JP2005506910A

JP2005506910A - マイクロマシニング型の構成エレメントおよび相応の製作法

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Publication number: JP2005506910A
Application number: JP2003540075A
Authority: JP
Inventors: フランツ　レルマー
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: DE10152254A1; JP4638671B2; EP1441976A2; WO2003037782A2; WO2003037782A3; US20050052092A1; US7312553B2

Abstract

本発明は、マイクロマシニング型の構成エレメントにおいて、基板（１７）が設けられており；該基板（１７）の上方に設けられた、第１の材料から成るマイクロマシニング型の機能層（１５）が設けられており；該機能層（１５）が、第１の領域（１５ａ）と第２の領域（１５ｃ）とを有しており、両領域（１５ａ，１５ｃ）を、第２の材料（２０）から成る第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）が結合しており；少なくとも１つの領域（１５ａ；１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ；１５ｃ）が、基板（１７）の上方に懸吊された可動の構造体（３２）の一部であることを提供する。また、本発明は、相応の製作法も提供する。

Description

【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、マイクロマシニング型の構成エレメント、つまり、マイクロマシニング技術を用いて製作された構成エレメントおよび相応の製作法に関する。
【０００２】
任意のマイクロマシニング型の構成エレメントに使用可能であるにもかかわらず、本発明ならびに本発明の根底にある問題は、シリコンテクノロジにおける表面マイクロマシニング型の構成エレメント、たとえばヨーレートセンサに関して詳しく説明される。
【０００３】
表面マイクロマシニング技術（ＯＭＭ）では、センサ素子が単結晶のまたは多結晶のアクティブなシリコン表面層から構造化され、犠牲層技術、すなわち、構造体の下方に位置するＳｉＯ_２犠牲層の除去によって自由に可動にされる。シリコン表面層の高精度の構造化のためには、有利には、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２４１０４５号明細書に記載された形式のプラズマエッチング法が使用される。ＳｉＯ_２犠牲層を除去するためには、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第４３１７２７４号明細書もしくはドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７０４４５４号明細書に開示されているように、有利にはフッ酸ベーパエッチング法が使用される。このようなＯＭＭセンサを製作するための有利な全プロセスは、たとえばアメリカ合衆国特許第５７５６９０１号明細書に詳しく説明されている。
【０００４】
主要なセンサ使用事例は加速度センサおよび特にヨーレートセンサである。したがって、このヨーレートセンサは、種々異なる線形振動子原理および種々異なる回転振動子原理により設計されている。ヨーレートセンサは、ばね・質量系として形成された振動可能な構造体である。この構造体は静電型の櫛形駆動体によって励振されて、コンスタントな振幅を伴った連続的な振動運動を生ぜしめ、容量型の検出構造体によって評価される。
【０００５】
これら全ての構造体には、自由可動のセンサ素子が一体のケイ素から製作される、すなわち、ばねと質量体とから成る装置全体が互いに電気的に接続されていて、したがって、強制的に同一の電位にあることが共通している。この結果、たとえばヨーレートセンサでは、検出回路への駆動電圧の有害なクロストークが生ぜしめられる。なぜならば、振動構造体の内部の動電気的な分離の不足のため、駆動電圧と検出信号とが同一の構造体に作用するからである。
【０００６】
駆動電圧の分離は、しばしば、後続のスペクトルの濾過、電流補償原理（変位電流の補償を伴う２つの櫛形駆動体への逆方向に向けられた駆動電圧）またはスイッチキャパシタ原理を介した時間的な選択によって行われる。いずれにせよ、センサ機構のノイズ特性はクロストークまたは講じられた対策によって悪化させられる。
【０００７】
アクティブな構造体の下方に位置するＳｉＯ_２層を犠牲層エッチングするためには、従来の公知先行技術によれば、水状のまたは有利にはベーパ状のフッ酸の形のフッ酸含有の媒体が使用されるので、絶縁構造体を機能層に組み込むという手段は、今日まで、犠牲層エッチングの間のこのような絶縁構造体の破壊で失敗する。本来のＳｉＯ_２犠牲層と同様に絶縁溝への埋戻し酸化物もフッ酸によって攻撃される。特にフッ酸ベーパの使用時には、機能的な絶縁酸化物を保護することが実際に不可能となる。
【０００８】
発明の利点
請求項１の特徴を備えた本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントもしくは請求項１１記載の相応の製作法は公知の解決手段に比べて、機能層が、種々異なる機械的なかつ／または電気的な特性を有する領域で分割可能となるという利点を有している。たとえば、本発明によって、相応の部分構造体の電気的な分離および絶縁のための絶縁構造体が機能層の内部の可動の構造体の内部に設けられることにより、全構造体の部分、たとえば検出構造体と駆動構造体とを動電気的に互いに分離することが可能となる。
