微机械部件和形成层结构的方法
阅读说明：本技术 微机械部件和形成层结构的方法 (Micromechanical component and method for forming a layer structure ) 是由 J.鲁德亚德 C.T.班扎夫 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微机械部件和形成层结构的方法。具体地,本发明涉及微机械部件,其具有衬底；由至少一种第一材料形成的第一层(10),所述第一层具有至少一个平行于衬底(12)的子表面(12a)取向的凸出子区域(10a),所述凸出子区域(10a)分别通过第一层(10)的围绕各自凸出子区域(10a)的各一个过渡区域(10b)与第一层(10)的至少一个平行于衬底(12)的子表面(12a)取向的缩回子区域(10c)连接；由与第一材料相同或不同的第二材料形成的第二层(28)；和环绕第一层(10)的所述至少一个过渡区域(10c)的各一个由填充材料形成的环形填充区域(26a),所述环形填充区域(26a)被第一层(10)和第二层(28)气密性包围,其中所述至少一个环形填充区域(26a)的填充材料的热和/或固有内应力与第二材料的热和/或固有内应力不同。(The invention relates to a micromechanical component and a method for forming a layer structure. In particular, the invention relates to a micromechanical component having a substrate; a first layer (10) made of at least one first material, having at least one protruding subregion (10 a) oriented parallel to a sub-surface (12 a) of the substrate (12), the protruding subregions (10 a) being connected in each case by in each case one transition region (10 b) of the first layer (10) surrounding the respective protruding subregion (10 a) to at least one retracted subregion (10 c) of the first layer (10) oriented parallel to the sub-surface (12 a) of the substrate (12); a second layer (28) formed of a second material that is the same as or different from the first material; and an annular filling region (26 a) formed from a filling material surrounding each of the at least one transition region (10 c) of the first layer (10), the annular filling region (26 a) being hermetically surrounded by the first layer (10) and the second layer (28), wherein the thermal and/or intrinsic internal stress of the filling material of the at least one annular filling region (26 a) differs from the thermal and/or intrinsic internal stress of the second material.)
技术领域
本发明涉及微机械部件。本发明还涉及形成层结构的方法。
背景技术
