微機械結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機械結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及通過碳材料、氧材料和/或氮材料的插入，形成導(dǎo)電的和穩(wěn)健的微機電結(jié)構(gòu)薄膜。本發(fā)明還涉及碳材料、氧材料和/或氮材料的插入，該插入用于微復(fù)合材料和/或納米復(fù)合材料的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]術(shù)語微機電系統(tǒng)(MEMS, microelectromechanical system)或微機械系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)通常被用于指向結(jié)合了電氣部件和機械部件的小型集成器件或集成系統(tǒng)。當(dāng)關(guān)注于微機械部分時，術(shù)語“微機械系統(tǒng)”可被用于描述包括一個以上的微機械元件并且可能但不必須包括電氣部件和/或電子部件的小型集成器件或集成系統(tǒng)。
[0003]例如，微機械系統(tǒng)可被用作致動器(actuator)、換能器(transducer)或傳感器(sensor)(例如，壓強傳感器)。壓強傳感器現(xiàn)今是汽車電子和生活消費品電子中的大批量產(chǎn)品。對于許多這些應(yīng)用，傳感器被集成在專用集成電路(ASIC)中的系統(tǒng)被使用。例如，Infineon Technologies AG提供一種此種系統(tǒng)作為側(cè)氣囊傳感器。
[0004]特別地，微機械系統(tǒng)中的機械活動元件(mechanically active element)通常可能需要相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如，凹槽、梁、懸臂、底切、腔體等?？赡苄枰鄬Ω邤?shù)目的制造步驟。此外，例如，被用于執(zhí)行微機械系統(tǒng)的過程可能需要與被用于創(chuàng)建電氣和/或電子部件的可能的后續(xù)制造步驟相兼容。
[0005]微機械系統(tǒng)或微機械結(jié)構(gòu)(MMS)可包括可偏離結(jié)構(gòu)(比如，膜)。微機電結(jié)構(gòu)(MEMS)可包括一個以上的微機械結(jié)構(gòu)，該微機械結(jié)構(gòu)的可偏離結(jié)構(gòu)可以被電學(xué)地偏離(致動器)?？商鎿Q地或額外地，MEMS可響應(yīng)于MMS (傳感器)的可偏離結(jié)構(gòu)的偏離來提供電信號。該被偏離結(jié)構(gòu)的移動可引起機械應(yīng)力。因此，需要提供具有提高的耐用性和/或偏離性能的微機械結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)當(dāng)可偏離結(jié)構(gòu)的硬度在一部分中被局部地增加時，微機械結(jié)構(gòu)的耐用性和/或偏離性能可被提高。例如在受應(yīng)力部分處，通過將碳材料分段地(sect1nally)注入至可偏離結(jié)構(gòu)之中，該可偏離結(jié)構(gòu)的硬度可分段地被增加，從而該可偏離結(jié)構(gòu)的載荷能力(loadability)可被增加，和/或其空間可被減少。
[0007]實施例提供了一種微機械結(jié)構(gòu)，該微機械結(jié)構(gòu)包括襯底和被布置在該襯底處的功能結(jié)構(gòu)。該功能結(jié)構(gòu)包括功能區(qū)，該功能區(qū)響應(yīng)于作用在該功能區(qū)上的力相對于襯底可偏離。該功能結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電基層，該導(dǎo)電基層具有導(dǎo)電基層材料。該導(dǎo)電基層材料分段地包括在硬化(stiffening)部分中的碳材料，以使碳材料在該導(dǎo)電基層材料中的碳濃度是每立方厘米(cm3)至少1014(le+14)，并且至少為鄰近該硬化部分的導(dǎo)電基層材料的103(le+3)倍。
[0008]另一個實施例提供一種用于制造微機械結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括提供襯底，并且在該襯底處布置具有導(dǎo)電基層的功能結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)電基層具有導(dǎo)電基層材料，從而該功能結(jié)構(gòu)響應(yīng)于作用在功能區(qū)上的力在該功能區(qū)中相對于襯底可偏離。該方法還包括將碳材料分段地注入至硬化部分的導(dǎo)電基層材料之中，以使碳材料在該導(dǎo)電基層材料中的碳濃度是每立方厘米至少1014(le+14)，并且與導(dǎo)電基層材料中鄰近該硬化部分的材料中的碳濃度相比至少高出103(le+3)倍。