【０００９】
電気的な絶縁構造体を製作するためには、センサ構造体を複数の部分構造体に分割するために、絶縁溝を形成することが提案される。これらの部分構造体を互いに、たとえば電気的に互いに絶縁して機械的に結合するためには、絶縁溝が高絶縁性の材料、有利には二酸化ケイ素で再び充填される。これによって、機械的にまとまった形成体を得ることができる。この形成体は、電気的に互いに絶縁された部分セグメントから成っている。
【００１０】
有利には、本発明では、択一的な犠牲層技術が使用される。この犠牲層技術は、反応性の気相からの犠牲シリコン領域の選択的な除去に基づいている。このためには、有利には高反応性のフッ素化合物、たとえばＸｅＦ_２、ＣｌＦ_３、ＢｒＦ_３、ＩＦ_３、ＩＦ_５等またはプラズマ放電に基づくフッ素ラジカルが使用される。このフッ素ラジカルは、露出したケイ素を自然にエッチングするものの、ケイ素でないもの対して極めて選択的に作用し、これを攻撃しない。特に酸化物層はこの物質によってさほど攻撃されないので、絶縁溝の機能的な酸化物、たとえば埋戻し酸化物は完全に無傷のままである。
【００１１】
犠牲シリコンエッチングの間、アクティブなシリコン構造体は適切なパッシベーション層（酸化物層、ポリテトラフルオロエチレンの類の層、フォトレジスト）によって、有利には全面で保護される。したがって、このパッシベーション層はセンサ構造体の側面にも析出されなければならない。ポリテトラフルオロエチレンの類のパッシベーション層を使用したい場合には、特にドイツ連邦共和国特許出願公開第４２４１０４５号明細書に開示されたプラズマエッチングプロセスの不動態化ステップが、側壁への選択的な析出のために適している。異方性トレンチ技術と組み合わされた等方性シリコン犠牲層エッチング技術の基本的なメカニズムは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４２０９６２号明細書もしくは英国特許出願公開第２２９０４１３号明細書に説明されている。
【００１２】
この新たな犠牲層技術の使用によって、側方で互いに電気的に絶縁された部分構造体から成り、したがって、たとえば駆動ゾーンと検出ゾーンとの分離をヨーレートセンサにおいて可能にするセンサを製作することが可能となる。これによって、このセンサが著しく改善され、ＯＭＭテクノロジの使用多様性が、向上させられる機能性の方向に著しく拡張される。
【００１３】
さらに、絶縁酸化物の代わりに、圧電性の材料を絶縁溝の充填のために使用することが可能となる。この場合、電極として、たとえばシリコン部分構造体が圧電性の材料の両側に使用される。これによって、たとえば機械的な力を電気的な信号にセンサ構造体の内部で変換することができる。この信号自体は、さらに、互いに電気的に絶縁された部分構造体で取り出すことができる。公知の圧電性の層材料は、たとえばＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ等である。特にＺｎＯおよびＡｌＮは薄膜として、半導体に近いプロセスで析出可能である。この圧電材料は機械的な力を電圧に変換しかつ逆に電圧を機械的な力に変換するので、ピエゾアクチュエータもアクティブな構造体の内部に実現可能となる。
【００１４】
１つのセンサにおける圧電式の信号変換の利点は、獲得可能な比較的高い信号電圧および低い電源インピーダンスである。このことは、たとえばヨーレートセンサにおいて、向上させられたセンサ感度およびセンサ分解能に対して有利である。１つのアクチュエータにおける利点は、比較的僅かな駆動電圧での比較的大きな力もしくはストロークである。この事例でも、高選択的な等方性シリコン犠牲層技術によって、向上させられた機能性を伴った新規の構成エレメントの実現が可能となる。
【００１５】
従属請求項には、本発明の各対象の有利な構成および実施態様が記載してある。
【００１６】
有利な構成によれば、基板と機能層との間に絶縁層が設けられている。
【００１７】
別の有利な構成によれば、第２の材料から成る第３の領域が、可動の構造体の一部である。
【００１８】
別の有利な構成によれば、第１の材料が多結晶シリコンであり、第２の材料が絶縁材料、有利には二酸化ケイ素である。
【００１９】
別の有利な構成によれば、第１の材料が多結晶シリコンであり、第２の材料が圧電性の材料である。
【００２０】
別の有利な構成によれば、マイクロマシニング型の機能層にサイズモ質量体が形成されており、該サイズモ質量体に駆動のための櫛形構造体が設けられており、第３の領域が、櫛形構造体をサイズモ質量体から電気的に絶縁するために設けられている。
【００２１】
別の有利な構成によれば、マイクロマシニング型の機能層に環状構造体が形成されており、第３の領域が、圧電性の領域として形成されている。
【００２２】
別の有利な構成によれば、環状構造体が、一貫して延びる第３の領域によって取り囲まれており、該第３の領域に複数の撓みばねが結合されている。
【００２３】
別の有利な構成によれば、環状構造体が、第３の領域によって取り囲まれており、該第３の領域が、互いに結合されない複数の部分領域を有しており、該部分領域に複数の撓みばねのそれぞれ１つが結合されている。
【００２４】
別の有利な構成によれば、環状構造体が、リングジャイロの一部である。
【００２５】