DE 10 2007 051 537 B4描述了光学多层镜，其据称可用作例如法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot-Interferometer）。所述多层光学镜包括在衬底上方形成的下部镜（Spiegel）以及上部镜，其中上部镜与下部镜隔开一定间隙。下部镜和上部镜两者分别具有由高折射率材料形成的层，该层具有至少一个平行于衬底的子表面取向的凸出子区域，所述凸出子区域分别通过各一个围绕各自凸出子区域的过渡区域与至少一个平行于该衬底的子表面取向的缩回子区域连接。
发明内容
发明公开
本发明实现了具有权利要求1的特征的微机械部件以及具有权利要求6的特征的形成层结构的方法。
发明优点
本发明实现了层结构或配备有该层结构的微机械部件，其可以多种方式使用，例如作为膜体系或作为镜层体系。另外，这种层结构的总层厚度可以为10纳米至数微米，并且同时由于其根据本发明的设计而具有有利的内应力。特别地，本发明使得能够在另外单态形成的层结构中如此形成“局部支撑位置”：使得该层结构的内应力可以通过也可称为“应力集中点”或“应力集中结构”的“局部支撑位置”有针对性地调节。因此，可借助本发明产生的层结构有利地适用于多种应用目的。
本发明的特别优点在于，根据本发明的层结构可以具有由相同材料形成的第一层和第二层，并且仍可以借助至少一个环形填充区域来根据需要调节根据本发明的层结构的所得总应力。虽然常规上必须将具有不同内应力的至少两种不同材料的组合用于第一层和第二层，以通过材料的有利组合来调节到所需的所得总应力，但是对于根据本发明的层结构的第一层和第二层使用至少两种不同材料不是必需的。也不必借助热后处理来根据需要调节层结构的总应力。由此在使用本发明时避免了根据现有技术的层体系制造的常规问题。
在所述微机械部件的一个有利实施方案中，所述至少一个环形填充区域的填充材料的热和/或固有内应力以此方式与第二材料的热和/或固有内应力不同：使得所述至少一个环形填充区域的填充材料对由第二材料形成的第二层造成拉应力。因此，本发明特别有利地适合于在至少包括第一层、第二层和所述至少一个环形填充区域的层结构中调节到足够的拉应力。另外，在如这里描述那样调节所需拉应力时确保了拉应力不引起/几乎不引起层结构的变形，该拉应力部分地补偿了有效内应力。
例如，所述第二层可以由作为第二材料的硅形成。同样，所述至少一个环形填充区域可以由作为填充材料的含硅和氧的材料形成。至少该第二层的第二材料和该至少一个环形填充区域的填充材料的这种组合使得能够毫无问题地调节所需拉应力。
特别地，所述至少一个环形填充区域可以由作为填充材料的二氧化硅或原硅酸四乙酯形成。因此，可以使用在半导体技术中通常有利实施的方法来由填充材料形成所述至少一个环形填充区域。
在所述微机械部件的一个可有利使用的实施方案中，由第一层、第二层和所述至少一个环形填充区域形成的层结构是布拉格反射器（Bragg-Reflektors）和/或法布里-珀罗干涉仪的至少一部分。然而要指出的是，这里描述的层结构的可用性不限于这些应用目的。
在形成层结构的方法的一个有利实施方案中，为了形成所述至少一个环形填充区域，将填充材料以力和形状配合的方式沉积在第一层上。这使得该至少一个环形填充区域能够由于其相比于第一层和第二层的一种材料/多种材料而言不同的热和/或固有内应力而用作“局部可调节的支撑位置”，以调节到所述层结构的所需的所得总应力。
为了形成所述至少一个环形填充区域，填充材料优选地借助高温氧化法或原硅酸四乙酯沉积而沉积在第一层上。因此，可以以成本有利且可靠的方式可实施的方法来沉积所述至少一个环形填充区域的填充材料。
更优选地，为了形成所述至少一个环形填充区域，将填充材料如此沉积在第一层上：使得第一层的背向衬底的表面至少部分地被由填充材料形成的填充材料层覆盖。然后借助各向同性、无掩模的干法刻蚀步骤，从该填充材料层中构造出所述至少一个环形填充区域。特别地，可以在各向同性、无掩模的干法刻蚀步骤中借助电感耦合等离子体从填充材料层中构造出所述至少一个环形填充区域。这里描述的由填充材料形成所述至少一个环形填充区域的操作方式确保了其有利地适合于调节到成品层结构的所需的所得总应力。
附图说明
下面借助附图阐述本发明的其它特征和优点。其中：
图1a至1d显示了用于阐述形成层结构的方法的一个实施方案的示意性截面，且
图2显示了所述微机械部件的一个实施方案的示意性局部图。
