微机械层组件的制作方法

本发明涉及微机械层组件和用于制造微机械层组件的方法。

背景技术：

在MEMS结构元件(例如惯性传感器)中，为了制造该结构元件，经常使用两个晶片、有时也使用三个晶片。对于制造复杂的部件——例如微型镜或者相似的复杂结构——具有相对少量层的层结构强烈受限或者需要在横向延伸中的更大的芯片面。一些MEMS部件(英语：micro electro mechanical systems(微机电系统))为了更简单的层堆叠的好处而放弃了密封地封装，由此在进一步加工中忍受缺点，例如在出售时的隔离和包装，或者必须使用非常昂贵的壳体，以便例如满足对于MEMS的运行的环境压力的要求。

技术实现要素：

本发明的任务是，为微机械结构元件提供改善的层组件。

本发明的任务根据第一方面借助一种微机械层组件解决，所述微机械层组件具有：

-至少两个彼此无关地结构化的机械活性(aktiv)的功能层，所述功能层垂直相叠地布置并且在功能上彼此耦合。

以这种方式，在两个不同的晶片中提供机械耦合的结构，可以将所述晶片彼此无关地结构化。尤其可以在接合所述两个晶片之前彼此无关地加工所述两个晶片。第一功能层的结构以这种方式有利地与第二功能层的结构无关。由此，支持高的垂直集成密度，这在结果上支持完成的微机械元件的小的面延伸。

所述微机械层组件的优选实施方式是从属权利要求的主题。

所述微机械层组件的有利的扩展方案的特点在于，所述两个功能层中的至少一个具有弹簧元件。以这种方式支持两个功能层的有效的机械耦合和高的可运动性。

所述层组件的另一有利的扩展方案的特点在于，第二功能层的下侧具有反射涂层。以这种方式，所述层组件非常好地适用于需要高反射性层的微型镜应用。

所述层组件的另一有利的扩展方案的特点在于，第二功能层是SOI晶片或者硅晶片。以这种方式，有利地提高第二功能层的设计自由度。尤其可以借助SOI晶片非常准确地确定第二功能层中的孔的深度的尺寸。

所述层组件的另一有利的扩展方案的特点在于，层组件上面借助第三功能层封装并且下面借助第四功能层封装。由此有利地支持，微机械结构可以向上自由运动并且例如可以将磁体粘到第三功能层上。通过密封地封闭整个层组件，有利地使所述层组件的进一步加工——例如为了芯片的分离——变得容易，其方式是：例如不会有锯水渗入。

所述层组件的另一有利的实施方式的特点在于，第三功能层上面具有缺口。这能够实现标记的构造，可以使用所述标记用于在锯线中的识别或者用于磁体的准确的定位。

所述层组件的另一有利的实施方式的特点在于，第四功能层构造成平面的或者弯曲的。由此可以合适地设计反射层的反射特性。

所述层组件的另一有利的实施方式的特征在于，一确定的气氛包围在功能层之间的空腔中。这优选地通过在最后的接合步骤中将一确定的气氛包围到层组件中来实现。在此，为了所述微机械可运动的结构的尽可能好的阻尼性能，可以包围以氮气、氖气等形式的保护气体或者包围真空。

附图说明

将在以下借助其他特征和优点借助多个附图详细描述本发明。在此，所有特征与它在说明书或者在附图中的示出无关地或者与在专利权利要求书中的引用无关地构成本发明的主题。附图是不一定按比例的，并且尤其用于表明本发明本质的原理。在附图中示出：

图1微机械层组件的第一功能层的横截面；

图2背面薄化过程(Rückdünnprozess)之后的第一功能层的横截面；

图3微机械层组件的第二功能层的横截面；

图4由第一和第二功能层构成的层组件的横截面；

图5封装过的微机械层组件的横截面；

图6加工后的封装过的微机械层组件的横截面；

图7和图8用于从下面遮盖层组件的透明功能层的两种变型方案；

图9具有所有四个功能层的完整的层组件的横截面；

图10具有所有四个功能层的替代的层组件的横截面；以及

图11根据本发明的方法的一种实施方式的原理性的流程图。

具体实施方式

在图1中以横截面示图示出第一功能层10或者第一衬底或者第一晶片。在第一功能层10的前侧可以制造任意的电活性结构，例如压电电阻(未示出)或者铜线圈14或者用于传导合适的电流的电接通层15(例如金属化)。施加钝化层13作为最上面的层，该钝化层在第一功能层10的进一步加工中保护所提及的结构。由所述功能层10可以之后刻蚀MEMS结构，例如弹簧元件16。