別の有利な実施態様によれば、機能層に、可動の構造体を形成するために、一貫して延びる溝を形成し、次いで、該溝の側壁を保護層でカバーし、その後、機能層の一部を、サイドエッチング領域を設けることによって可動にし、この場合、前記領域を、サイドエッチング領域を設ける場合に絶縁層によって保護し、溝の側壁を保護層によって保護する。
【００２６】
別の有利な実施態様によれば、まず、保護層を溝全体に析出し、その後、溝底部から除去する。
【００２７】
別の有利な実施態様によれば、平坦化を化学機械的なポリシングステップによって実施する。
【００２８】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２９】
図面では、同一の構成部分または機能的に同じ構成部分に同じ符号が付してある。
【００３０】
図１ａ〜図１ｇには、本発明の第１の構成を詳しく説明するための種々異なるプロセス段階の概略図が示してある。
【００３１】
図１ａには、符号１７で、たとえばシリコンウェーハの形のシリコン基板が示してある。このシリコン基板１７には、ここでは、それぞれ二酸化ケイ素から成る第１の絶縁層１２の領域と、この領域の間に位置する第２の絶縁層１４とが被着されている。第１の絶縁層１２の領域には、構造化された伝導性の層が位置している。さらに、この層は、同じく二酸化ケイ素から成る第３の絶縁層１６によってカバーされている。この第３の絶縁層１６もしくは第２の絶縁層１４の上方には、高濃度ドーピングされた伝導性の多結晶シリコン（ポリシリコン）から成る機能層１５が設けられている。この機能層１５の上方にはフォトマスク１０が位置している。このフォトマスク１０には、開口２１が右側の区分に第３の絶縁層１６の上方で設けられている。
【００３２】
表面マイクロマシニングのテクノロジでの図１ａに示した構造体のための製作プロセスは一般的に知られている。
【００３３】
図１ｂには、開口２１を備えたフォトマスク１０の使用下での第１の異方性プラズマエッチングプロセスの結果が示してある。この異方性プラズマエッチングプロセスは溝１９を提供する。この溝１９は機能層１５を完全に分断していて、第３の絶縁層１６でストップしている。換言すれば、プラズマエッチングプロセスは機能層１５を領域１５ａ，１５ｃに分割する。
【００３４】
図１ｃによれば、これに続くプロセスステップにおいて、溝１９が絶縁酸化物（ＳｉＯ_２）２０で完全に充填され、これによって、該当する絶縁酸化物が構造体の全表面にわたって析出される。
【００３５】
これに続いて、絶縁酸化物２０が、たとえば化学機械的なポリシングステップ（ＣＭＰ）または酸化層のエッチバックによって再びウェーハ表面から除去される。したがって、絶縁酸化物２０は絶縁溝１９内にしか残されない。これによって、図１ｄに示した、結果的に生ぜしめられた構造体の平坦な表面が形成される。いま、充填された溝は機能層１５の領域１５ｂを形成している。この領域１５ｂは機械的に安定的に領域１５ａ，１５ｃを結合しているものの、本例では、電気的に互いに絶縁している。
【００３６】
図１ｅに示した、これに続くプロセスステップでは、第２のフォトマスク１０′が、結果的に生ぜしめられた構造体に設けられる。通常、まだ機能層１５上にフォトマスク１０′の下方で位置する金属化層は図１ｅには示していない。特にこの金属化層は、必要に応じて、絶縁材料で充填された溝にわたって、この溝をカバーすることもできる。
【００３７】
フォトマスク１０′は開口２１′を有している。この開口２１′は、特に第２の絶縁層１４の上方に位置している。交互の蒸着ステップとエッチングステップとを備えた第２の異方性プラズマプロセスでは、開口２１′の領域に溝１９′がエッチングされる。この溝１９′は第２の絶縁層１４にまで達している。この第２の絶縁層１４は、通常、ほんの数ナノメートル〜１００ナノメートルの厚さに寸法設定されている。
【００３８】
規定された蒸着ステップによって、選択的に溝１９′の側壁にポリテトラフルオロエチレンの類の保護膜１２０が形成される。絶縁層１２；１４；１６への到達時に異方性プラズマエッチングプロセスはほぼ完全に停止する。なぜならば、このプラズマエッチングプロセスが二酸化ケイ素に比べて高い選択比もしくは選択性をケイ素に対して有していて、したがって、二酸化ケイ素をほぼエッチングしないからである。溝１９′の底部には、露出した領域２３が位置している。これは、図１ｆに示してある。
【００３９】
図１ｇによれば、ケイ素酸化物に対する後続の異方性プラズマエッチングプロセスにおいて、第２の絶縁層１４の、露出した領域２３が除去される。第２の絶縁層１４の領域２３の除去後、サイドエッチング領域３１もしくはアンダカット領域を形成するためのシリコン基板１７の等方性エッチングが行われる。したがって、可動の構造体３２をサイドエッチング領域３１の上方に形成することができる。
【００４０】
可動の構造体３２の、第２の絶縁層１４から成る領域３０と、第２の絶縁層１４の領域２５と、ポリテトラフルオロエチレンの類の保護層１２０とは、ケイ素における等方性サイドエッチングの間の機能層１５のエッチバックもしくは構造損失を阻止しており、実際には、シリコン基板しかエッチングされないようになっている。
【００４１】
図２には、本発明の第２の構成を詳しく説明するための概略図が示してある。
【００４２】
図２に示した第２の構成では、絶縁酸化物２０を備えた領域１５ｂが、可動の構造体３２の内部に位置している。製作は、図１ａ〜図１ｇに示した実施例に類似して行われる。特にケイ素領域１５ａ，１５ｃと絶縁酸化物２０とは、サイドエッチング領域３１を形成するための等方性エッチングステップ時に可動の構造体３２の下方の第２の絶縁層１４の領域３０によって保護されている。