具体实施方式
图1a至1d显示了用于阐述形成层结构的方法的一个实施方案的示意性截面。
在实施所述方法时，在衬底12的子表面12a上和/或上方形成（稍后的）层结构的第一层10。衬底12可以是半导体衬底，例如硅衬底。然而，代替硅或作为硅的补充，衬底12也可以包含至少一种其它半导体材料、至少一种金属和/或至少一种电绝缘材料。
在这里描述的实施方案中，第一层10不直接沉积在衬底12的子表面12a上，而是首先在衬底12的子表面12a上形成（稍后的）层结构的所谓的“下部结构”。该“下部结构”例如包括第一氧化物层14a、至少一个导体电路16和第二氧化物层14b。至少部分地覆盖衬底12的子表面12a的第一氧化物层14a可以例如形成为热氧化硅层。可以从沉积在第一氧化物层14a上的多晶硅层中构造出所述至少一个导体电路16。然后可以将第二氧化物层14b沉积在所述至少一个导体电路16和第一氧化物层14a的至少一个裸露表面（freiliegenden Fläche）上。在这里描述的实施方案中，例如还通过第二氧化物层14b如此构造至少一个连贯（durchgehende）孔18，以使得所述至少一个导体电路16的至少一个子表面裸露出来。所述至少一个连贯孔18可以分别用于所述至少一个导体电路16与层结构之间的至少一个电接触。然而要指出的是，这里描述的“下部结构”的组件14a、14b和16以及结构18仅应被解释为示例性的。
在这里描述的实施方案中，层结构是法布里-珀罗干涉仪的布拉格反射器的一部分。因此，在形成该层结构之前，首先形成法布里-珀罗干涉仪的（稍后的）布拉格反射器的高折射率层20。为此，将高折射率层20沉积在第二氧化物层14b的外表面上（和可能沉积在所述至少一个连贯缺口18的底面和壁面上）。高折射率层20可以是例如掺杂的多晶硅层。高折射率层20可以特别地借助低压下的化学气相沉积（即借助LPCVD法，低压化学气相沉积）来制造。但是，如“下部结构”的形成那样，高折射率层20的形成也是任选的方法步骤。如果形成高折射率层20，则随后沉积的层结构可以作为另外的高折射率层与高折射率层20一起引起布拉格反射。
为了规定至少一个稍后存在于高折射率层20和层结构之间的间隙的间隙宽度，将牺牲层22沉积在高折射率层20的背向衬底12的外表面上。借助牺牲层22规定的间隙宽度可以例如为200nm（纳米）至500nm（纳米）。牺牲层22优选是可借助稍后的刻蚀步骤容易地去除的氧化物层。为了沉积牺牲层22，也可以在低压下进行化学气相沉积，例如特别是高温氧化法（HTO法，High Temperature Oxidation Process）或原硅酸四乙酯沉积（即TEOS沉积）。
在沉积的牺牲层22中，构造至少一个连贯缺口24，其局部裸露出高折射率层20的背向衬底12的外侧面。如下面更详细阐释的，所述至少一个由牺牲层22构造出的连贯（durchgehende）缺口24规定了层结构的稍后的“局部支撑位置”的位置。所述至少一个由牺牲层22构造出的连贯缺口24优选被制造成具有垂直轮廓。如果由第二氧化物层14b构造出所述至少一个连贯（durchgehende）缺口18，则优选的是，在所述至少一个连贯缺口18内并且可能在相邻区域内也去除牺牲层22，以使得局部裸露出高折射率层20的外侧面。作为用于构造牺牲层22的构造方法，例如可以实施光刻法。然后可以去除在光刻法过程中用作刻蚀掩模的未在图1a中示出的光刻胶（Photolack）。任选地，还可以在构造牺牲层22之后实施清洁步骤。
然后可以将（稍后的）层结构的第一层10沉积在牺牲层22的剩余部分上和高折射率层20的局部裸露外侧面上。以此方式，形成具有至少一个平行于衬底的子表面12a取向的凸出子区域10a的第一层，其中所述至少一个凸出子区域10a分别通过第一层10的围绕各自凸出子区域10a的各一个过渡区域10b而与第一层10的至少一个平行于衬底12的子表面12a取向的缩回子区域10c连接。如果所述至少一个由牺牲层22构造的连贯缺口24具有（基本上）垂直轮廓，则第一层10的所述至少一个过渡区域10b从其凸出子区域10a至所分配的缩回子区域10c（几乎）垂直于衬底12的子表面12a延伸。