【附圖說明】
[0009]本發(fā)明的實施例在本文中參考附圖進(jìn)行描述。
[0010]圖1示出了根據(jù)一實施例的包括襯底和被布置在該襯底處的功能結(jié)構(gòu)的微機械結(jié)構(gòu)的示意性視圖；
[0011]圖2A示出了根據(jù)另一個的實施例的包括硬化部分的功能區(qū)的示意性剖視圖；
[0012]圖2B示出了根據(jù)另一個的實施例的包括硬化部分的功能區(qū)的示意性剖視圖，該硬化部分包括碳材料、氮材料和氧材料；
[0013]圖3A-1每個示出了功能區(qū)的根據(jù)一個實施例的其它的實施例的可能實施的示意性頂視圖或底視圖；
[0014]圖4A-P每個示出了根據(jù)另一個實施例的實施例的包括方形導(dǎo)電基層的功能結(jié)構(gòu)的示意性頂視圖或底視圖，該導(dǎo)電基層在夾持區(qū)處被夾持；
[0015]圖5示出了根據(jù)另一個實施例的功能區(qū)的示意性頂視圖，該功能區(qū)具有在該功能區(qū)的硬化區(qū)中的三個功能部分；
[0016]圖6A示出了根據(jù)另一個實施例的一種微機械結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖，該微機械結(jié)構(gòu)例如可以是在制造圖1中所示的微機械結(jié)構(gòu)期間的中間產(chǎn)物；
[0017]圖6B示出了根據(jù)另一個實施例的圖6A中所示出的微機械結(jié)構(gòu)在屏蔽層已被布置在導(dǎo)電基層處之后的示意性剖視圖；
[0018]圖6C示出了根據(jù)另一個實施例的圖6B中所示出的微機械結(jié)構(gòu)在屏蔽層被移除并且該微機械結(jié)構(gòu)被退火之后的示意性剖視圖；
[0019]圖7A示出了根據(jù)另一個實施例的一種微機械結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖，該微機械結(jié)構(gòu)例如可通過進(jìn)一步處理圖6C中所示出的微機械結(jié)構(gòu)而獲得；
[0020]圖7B示出了根據(jù)另一個實施例一種微機械結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖，該微機械結(jié)構(gòu)例如可通過進(jìn)一步處理圖7A中所示出的微機械結(jié)構(gòu)而獲得；
[0021]圖8示出了一種根據(jù)另一個實施例的微機械結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖，該微機械結(jié)構(gòu)包括功能結(jié)構(gòu)和背板電極；
[0022]圖9A示出了根據(jù)另一個實施例的硬化部分的示意性側(cè)視圖，該硬化部分被布置在導(dǎo)電基層的內(nèi)部區(qū)域中；
[0023]圖9B示出了根據(jù)另一個實施例的一種模擬彎曲曲線的模擬結(jié)果的示意性透視圖，該彎曲曲線可由圖9A的功能區(qū)在該功能區(qū)被偏離時獲得；
[0024]圖10A示出了根據(jù)另一個實施例的硬化部分的示意性側(cè)視圖，該硬化部分被布置在導(dǎo)電基層的外部區(qū)域中；
[0025]圖10B示出了根據(jù)另一個實施例的模擬圖10A的功能區(qū)的偏離的模擬結(jié)果的示意性透視圖；
[0026]圖11示出了根據(jù)另一個實施例的微機械聲換能器的示意性方框圖，該微機械聲換能器包括圖1中所示出的微機械結(jié)構(gòu)；以及
[0027]圖12示出了根據(jù)另一個實施例的制造微機械結(jié)構(gòu)的方法的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0028]在本發(fā)明的實施例將使用附圖進(jìn)行詳細(xì)描述之前，需要指出的是相同元件或功能性上相同的元件在附圖中被給予相同的附圖標(biāo)記，而且對于具有相同或類似的附圖標(biāo)記的元件的重復(fù)描述通常被省略。因此，被提供給具有相同附圖標(biāo)記的元件的描述是可互換的和可相互適用的。
[0029]微機電系統(tǒng)(MEMS)可包括微機械系統(tǒng)(MMS)，該微機械系統(tǒng)可被用作致動器來使其部件偏離(例如，用于致動其他部件)。其他MMS系統(tǒng)可被用作傳感器，并且可被配置為檢測其零件的機械偏離。因此，MMS傳感器和/或MMS致動器可包括硅部件(比如，非常易碎的并且在處理時容易破壞的和被運行中的機械沖擊容易破壞的膜)。