由图2可以看出，磨削所述第一功能层10到之后所期望的目标厚度，并且在背侧上设有例如刻蚀停止层11和用于与下一功能层的晶片接合的接合材料12。

在下一步骤中，如在图3中表明的那样，将第二功能层20或者第二晶片在前侧上结构化，并且也许(根据使用的接合方法)给所述第二功能层20或者第二晶片配备用于与第一功能层10的晶片接合的接合材料22。相对于接合材料22的侧向可以看出氧化物21。第二功能层20可以构造成SOI晶片(英语Silicon-on-Insulator(SOI)，未示出)，在该SOI晶片中，预结构化在埋入的氧化层上停止。以这种方式，可以非常准确地调节刻蚀的深度，因为可以从上侧停止刻蚀过程。也可以使用具有两个埋入的氧化层的双SOI晶片(未示出)。在这种情况下，不仅可以通过背面薄化，而且还可以通过刻蚀(该刻蚀在埋入的第二氧化层上停止)来制造镜面膜。这尤其可以在制造具有小的厚度公差的非常薄的膜片时是有利的。

可以借助已知的硅刻蚀方法——例如沟槽刻蚀或者在氢氧化钾(KOH)中的刻蚀来实施第二功能层20的结构化。所述结构化可以在完成的MEMS结构元件中满足任意的功能，例如借助加固元件23在微型镜中加固光学所用的膜片面。所述加固元件23尤其用于强化或者加固光学活性面。在图4中以横截面示出，通过合适的接合方法组装第一和第二功能层10、20。这可以是已知方法中的一种，例如硅-硅直接接合或者与例如铝和锗或金的共晶接合、或者与金的热压接合、阳极接合或者类似的方法。

在MEMS元件的操作运行中，所述接合连接动态地受载，因此应该选择合适的接合方法。在被接合的状态中，现在可以实现第一功能层10的其他结构化。这里例如可以借助沟槽刻蚀或者其他合适的硅结构化方法制造弹簧元件16或者具有第一功能层10的厚度的类似的元件。在刻蚀的过程中使用刻蚀停止层11是有利的，以便尽可能地避免对第二功能层20的MEMS结构的损害。

在刻蚀第一功能层10之后，必须借助合适的刻蚀方法移除所述刻蚀停止层11。作为下一制造步骤，如在图5中可以看出的那样，首先提供第三功能层30或者第三晶片，所述第三功能层30或者第三晶片用作完成的元件的密封地封装的一部分。为此，借助合适的刻蚀方法，以合适的深度刻蚀凹槽到第三功能层30中。

接下来，将适合于所选择的接合技术的连接层31施加到第三功能层30上。在此，所述连接层31可以是低熔点的玻璃焊料或者锗或者金等。可选地，可以在第三功能层30中借助合适的硅刻蚀方法在与第一功能层10的接合之前就产生用于与接通层15之后电接通的通孔。结果，因此在图4的加工步骤之后，存在电机械层组件100，接下来进一步加工该电机械层组件100以用于产生微机械结构元件。

在图5中，示出第三功能层30与由第一功能层10和第二功能层20构成的晶片堆叠的接合之后的晶片堆叠的横截面。为了将第三功能层30与第一功能层10接合，可以使用合适的接合方法，例如共晶接合、密封玻璃接合(Sealglas-Bonden)、热压接合、硅-硅直接接合或者阳极接合。可以借助合适的硅刻蚀方法，优选借助沟槽刻蚀实施打开以接通层15的电接通为目的通道孔。可以在接合之前或者之后调节第三功能层30的所期望的厚度，优选通过第三功能层30的磨削。

同样可以在接合之前或者之后借助已建立的硅刻蚀方法中的一种引入第三功能层30的上侧上的标记32。这例如可以在接合之后借助沟槽刻蚀来实施。可以使用所述标记32，以便识别用于晶片的锯线、在完成的部件上定位磁体，等。

下一加工步骤涉及第二功能层20，该功能层构造由功能层10、20和30构成的晶片堆叠的下侧。如在图6中表明的那样，可以将第二功能层20制成合适的目标厚度，其中，出于此目的，首先将整个堆叠翻转(未示出)。为此，可以使用已知的方法，例如对硅磨削并且抛光，替代地使用全面积的刻蚀方法(优选单侧地，因为在第一功能层10的表面上已经暴露电通道)。如已经提及的那样，可以在替代地使用SOI晶片或者双SOI晶片时，使用在埋入的氧化物上停止的刻蚀。以这种方式，可以实现第二功能层20的非常精确的特定的厚度和非常平滑的表面。

