强结构20沿着膜片夹紧部对称地围绕锚结构13构造，但是也可以实现如下变型：在所述变型中，腹状的增强结构20例如仅延伸到膜片区域中，如在图8c)、图8d)中能够看到的那样。
[0087]
在图8c)的俯视图中标示，增强结构20的轮廓可以从锚结构13的直线的布置出发腹形地延伸到膜片区域中，并且可以从锚结构13出发全面地构造到远离膜片地指向的、环绕的膜片区域中。
[0088]
在图8d)的俯视图中标示，增强结构20的区域可以不对称地围绕锚结构13构造，并且可以具有平行的和/或不平行的走向。
[0089]
通过增强结构20在夹紧区域11的区域中的弯曲走向，可以考虑到膜片面中的应力曲线，并且可以在将增强结构20对膜片特性的影响最小化的同时，相应地增强膜片夹紧部的如下区域：所述区域在机械上较强地受到负荷。
[0090]
图9a)-图9e)示出将先前所阐述的内容应用到在有效电容的区域中的、在de 10 2018 222 715 a1中描述的压力传感器的加固区域12上。
[0091]
图9a)示例性地示出传统的加固区域12。
[0092]
在图9b)中，与图3b)类似地，能够看到所提出的增强结构20，所述增强结构不连贯地处在膜片10上的、围绕连接结构的区域中。
[0093]
图9c)示出与图3c)类似的内容，在该图中，不连贯的增强结构20处在膜片10下方的、围绕连接结构的区域中。
[0094]
图9d)示出先前描述的变型的组合。图9e)示出一种变型，在该变型中，在连接结构14的区域中至少部分相邻的增强结构20过渡到彼此中，并且形成较大的、连贯的增强面。在该例子中，这适用于在膜片层的上方和下方的增强结构20。但是，当增强结构仅处在膜片层的上方或者下方时，这同样是可能的。
[0095]
参照在图9a)至图9e)中示出的参数，应可以适用的是：
[0096]
s、u》＝0
[0097]
s＝u
[0098]
s》u
[0099]
s《u
[0100]
dv＝任意的
[0101]
dvu《do
[0102]
dm＝任意的
[0103]s′
、u
′
》＝0
[0104]s′
＝u
′
[0105]s′
》u
′
[0106]s′
《u
′
[0107]s′
＝s
[0108]s′
》s
[0109]s′
《s
[0110]u′
＝u
[0111]u′
》u
[0112]u′
《u
[0113]
通过增强结构20在膜片10的加固区域10中的弯曲走向，可以考虑到膜片面中的应力曲线，并且可以在将增强结构20对膜片特性的影响最小化的同时，相应地增强膜片加固结构的如下区域：所述区域在机械上较强地受到负荷。在所示附图中，为了简单起见，增强层和附加层5画为矩形。但是，原则上，所述增强层和附加层可以采用任意的形状，例如透镜形、椭圆形、高脚杯形、香槟碗形、矩形或具有倒圆的角和棱边的方形等以及前述形状的组合。
[0114]
增强结构20和附加增强层5可以例如由导电的、半导电的或者不导电的材料构成，所述材料例如是si、ge、sio2、si3n4、geo2、ge3n4、sic、al2o3、富硅氮化硅等以及这些材料的组合。此外，这些材料可以有针对性地设有掺杂物，如其例如在半导体技术中已知的那样。
[0115]
图10以原理性方式示出用于制造所提出的微机械结构元件100的方法的可能的流程。
[0116]
在步骤200中，提供膜片10。
[0117]
在步骤210中，在膜片10中在至少一个锚结构13的区域中和/或在至少一个加固结构12的区域中构造至少一个增强结构20，该增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助该增强结构以定义的方式增强膜片10。
[0118]
有利地，对于该微机械结构元件能够考虑多个不同的实现形式，例如作为电容式压力传感器、麦克风、压阻式压力传感器等。

技术特征：
1.一种微机械结构元件(100)，所述微机械结构元件具有：-膜片(10)；其中，-所述膜片(10)在至少一个锚结构(13)的区域中具有至少一个增强结构(20)，所述增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助所述增强结构以定义的方式增强所述膜片(10)，-其中，所述增强结构(20)在至少一个锚结构(13)的区域中包括被包围的至少一个附加元件(5)。2.根据权利要求1所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述附加元件(5)完全被多晶硅包围。3.根据权利要求1或2所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，各个单独的锚结构(13)的增强器结构(20)不连贯。4.根据上述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述增强结构(20)构造为越过所述至少一个锚结构(13)以定义的方式重叠。5.根据权利要求4所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述增强结构(20)的凸起相对于剩余的膜片(10)的横向尺寸与重叠区域的范围和/或所述膜片(10)的厚度有关。6.根据上述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述增强结构(20)在所述膜片(10)的表面的上方和下方具有基本上相同的或者不同的横向尺寸。7.根据上述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述增强结构(20)构成整体地由一种材料构造。8.根据上述权利要求中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述增强结构(20)由下述材料中的至少一种材料构造：si、ge、sio2、si3n4、geo2、ge3n4、sic、al2o3、富硅氮化硅。9.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的微机械结构元件(100)的方法，所述方法具有下述步骤：-提供膜片(10)；其中，-在所述膜片(10)中在至少一个锚结构(13)的区域中构造至少一个增强结构(20)，所述增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助所述增强结构以定义的方式增强所述膜片(10)。

技术总结
一种微机械结构元件(100)，所述微机械结构元件具有：-膜片(10)；其中，-所述膜片(10)在至少一个锚结构(13)的区域中和/或在至少一个连接结构(14)的区域中具有至少一个增强结构(20)，所述增强结构在几何形状方面以定义的方式构造，借助所述增强结构以定义的方式增强所述膜片(10)。述膜片(10)。述膜片(10)。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2021.10.06
技术公布日：2023/8/21