[0030]聲換能器可被實現(xiàn)為微機電結(jié)構(gòu)(MEMS)。聲換能器的一種類型可以是麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)被配置為檢測聲壓級(sound pressure level)的變化和/或檢測該變化所生成的力，并且提供表示所測得的變化的電信號。該聲壓強的變化可通過使被布置以使電場被膜結(jié)構(gòu)的偏離而被修改的膜結(jié)構(gòu)的偏離而被檢測，該修改例如可被測量為電壓的變化。聲換能器的另一種類型可以是揚聲器，該揚聲器被配置為響應(yīng)于該膜結(jié)構(gòu)的偏離，產(chǎn)生聲壓級的變化。該偏離可通過電信號被感應(yīng)到，該電信號例如通過電場生成力。聲換能器可被配置為作為麥克風(fēng)和/或作為揚聲器運行。MEMS聲換能器可被配置為作為微型揚聲器和/或作為麥克風(fēng)運行。
[0031]通常地，被實現(xiàn)為MEMS的麥克風(fēng)和/或微型揚聲器以娃技術(shù)被制造。娃微機械麥克風(fēng)是電容性換能器，該換能器包括柔性膜和靜態(tài)多孔電極(perforated electrode)，該柔性膜在聲場中移動，該多孔電極被稱為背板。在過壓(excessive pressure)的概念中，該膜可能經(jīng)受高達(dá)lObar的壓強差。在此情況下，通常的膜由于其斷裂強度而產(chǎn)生故障，各個膜可以耐受的最大機械負(fù)載(斷裂阻力)被超出。
[0032]補償換能器(complementary transducer)是需要被驅(qū)動的微型揚聲器，從而大的沖程例如可通過電容性驅(qū)動被實現(xiàn)，以驅(qū)動大排氣量以及因此而可接受的聲壓強。
[0033]微機械結(jié)構(gòu)的可偏離部件(比如，聲換能器的膜)可在固定(夾持)部分處是被夾持(即，被固定)的，并且在可偏離部分處是懸臂式的(即，可振動的或可偏離的)。該膜因此可被表示為懸臂式結(jié)構(gòu)。
[0034]可偏離部件可在偏離期間被機械地施加應(yīng)力。機械應(yīng)力例如可由于材料應(yīng)變而上升。例如，懸臂梁的材料應(yīng)力可在該懸臂梁的鄰近其夾持部分的末端處是最大的。此外，機械應(yīng)力例如可在該可偏離部件的鄰接其他部件或襯底的部分處上升。此鄰接部分可位于可偏離部件的顯示高幅度變形的區(qū)域或部分(比如，懸臂梁的可偏離末端)處，可位于距其他部件的距離較小的區(qū)域處，和/或位于夾持部分結(jié)束的區(qū)域處。
[0035]而且，可偏離部件的其他參數(shù)可能需要被改變。例如，硅包括對于電流的導(dǎo)電性。該導(dǎo)電性可能需要分段地或整體地(即，整個結(jié)構(gòu)中)被增加(更低電阻)或被減少(更高的電阻)。
[0036]硅材料的參數(shù)可通過應(yīng)用與硅材料形成化合物的其他材料被適配。例如，硅材料可被摻雜，以適應(yīng)空穴和/或電子的生成。
[0037]娃材料的硬度(hardness)和/或剛度(stiffness)可通過增加另外的材料(比如，碳(C)、氮(N)和/或氧(0))被增加。該材料可通過例如注入工藝被增加，其中該材料的離子被射入至硅之中。在注入之后，退火步驟可被執(zhí)行，從而硅材料和該另外的材料形成一種以上的化合物材料。硅材料和碳材料可形成碳化硅(SiC)材料。硅材料和氧材料可形成氧化娃(S1)材料。娃材料和氮材料可形成氮化娃(SiN)材料，其中根據(jù)工藝參數(shù)，一種以上的材料的濃度值可以變化，以使通常碳化硅(SiC)材料可被制得為SixCa材料，以使氧化硅(S1)材料可被制得為Six0b材料(例如，S1 2)，和/或以使氮化硅(SiN)材料可被制得為SixN。材料。此外，另外的材料可被制得為氮氧化硅(Six0bN。)材料類(包括一種以上的Six0bN。材料)、碳氮化硅(Si xCaNc)材料類(包括一種以上的SixCaN。材料)和/或包括氧摻雜的一種以上的碳氮化硅(SixCaN。)材料的材料類(SixCa0bN。)。其中材料類X、a、b和/或c可包括一個以上的值。在材料類的每個之中的x、a、b和/或c的統(tǒng)計分布例如可顯示為具有中心的高斯分布，該中心可取決于工藝參數(shù)(比如，溫度、壓強)、存在的材料(Si)或注入材料(C、0、N)的量。不同的材料(C、0、N)可連續(xù)一個接一個地或同時被注入至娃材料之中。如果材料被連續(xù)地注入，該材料可在部分重疊區(qū)域或完全重疊區(qū)域或在不同區(qū)域處被注入。例如，碳的注入以使SiC被形成，可在SiC區(qū)域中局部地增加結(jié)構(gòu)材料的硬度。氧的注入以使S1被形成，可在SiC區(qū)域中和相對于SiC材料使結(jié)構(gòu)局部柔化，和/或相對于Si增加硬度。
[0038]在下文中，參考了 S1-C-0-Ν復(fù)合物，當(dāng)從字面上表不化合物時，S1-C-0-Ν復(fù)合物包括硅(Si)材料、碳(C)材料、氧(0)材料和氮(N)材料。S1-C-0-Ν的表示不應(yīng)當(dāng)被限于此材料的化合物，并且被用于表示包括硅且至少包括碳材料的復(fù)合物(化合物)。該復(fù)合物可進(jìn)一步可選地包括氧材料和/或氮材料，可形成上述的化合物。