【００４３】
すなわち、一般的には、第１もしくは第２の構成に示した本発明による構成エレメントにおける本発明を転換するための１つのプロセスでは、まず、アクティブなシリコン層１５に、必要となる絶縁溝１９が形成される。このためには、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第４２４１０４５号明細書に開示されたシリコンディープエッチング法によって、絶縁が必要となる箇所にトレンチ溝が酸化物ストップ層１４；１６にまで異方性エッチングされる。
【００４４】
次いで、この溝が、場合によっては別の埋戻し材料、たとえば多結晶シリコンに関連して、少なくとも一種類の絶縁酸化物（ＳｉＯ_２）で再び充填される。この絶縁酸化物は、溝を少なくとも部分的に充填する、たとえば上側の部分でしか充填しないために、全面にわたって析出される。上述した構成では、溝が完全に充填されると有利である。
【００４５】
次いで、充填材料（ＳｉＯ_２またはその他の材料、たとえばＡｌＮ等）が、たとえばポリシングまたは化学機械的なポリシング（ＣＭＰ）またはエッチングによる表面の平坦化によってウェーハ表面から再び除去される。したがって、材料は絶縁溝に残され、残りの箇所では、シリコン表面までの平坦化ステップの間に再び除去される。これによって、有利には、シリコン領域の、平坦なウェーハ表面が形成される。このウェーハ表面は、充填された絶縁溝によって、設けられた箇所で貫通される。上述した例では、平坦化ステップの間、絶縁溝内の埋戻し材料がシリコン表面で平らに終わるようになっている。
【００４６】
次いで、通常のＯＭＭ（表面マイクロマシニング）プロセス化が続いている。すなわち、金属化層を析出しかつ構造化した後、ケイ素がエッチングされてセンサ構造体が形成され、トレンチ溝内のストップ酸化物が選択的に除去され、構造体側壁が不動態化され（ポリテトラフルオロエチレン析出、ＳｉＯ_２析出）、パッシベーション層がトレンチ底部から選択的に除去され、最後に犠牲シリコンゾーンが、高反応性のフッ素化合物、たとえばＣｌＦ_３、ＢｒＦ_３、ＸｅＦ_２等によって選択的にエッチング除去される。
【００４７】
（レジストマスクによって加工された事例の）フォトレジストマスクとパッシベーション層との除去後、自由可動のＯＭＭ構造体３２が形成される。このＯＭＭ構造体３２は、互いに電気的に絶縁された部分構造体から成っている。
【００４８】
以下の例には、本発明による構成エレメントの構成がヨーレートセンサの例で示してある。
【００４９】
図３〜図５には、第３〜第５の構成によるヨーレートセンシングのための種々異なる線形振動子装置が示してある。
【００５０】
図３には、本発明の第３の構成を詳しく説明するためのセンサ構造体の概略図が示してある。
【００５１】
図３には、符号２００でサイズモ質量体が示してある。このサイズモ質量体２００はサイドアーム２１５ａ，２１５ｂを有している。サイズモ質量体２００は図１および図２でマイクロマシニング型の機能層１５に形成されている。サイズモ質量体２００のアーム２１５ａ，２１５ｂには絶縁領域２２０ａ，２２０ｂが設けられている。この絶縁領域２２０ａ，２２０ｂは、アーム２１５ａ，２１５ｂの外側の領域からのサイズモ質量体２００の内側の領域の電気的な絶縁を規定している。
【００５２】
アーム２１５ａ，２１５ｂの外側の領域には櫛形構造体２６５ａ，２６５ｂが設けられている。この櫛形構造体２６５ａ，２６５ｂは相応の櫛歯２５５ａ，２５５ｂと協働する。この櫛歯２５５ａ，２５５ｂはアンカ部２５０ａ，２５０ｂを介して基板１７（図１および図２参照）に固く結合されている。
【００５３】
さらに、符号１９０ａ，１９０ｂ，２６０ａ，２６０ｂでアンカ部が示してある。これらのアンカ部１９０ａ，１９０ｂ，２６０ａ，２６０ｂは撓みばね１９５ａ，１９５ｂ；２６７ａ，２６７ｂを介してサイズモ質量体２００を基板１７の上方で可動に懸吊している。
【００５４】
すなわち、図３には、サイズモ質量体２００もしくはセンサ振動質量体が示してある。このセンサ振動質量体の、駆動櫛形構造体２５５ａ，２５５ｂに係合する櫛歯は残りのセンサ振動質量体に対して電気的に絶縁されている。振動質量体の駆動部分構造体は、たとえばアンカ部２６０ａ，２６０ｂによってコンタクティング（接触接続）され、検出構造体として働く残りの振動質量体はアンカ部１９０ａ，１９０ｂを介してコンタクティングされる。この場合、検出は、たとえば面外式にかつ容量式に下側の電極プレート（図示せず）によって行われる。この電極プレートは、この下側の電極プレートに対する振動質量体２００の残りの部分構造体の間隔を検出する。したがって、検出電極への振動質量体２００を介した駆動電圧のクロストークは著しく低減されており、有利には、残りの振動構造体自体で検出することも可能となる。
【００５５】
図４には、本発明の第４の構成を詳しく説明するための別のセンサ構造体の概略図が示してある。
【００５６】
図４には、符号３００でサイズモ質量体が示してある。このサイズモ質量体３００は撓みばね３３０ａ，３３０ｂを介して可動のビーム３６０ａ，３６０ｂに結合されている。さらに、このビーム３６０ａ，３６０ｂはアンカ部３２５ａ，３２５ｂを介して基板１７に結合されている。撓みばね３３０ａ，３３０ｂの開始点の領域におけるサイズモ質量体３００の縁領域には絶縁領域３２０ａ，３２０ｂが設けられている。この絶縁領域３２０ａ，３２０ｂはサイズモ質量体３００の内側領域を電気的に絶縁している。
【００５７】