第一层10被理解为气密性密封（不透气）层。第一层10的垂直于衬底12的子表面12a取向的第一层厚度d1有利地（几乎）等于（稍后的）层结构的垂直于衬底12的子表面12a取向的最小总层厚度d总的一半。第一层10的第一层厚度d1例如为10nm（纳米）至100nm（纳米）。当涉及第一层10与（稍后的）层结构的其它组件的相互作用时，下面还将讨论形成第一层10的有利材料。
在形成第一层10之后，形成环绕第一层10的所述至少一个过渡区域10b的各一个环形填充区域26a。所述至少一个环形填充区域26a优选地由仅一种（单一）填充材料形成。在图1a至1d的实例中，为了形成所述至少一个环形填充区域26a，使其填充材料如此沉积在第一层10上：使得第一层10的背向衬底12的表面至少部分地/优选完全地被由所述至少一个（稍后的）环形填充区域26a的填充材料形成的填充材料层26覆盖。通常可能有利的是使用与用于牺牲层22相同的材料作为所述至少一个（稍后的）环形填充区域26a的填充材料。但是，原则上存在工艺自由度，并且还可以对于所述至少一个环形填充区域26a和牺牲层22使用不同材料。下面还描述所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的有利实例。
填充材料层26优选以力和形状配合的方式（kraft- und formschlüssig）沉积在第一层10上。为了沉积填充材料层26，例如可以在低压下实施化学气相沉积。特别地，可以借助高温氧化法或原硅酸四乙酯沉积将填充材料层26沉积在第一层10上。图1a显示了沉积填充材料层26之后的层体系。
图1b显示了从填充材料层26中构造出所述至少一个环形填充区域26a之后的层体系。在构造出所述至少一个环形填充区域26a时，优选仅不去除填充材料层26的与第一层10的所述至少一个过渡区域10b毗邻的填充材料。以此方式，获得所述至少一个环形填充区域26a的近似“环结构”或“圆环形状”。
优选地借助各向同性、无掩模的干法刻蚀步骤构造出所述至少一个环形填充区域26a。该各向同性、无掩模的干法刻蚀步骤可以例如在ICP刻蚀设备中实施，以使得借助电感耦合等离子体构造出所述至少一个环形填充区域26a。ICP刻蚀设备可以被理解为被设计用于借助电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma）进行反应性离子刻蚀（Reactive-Ion Etching）的设备。在实施这种刻蚀时，可以如此规定刻蚀参数，例如所使用的刻蚀气体和等离子功率：使得在主要刻蚀的填充材料层26和不刻蚀/几乎不刻蚀的第一层10之间存在好的选择性。所使用的刻蚀气体可以如“离子轰击”那样作用于填充材料层26，其中好的选择性同时确保了可忽略对第一层10过度刻蚀的风险。可以例如借助光学终点识别来检测在ICP刻蚀设备中进行的刻蚀的进程，从而可以在合适的时间点结束刻蚀。
替代地，也可以借助通过使用氩离子的刻蚀构造出所述至少一个环形填充区域26a。由于与不要被刻蚀/几乎不要被刻蚀的第一层10相比，氩离子在主要要刻蚀的填充材料层26方面具有相对低的选择性，因此也可以在容忍第一层10的少量剥除的情况下借助通过使用氩离子的刻蚀而以无掩模的方式构造出填充材料层26。在这种情况下，可以使第一层10预先相应地比其所需的第一层厚度d1更厚地沉积，以使得在填充材料层26的无掩模构造之后才存在第一层10的所需第一层厚度d1。
如图1c所示，第一层10的背向衬底12的表面然后至少部分地重新被所述层结构的第二层28覆盖。第二层28优选被理解为由仅一种（单一）材料形成的层。图1c显示了由第一层10、第二层28和所述至少一个环形填充区域26a形成的层结构，其特别地锚固在高折射率层22上的所述至少一个连贯缺口24的各自位置处。因此，所述至少一个连贯缺口24的各自位置规定了在高折射率层22上的层结构的稍后的局部支撑位置30。
第二层28可以例如借助低压下的化学气相沉积来沉积。为了沉积第二层28，可以实施与形成第一层10相同的沉积法。第二层28的垂直于衬底12的子表面12a取向的第二层厚度d2优选为10nm（纳米）至100nm（纳米）。第二层28的第二层厚度d2可以特别地（几乎）等于所述层结构的垂直于衬底12的子表面12a取向的最小总层厚度d总的一半。因此，该层结构的最小总层厚度d总优选是第一层10的第一层厚度d1和第二层28的第二层厚度d2之和。