在调节出目标厚度之后，可以从现在起借助已知的硅刻蚀方法——例如借助沟槽刻蚀——使第二功能层20结构化。在此，第二功能层20的确定的面完全曝露，并且可以在MEMS结构元件中例如使用第二功能层20的确定的面作为可运动的镜或者类似物。在此，还可以将掩盖结构(Verdunkelungsstruktur)一起引入到表面的部分区域中。可选地还可以在第二功能层20中构造弹簧结构或者弹簧元件(未示出)。

如果期望，则替代于纯硅表面，也还可以施加高度反射的金属化层(未示出)以用于光学镜面化(Verspiegelung)的目的。这可以在表面的结构化之前或者之后发生，或者也可以借助或者不借助金属化层的结构化发生。优选地，在结构化之后，全面积地借助银堆叠(Silberstapel)对所述表面涂层，其中，放弃堆叠的结构化。结果，如在图6中可看出的那样，存在第二功能层20的下侧的相对大尺寸的光学活性的、可运动的表面，所述表面可以偏转确定直径的激光射束。

在下一制造步骤中，如在图7和图8中表明的那样，给第四功能层40或者第四晶片首先设置通孔。这优选地通过各向异性的KOH刻蚀发生，但是也可以通过沟槽刻蚀或者喷砂或者机械地通过磨削或者铣削来实现。所述第四功能层40用作在例如第二功能层20的下侧的微型镜形式的可运动的MEMS结构与施加到第四功能层40上并且接管微型镜的光学封装的透明衬底41(例如玻璃)之间的间距保持部。

对于玻璃，存在全面积地施加所述玻璃作为晶片的可能性，例如通过阳极接合。在此，可以将所述透明衬底41构造成平面的(如在图7中可看出的那样)或者所述衬底41设有弯曲处(如在图8中可看出的那样)，其中，在弯曲的衬底41的情况下，在光学图像中有利地在很大程度上消除零点反射(Nullpunktsreflexe)。对于“弯曲的”透明的衬底41的情况，应设法使第四功能层40的厚度足够大。替代在图7中示出的光学支座(Sockel)，还可以使用具有向深处凹下去的玻璃的支座，所述具有向深处凹下去的玻璃的支座在图8中示意性地示出。图8示出由具有透明衬底41的硅晶片构成的晶片堆叠的示意性示图，所述透明衬底斜向地设在芯片的上方。也可以使用例如由DE 10 2010 062 118 A1已知的所谓的传统的“取放支座(Pick-and-Place-Sockel)”(未示出)。

图7示出由具有玻璃晶片的硅晶片构成的晶片堆叠。所述硅晶片设有通道孔，可选地设有用于与图6中的晶片堆叠连接的相应的连接层42。图7和图8的堆叠被称为“光学支座”，其中，所述支座设有密封玻璃(Sealglas)，以便接下来被接合到图6的堆叠上。但是也还可以使用上面提及的其他的接合方法。

在一种变型方案中，可在唯一的过程步骤中将所有透明衬底41使用到第四功能层中，这具有如下优点：仅必须一次并且不需要在每次放入透明衬底41时加热第四功能层40。

在上一工作步骤中，将图6中的堆叠与所述光学支座接合。在图9和图10中示出整个堆叠的在使用图7或图8中示出的光学支座时的横截面。可以使用密封玻璃接合作为接合方法，但是也可使用所有其他提及的方法，可能必须为了接合还要施加相应的层。

在与完整的层结构的上一接合过程中，可以将确定的气体在确定的压力下包围到微机械层组件10、20、30、40的空腔50中。确定的气体例如可以是氖、保护气体或者氮，替代地也可以是真空。由此可以实现第二功能层20的可运动的结构的优化的阻尼性能。在此，为了由此能够长期地实现所述可运动的微型镜的优化的工作特性，应该在整个结构的通常的工作时间上地保持包围所述气体。

图11示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性的流程图。

在第一步骤S1中，实施提供和结构化第一功能层10。

在第二步骤S2中，实施提供和结构化第二功能层20。

在第三步骤S3中，垂直相叠地布置两个功能层10、20，其中，使所述两个功能层10、20在功能上彼此耦合。

总而言之，借助本发明提出一种微机械层组件，该结构能够实现：彼此无关地将为此所需的微机械功能层结构化而无需考虑相对侧的设计要求。结果，由此可以实现微机械活性的功能层的非常高的垂直集成密度，由此有利地可以实现非常小的并且从而节省空间的几何的芯片面。

尽管以上借助具体的实施例描述本发明，但是本发明绝不受限于此。在不偏离本发明的核心的情况下，本领域技术人员从而将可以合适地改变描述的特征并且将所描述的特征结合。