ビーム３６０ａ，３６０ｂには櫛形構造体３５５ａ，３５５ｂが結合されている。この櫛形構造体３５５ａ，３５５ｂは櫛歯を有している。この櫛歯は、アンカ部３５０ａ，３５０ｂに設けられた相応の櫛歯と協働する。櫛形構造体３５５ａ，３５５ｂはサイズモ質量体３００を駆動するために働く。キャパシタ装置Ｃ１〜Ｃ４を介して、サイズモ質量体３００の変位を容量式に公知の形式で検出することができる。
【００５８】
すなわち、図４には、平坦な検出を伴う線形振動子の原理図が示してある。ここでは、駆動構造体が振動構造体から撓みばね３３０ａ，３３０ｂを介して分離されている。この撓みばね３３０ａ，３３０ｂは、前述したように、本来の振動構造体から電気的に絶縁されている。ヨーレート信号の検出は、容量型の構造体Ｃ１〜Ｃ４によって振動構造体もしくは振動構造体の、静止しているフレーム部分に対して行われる。駆動構造体と残りの振動構造体とは、ここでは、別個の固定エレメントを介して別個に電気的にコンタクティングされてもよい。すなわち、質量体にも撓みばねの接続部が製作されなければならない。
【００５９】
図５には、本発明の第５の構成を詳しく説明するためのさらに別のセンサ構造体の概略図が示してある。
【００６０】
図５には、符号４００で別のサイズモ質量体が示してある。このサイズモ質量体４００はリング形状を有している。ここでも、予め規定された箇所に櫛形構造体４５５ａ〜４５５ｄが設けられている。この櫛形構造体４５５ａ〜４５５ｄは櫛歯を有している。この櫛歯は、アンカ部４５０ａ〜４５０ｄを介して基板１７に結合された相応の櫛歯と協働する。絶縁領域４２０ａ〜４２０ｄは、このように形成された駆動構造体を内側領域もしくはサイズモ質量体４００の内側領域から分離するために働く。
【００６１】
すなわち、図５には、回転振動子が示してある。この回転振動子では、振動質量体の、駆動櫛形構造体に係合するエレメントが、残りの振動質量体から電気的に絶縁されている。この残りの振動質量体と駆動部分とは、それぞれ別個に電気的にコンタクティングされる（図示せず）。検出は、ここでも、有利には再び面外式に下側のキャパシタプレート（図示せず）によって行われる。このキャパシタプレートを介して、電極プレートからの残りの振動質量体の間隔が検出される。
【００６２】
本発明を使用することができる別の構成エレメントは、圧電式の信号変換を伴うマイクロマシニング型のリングジャイロである。
【００６３】
図６には、変形可能な環状構造体５００を備えたリングジャイロ構造体の概略図が示してある。
【００６４】
図６には、図示の両振動限界形状を備えた環状構造体５００の振動形状が示してある。運動の一方の「死点」は鉛直な葉巻形状であり、運動の他方の「死点」は水平な葉巻形状である。矢印はこの振動モードの節点、すなわち、さほどの運動振幅なしの場所を示している。リングは等方性であるかもしくは等方性であることが望ましいので、振動モードは、基本的に平面内のあらゆる別の位置をとることもできる。この平面内のモード方位は、通常、配置の回転対称を壊しかつ優れた主軸線を生ぜしめる振動駆動によって実現される。
【００６５】
リング平面に対して垂直な軸線を中心とした振動するリング５００の回転時には、振動が回転に対して定置にとどまろうとするので、振動モードの前記節点に運動振幅が生ぜしめられる。ベースモードのずれは、通常、節点で適切に検出されるかもしくは電気機械的な対応カップリングによって補償される。補償信号の高さは、たいてい使用される、リングを回転させる回転速度に対する量および本来重要となる測定量である。リングジャイロはその高い内側の対称性のおかげで、外乱量に対して極めて不感となる。分解能は極めて広域に向上させることができる。通常の構成は、磁気的な誘導ループを外側の磁界で駆動および振動モードの検出のために使用するかまたは圧電式の駆動・検出エレメントを使用する。この駆動・検出エレメントは精密機械的なリングまたはシリンダの周面にろう付けされる。
【００６６】
マイクロマシニング型のリングジャイロを静電型の駆動構造体および容量型の検出構造体によって運転することも試された。櫛形構造体はリングの対称性を敏感に妨害し、したがって、構造体の利点を排除する恐れがあるので、単純なキャパシタプレートしか考慮されない。これによって、実際に金属製のセンサ一次構造体の形でＬＩＧＡ技術によってしか実現可能とならないように、極めて高いアスペクト比を備えた極めて高い構造体が必要となる。しかし、ＬＩＧＡ技術は産業上の使用のために適しておらず、特に一次構造体の形では支払うことができない；このような形成体の型取りおよび複製は実際に高いアスペクト比で失敗する。
【００６７】
本発明は、マイクロマシニング型の、有利には表面マイクロマシニング型のＳｉリングジャイロを実現するための適切な技術をもたらす。この技術は、環状構造体の、機能に対して重要な対称性を損なうことなしに、十分に大きな駆動力だけでなく、十分に大きな検出信号も提供する。これによって、マイクロマシニング型の、特に表面マイクロマシニング型のＳｉリングジャイロを圧電式の駆動・検出フィールドに接続し、したがって、大きな駆動力および使用信号を比較的低い電源インピーダンスで得ることが可能となる。
【００６８】
本発明による技術によって、互いに電気的に絶縁された、自由可動のセンサ素子構造体の製作が可能となる。最初に形成されるトレンチ溝は圧電性の材料で充填され、次いで、平坦化される。その後、本来のシリコン構造体がトレンチエッチングによって製作される。シリコン犠牲層の使用下での等方性気相エッチング技術によって、機能的な誘電体または圧電体を損なうことなしに、片持ち式の振動可能な形成体を製作することが可能となる。