第二层28被理解为气密性密封（不透气）层。因为在用第二层28至少部分地覆盖第一层10的背向衬底12的表面之前形成所述至少一个环形填充区域26a，所以所述至少一个环形填充区域26a在用第二层28至少部分地覆盖第一层10之后被第一层10和第二层28气密性包围。因为所述至少一个环形填充区域26a以力和形状配合的方式形成在第一层10上且被第一层10和第二层28气密性包围，所以在所述至少一个环形填充区域26a中出现的机械应力主要引入第二层28中。因此，所述至少一个环形填充区域26a可以用于将压应力或拉应力引入第二层28中。
为了借助所述至少一个环形填充区域26a将压应力或拉应力引入第二层28中，因此（基本上）仅需要使第二层28的材料与所述至少一个环形填充区域26a的填充材料不同。所需的压应力或拉应力的实现尤其仅要求所述至少一个环形填充区域26a由如下的填充材料形成，其热和/或固有内应力与第二层28的材料的热和/或固有内应力相应地不同。
半导体材料层通常优选作为第二层28，因为这种半导体材料层适合于多种应用目的。第二层28可以是例如硅层，如特别是多晶硅层。因此可以将成本有利、易于沉积、容易构造和多方面适用的材料用于第二层28。为了对第二层28造成所需的压应力或拉应力，（基本上）足够的是所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的热和/或固有内应力与硅/多晶硅的热和/或固有内应力以此方式不同：使得所述至少一个环形填充区域26a将所需的压应力或拉应力引入第二层28中。特别是在由硅/多晶硅形成的第二层28的情况下，可以例如借助所述至少一个环形填充区域26a将有利的拉应力引入第二层28中，只要所述至少一个环形填充区域26a由作为填充材料的（热）二氧化硅、LPCVD氧化物（低压化学气相沉积）或在低压下借助化学气相沉积形成的氧化物、或原硅酸四乙酯形成。然而，这里描述的用于第二层28的硅/多晶硅和作为用于将有利的拉应力引入第二层28中的所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的（热）二氧化硅或原硅酸四乙酯的材料组合仅应被解释为示例性的。对于通过第二层28和填充料材的材料组合来实现所需效果而言重要的是，该填充材料的热和/或固有内应力与第二层28的相应材料性质不同。
第一层10可以可选地由与第二层28相同的材料或由第二层28中不包含的材料形成。在此明确指出，如果第一层10具有与第二层28相同的材料，则也可以（仅）借助所述至少一个环形填充区域26a来造成第二层28中的所需压应力或拉应力。因此，在层10和28之间形成所述至少一个环形填充区域26a增加了第一层10的材料选择时的选择自由度。第一层10优选是半导体材料层。第一层10可以例如是硅层，如特别是多晶硅层，以使得硅/多晶硅的优点也可以为第一层10所用。但是要指出的是，可以相对自由地选择第一层10的材料。因此，第一层10和第二层28可以毫无问题地是由相同材料形成的“双层（Doppelschicht）”中的“单层（Einzellagen）”，其中尽管如此也可以借助所述至少一个环形填充区域26a而至少在第二层28中造成所需压应力和/或拉应力。因此，如果第一层10和第二层28通常仅能由相同材料形成且尽管如此仍需要至少在第二层28中造成压应力或拉应力，则这里描述的技术也有利地适合于具有相对小的最小总层厚度d总的层结构。
然后选择性地去除牺牲层22。可以例如借助各向同性的HF蒸气法（即通过使用氟化氢的蒸气法）来去除用作牺牲层22的氧化物层。如果需要，还可以与牺牲层22一起去除第一氧化物层14a和第二氧化物层14b的区域，从而使得由高折射率层20和层结构（由第一层10、第二层28和所述至少一个环形填充区域26a形成）形成的总层体系的自支撑区域32可以解脱出来（freistellen）。可能也可以至少部分地去除衬底12的被自支撑区域32跨过的衬底材料。然而在这种情况下，总层体系也在所述至少一个连贯孔18的位置处机械牢固地锚固在衬底12上，在所述至少一个连贯孔18处存在所述至少一个导体电路16与总层体系之间的至少一个电接触。
由于所述至少一个环形填充区域26a的填充材料在第一层10上的力和形状配合方式的沉积，牺牲层22的去除不影响（基本不影响）第一层10的形状。因此，在去除牺牲层22之后，不必/几乎不必担心第一层10的不希望的变形。