【００６９】
図７には、本発明の第６の構成によるリングジャイロ構造体の概略図が示してある。
【００７０】
図７には、符号５２０で、全周にわたって延びる圧電性の層が示してある。この圧電性の層５２０は、本発明による方法の１つの実施態様による図１または図２に示した機能層１５に埋め込まれている。符号５３０ａ〜５３０ｇは、伝導性の多結晶シリコンから成る撓みばねである。この撓みばね５３０ａ〜５３０ｇは圧電性の層５２０に隣接して設けられている。５５０ａ〜５５０ｈはアンカ部を示している。これらのアンカ部５５０ａ〜５５０ｈは撓みばね５３０ａ〜５３０ｈをアンカ固定している。
【００７１】
図７に示したリングジャイロを製作するためには、絶縁層と、この絶縁層の上方に位置するアクティブなシリコン層もしくは機能層とから成る、根底にある層システムの形成後、環状のトレンチがのちのシリコン環状構造体５００を巡って形成される。このトレンチ溝は圧電性の材料５２０で充填され、次いで、ウェーハ表面が平坦化される。その後、本来のシリコン構造体がトレンチエッチングによって製作される、すなわち、まだほぼまとまっている表面シリコン層からエッチング除去される。これは、（本来の環状振動子の）内側のリング５００と、アンカ部５５０ａ〜５５０ｈと、中央のリング５００に対する撓みばね５３０ａ〜５３０ｈとに該当する。この撓みばね５３０ａ〜５３０ｈとアンカ部５５０ａ〜５５０ｈとは同時に電極電圧を相応のコンタクトエレメントに供給するかもしくはコンタクトエレメントから取り出す。
【００７２】
図７には、撓みばね５３０ａ〜５３０ｈの端部としての構造化された外側のＳｉ電極を備えた一貫して延びる圧電性の層５２０が示してある。ケイ素出発材料として、有利には高濃度ドーピングされた高伝導性のｐ型またはｎ型のケイ素、特に有利にはホウ素ドーピングを伴った高濃度ドーピングされたｐ型材料が使用される。圧電性の層５２０は、一貫して延びる外側のリングとして形成されているので、これによって、隣り合った電極の間の増加させられた電気的なクロストークが生ぜしめられ得る。
【００７３】
図８には、本発明の第６の構成によるリングジャイロ構造体の概略図が示してある。
【００７４】
図８によれば、圧電性のフィールドも互いに分離されている。この分離は、初期に埋戻しに対して、一貫して延びるリング５２０が形成されず、８つのリングセグメント５２０ａ〜５２０ｇが形成されることによって生ぜしめられる。これらのリングセグメント５２０ａ〜５２０ｇは切欠き５２５ａ〜５２５ｇによって互いに分離されている。これによって、埋戻しおよび平坦化の後、さらに、互いに分離された８つの圧電性の部分セグメントが形成される。有利には、この構成では、隣り合った電極の間の電気的なクロストークが低減されている。しかし、外側の電極と中央の内側のリングとの間の圧電性の材料の開放した境界範囲が生ぜしめられ得る。
【００７５】
特に一種の圧電体（たとえばＺｎＯ）では、縁面伝導率の発生によって、電気的な分路が内側の環状電極と外側の電極との間に形成され得る。すなわち、構造化プロセスは、可能な限り僅かなイオン損傷が生ぜしめられるように最適化されなければならない。ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２４１０４５号明細書に開示された、シリコンディープ構造化のためのプロセスはこの要求を満たしている。なぜならば、このプロセスは、異方性エッチング結果を得るために、圧電性のフィールドの開放した縁面もしくは境界面に著しい損傷を与えないことを可能にするほんの僅かなイオンエネルギで十分となるからである。
【００７６】
すなわち、外側の電極の電気的な接続が、所属のアンカ部と、所属のばねとを介して実現される。このアンカ部とばねとは、高濃度のドーピング（ｐ型またはｎ型、有利にはｐ型）によって十分に導電性でなければならない。原理的には、全ての駆動信号が相補的な電圧として外側の電極に供給され、この外側の電極からの全ての信号取出しが、差異のある形で行われる場合には、内側のリングの直接的なコンタクティングを省略することができる。
【００７７】
たとえば、振動駆動は、駆動フィールドが１２時位置でかつ３時位置でそれぞれ相補的な電圧で駆動され、振動検出のために、フィールドの出力電圧が６時位置でかつ９時位置で互いに減法されるように行うことができる。類似して、節運動は、３時位置の左右の両フィールドの出力電圧が互いに減法され、補償電圧が相補的に９時位置の左右のピエゾフィールドに供給されることにより節運動の補償が行われることによって測定することができる。これによって、中央のＳｉリングが、電気的に直接コンタクティングされないにもかかわらず、常に仮想の０電位にとどまる。
【００７８】
Ａｌ導体路を介した中央のリングの直接的なコンタクトも許容する層構造は一層有利である。このためには、アクティブな構造体をばねウェブを介して加工するためのディープトレンチプロセス前に絶縁酸化物層が被着され、構造化され、その上方にＡｌ層が被着され、構造化されて導体路が形成される。この導体路はそれぞれ中央のＳｉリングをコンタクティングしていて、このリングを、規定された電位、有利にはアース電位または基準電位におくことを許容している。振動運動を可能な限りほとんど損なわないためには、Ａｌ導体路を可能な限り薄膜に選択する、たとえばほんの５０〜２００ｎｍの厚さに選択することが望ましい。この理由から、（ただ１つのばねウェブだけが内側のリングのコンタクティングのために使用されれば自体十分であるにもかかわらず）全てのばねウェブが、中央の環状構造体を接続するために働く導体路を備えていると有利である。全てのばねの使用によって、８つの全ての導体路の並列接続が実現され、より薄膜の導体路で十分となる。さらに、配置形式の対称性も完全に顕著に得られる（全てのばねウェブは同じ）。
【００７９】
別の利点として、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材料のために必要となるように、特に有効な圧電体に極性を付与するための可能性が得られる。この材料には、ＰＺＴセラミックスの析出、構造化および焼付け後、極性付与電圧（高い直流電圧）の印加によって外側の電極と内側のリングとの間で温度の上昇時に初めて予め極性が付与されなければならず、これによって、前記材料が圧電性にされなければならない。各電極フィールドに対する内側のＳｉリングの個別の接続によって、この極性付与を、特に良好に規定された形式で実施することができる。別の利点は、隣り合った電極フィールドの間の電気的なクロストークのさらなる低減である。
【００８０】
したがって、圧電性のフィールドが新たな製作プロセスに提供され得ることによって、容量型の／静電型の設計の公知の問題を克服したマイクロマシニング型の構成エレメント、有利には表面マイクロマシニング型のリングジャイロを得ることができる。プロセスガイドは、機能的な誘電性のまたは圧電性の層の損傷なしにマイクロマシニング型の構造体の露出を許容する。したがって、トレンチ技術／トレンチ埋戻し技術に相俟って、鉛直方向に構造化されたピエゾフィールドを、振動するＳｉリングに実現することができる。
【００８１】
圧電式の信号変換の利点は、比較的大きな信号電圧および低い電源インピーダンス、機械的な応力の検出および運動振幅に代わる伸びおよび容量型の構造体に比べて僅かなスペース需要である。
【００８２】
本発明を有利な構成につき前述したにもかかわらず、本発明は、これらの構成に限定されるものではなく、種々の形式に変更可能である。
【００８３】
本発明は、特に図示の使用事例に限定されるものではない。別の使用例は、たとえばマイクロスイッチであってもよい。この場合、アクチュエータ部分が、慣用のリレーに類似して、理想的な事例では完全に動電気的に本来のスイッチ部分から分離されていることが望ましい。
【００８４】
純然たる絶縁領域の代わりに、たとえば機械的な力を（ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、・・・による）圧電効果によって検出するためにまたはピエゾアクチュエータを構造体に組み込むために、別の任意の機能的な領域が導入されてもよい。いずれにせよ、新たなプロセスガイドは多数の新規のＯＭＭ構成エレメントを開発する。
【００８５】
さらに、犠牲層エッチング技術のための保護層をまず溝全体に析出することができ、その後、溝底部から除去することができる。
【００８６】
機械的なポリシングステップに対して択一的には、（埋戻し材料がプラズマで除去可能である限り）公知のプラズマ平坦化法が使用されてもよいし、湿式にエッチバックされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１ａ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第１のプロセス段階の概略図である。
【００８８】
【図１ｂ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第２のプロセス段階の概略図である。
【００８９】
【図１ｃ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第３のプロセス段階の概略図である。
【００９０】
【図１ｄ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第４のプロセス段階の概略図である。
【００９１】
【図１ｅ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第５のプロセス段階の概略図である。
【００９２】
【図１ｆ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第６のプロセス段階の概略図である。
【００９３】
【図１ｇ】本発明の第１の構成を詳しく説明するための第７のプロセス段階の概略図である。
【００９４】
【図２】本発明の第２の構成を詳しく説明するための概略図である。
【００９５】
【図３】本発明の第３の構成を詳しく説明するためのセンサ構造体の概略図である。
【００９６】
【図４】本発明の第４の構成を詳しく説明するための別のセンサ構造体の概略図である。
【００９７】
【図５】本発明の第５の構成を詳しく説明するためのさらに別のセンサ構造体の概略図である。
【００９８】
【図６】リングジャイロ構造体の概略図である。
【００９９】
【図７】本発明の第６の構成によるリングジャイロ構造体の概略図である。
【０１００】
【図８】本発明の第７の構成によるリングジャイロ構造体の概略図である。

Claims

マイクロマシニング型の構成エレメントにおいて：
基板（１７）が設けられており；
該基板（１７）の上方に設けられた、第１の材料から成るマイクロマシニング型の機能層（１５）が設けられており；
該機能層（１５）が、第１の領域（１５ａ）と第２の領域（１５ｃ）とを有しており、両領域（１５ａ，１５ｃ）を、第２の材料（２０）から成る第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）が結合しており；