因为两个层10和28气密性包围所述至少一个环形填充区域26a，所以至少一个环形填充区域26a的填充材料可以特别是在所述至少一个局部支撑位置30处将机械应力作用于第二层28的接触区域。因此，在所述至少一个局部支撑位置30处，所述至少一个环形填充区域26a的填充材料可以将固有和/或热内应力特别地耦合输入到该层结构的第二层28中。通过与至少第二层28的材料相比合适地选择所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的固有和/或热内应力，可以特别地将拉应力耦合输入到至少第二层28中，如图1d中的箭头34形象地示出。因此，所述至少一个局部支撑位置30可以分别作为应力集中点或应力集中结构而嵌入所述层结构中。如果在所述总层体系的自支撑区域32内形成所述至少一个局部支撑位置30，则该效果增强。
图2显示了所述微机械部件的一个实施方案的示意性局部图。
图2中部分示出的微机械部件对应于图1d中示意性描绘的实施方案。该微机械部件具有（未画出的）衬底12，其中其子表面12a的取向在图2中借助虚线12a指示。由至少一种第一材料形成的第一层10布置在衬底12的子表面12a上。第一层10可以例如如图1d所示被支撑或锚固在衬底12的子表面12a上。第一层10具有至少一个平行于衬底12的子表面12a取向的凸出子区域10a，它们分别通过第一层10的围绕各自凸出子区域10a的各一个过渡区域10b而与第一层10的至少一个平行于衬底12的子表面12a取向的缩回子区域10c连接。由与第一材料相同或不同的第二材料形成的第二层28至少部分地覆盖第一层10的背向衬底12的表面。第二层28优选被理解为仅由第二材料形成的层。
此外，所述微机械部件具有环绕第一层10的所述至少一个过渡区域10b的各一个由填充材料形成的环形填充区域26a，其被第一层10和第二层28气密性包围。所述至少一个环形填充区域26a优选地完全仅由该填充材料形成。所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的热和/或固有内应力与第二材料的热和/或固有内应力不同，以使得在图2的微机械部件的情况中也借助所述至少一个环形填充区域26a将压应力或拉应力尤其引入第二层28中。因此，在图2的微机械部件的情况下，所述至少一个局部支撑位置30也可以被称为应力集中点36或应力集中结构。
如在图2中借助箭头34示意性地描绘，在这里描述的实施方案中，所述至少一个环形填充区域26a的填充材料的热和/或固有内应力以此方式与第二层28的第二材料的热和/或固有内应力不同：使得所述至少一个环形填充区域26a的填充材料对第二层28造成拉应力。在图2中还示例性地示出了应力集中点36，该应力集中点由相邻的环形填充区域26a的内应力造成，并且通过该应力集中点特别地使第二层28“类似于鼓面”拉紧。借助相邻的环形填充区域26a的内应力，可以在一定范围内自由地调节要耦合输入到第二层28中的层应力。同时，由于所述至少一个环形填充区域26a与第一层的力和形状配合方式的连接，防止了第一层10（以及相应地还有高折射率层20）的变形。
示例性的是由作为第二材料的硅形成的第二层28以及由作为填充材料的含硅和氧的材料形成的所述至少一个环形填充区域26a。特别地，所述至少一个环形填充区域26a可以由作为填充材料的二氧化硅或原硅酸四乙酯形成。如上所述，第一层10可以毫无问题地由与第二层28相同的材料形成。由第一层10、第二层28和所述至少一个环形填充区域26a形成的层结构因此可以是“单态”层结构，其中尽管如此仍可以借助所述至少一个环形填充区域26a有针对性地调节该层结构的内应力。作为所述至少一个局部支撑位置30，局部支撑位置30的网络也可以将所述层结构和高折射率层20彼此机械和电连接。根据实施方案，例如可以形成10至1000个局部支撑位置30。
高折射率层20和由第一层10、第二层28和所述至少一个环形填充区域26a形成的层结构一起用作法布里-珀罗干涉仪的布拉格反射器。如图1d所示，高折射率层20和与其共同作用的层结构悬挂在衬底12的子表面12a上。因此，高折射率层20和层结构的一部分形成由高折射率层20和该层结构形成的总层体系的自支撑区域32。平行于衬底12的子表面12a的自支撑区域32的尺寸可以毫无问题地高达几毫米。与由高折射率层20和该层结构形成的总层体系分隔开地，还可以布置法布里-珀罗干涉仪的另一布拉格反射器。
关于图2的微机械部件的其它特性和特征，参考前述图1a至1d。