少なくとも１つの領域（１５ａ；１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ；１５ｃ）が、基板（１７）の上方に懸吊された可動の構造体（３２）の一部である；
ことを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメント。
基板（１７）と機能層（１５）との間に絶縁層（１２；１４）が設けられている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
第２の材料（２０）から成る第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）が、可動の構造体（３２）の一部である、請求項２記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
第１の材料が多結晶シリコンであり、第２の材料が絶縁材料、有利には二酸化ケイ素である、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
第１の材料が多結晶シリコンであり、第２の材料が圧電性の材料である、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
マイクロマシニング型の機能層にサイズモ質量体（２００；３００；４００）が形成されており、該サイズモ質量体（２００；３００；４００）に駆動のための櫛形構造体（２５５ａ，２５５ｂ；３５５ａ，３５５ｂ；４５５ａ〜４５５ｄ）が設けられており、第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）が、櫛形構造体（２５５ａ，２５５ｂ；３５５ａ，３５５ｂ；４５５ａ〜４５５ｄ）をサイズモ質量体（２００）から電気的に絶縁するために設けられている、請求項４記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
マイクロマシニング型の機能層（１５）に環状構造体（５００）が形成されており、第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）が、圧電性の領域として形成されている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
環状構造体（５００）が、一貫して延びる第３の領域（５２０）によって取り囲まれており、該第３の領域（５２０）に複数の撓みばね（５３０ａ〜５３０ｈ）が結合されている、請求項７記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
環状構造体（５００）が、第３の領域（５２０）によって取り囲まれており、該第３の領域（５２０）が、互いに結合されない複数の部分領域（５２０ａ〜５２０ｈ）を有しており、該部分領域（５２０ａ〜５２０ｈ）に複数の撓みばね（５３０ａ〜５３０ｈ）のそれぞれ１つが結合されている、請求項７記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
環状構造体（５００）が、リングジャイロの一部である、請求項７から９までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
マイクロマシニング型の構成エレメントのための製作法において、以下のステップ：すなわち、
基板（１７）を提供し；
第１の材料から成るマイクロマシニング型の機能層（１５）を基板（１７）の上方に設け；
機能層（１５）を、まとまっていない第１の領域（１５ａ）と第２の領域（１５ｃ）とに分割する溝（１９）を機能層（１５）に形成し；
第１の領域（１５ａ）と第２の領域（１５ｃ）とを結合する、第２の材料（２０）から成る第３の領域（１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ）を形成するために、溝（１９）を第２の材料（２０）で充填し；
結果的に生ぜしめられた構造体を平坦化し；
選択的に金属製の導体路を被着し；
基板の上方に懸吊された可動の構造体（３２）を機能層（１５）に形成し、この場合、少なくとも１つの領域（１５ａ；１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ；１５ｃ）が、可動の構造体（３２）の一部である；
が設けられていることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメントのための製作法。
基板（１７）と機能層（１５）との間に絶縁層（１２；１４）を設ける、請求項１１記載の製作法。
機能層（１５）に、可動の構造体（３２）を形成するために、一貫して延びる溝（１９′）を形成し、次いで、該溝（１９′）の側壁を保護層（１２０）でカバーし、その後、機能層（１５）の一部を、サイドエッチング領域（３１）を設けることによって可動にし、この場合、前記領域（１５ａ；１５ｂ；２２０ａ，２２０ｂ；３２０ａ，３２０ｂ；４２０ａ〜４２０ｄ；５２０；５２０ａ〜５２０ｈ；１５ｃ）を、サイドエッチング領域（３１）を設ける場合に絶縁層（１２；１４）によって保護し、溝（１９′）の側壁を保護層（１２０）によって保護する、請求項１２記載の製作法。
まず、保護層（１２０）を溝（１９′）全体に析出し、その後、溝底部から除去する、請求項１３記載の製作法。
平坦化を化学機械的なポリシングステップによって実施する、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の製作法。