技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于微机械元件的加工方法和相应的微机械元件。
背景技术
[0002] 具有大高宽比的表面微
机械加工的MENS结构通常通过厚层、例如多晶
硅层利用DRIE
腐蚀工艺（干式反应离子腐蚀）加工形成结构。但是这个过程对于具有结构元件的MEMS元件具有特殊性，它们在平面中确定并且通过
弹簧部件悬挂。由于DRIE腐蚀设备引起使结构向着
晶圆边缘不再具有对称的横截面，而是平行四边形地失真。这导致，可能从平面中产生不期望的运动矩，这可能影响功能可靠性。
[0003] 例如由于平行四边形失真必需的修正在以MEMS和ASIC设计的旋转速率
传感器中要求高度复杂性和芯片面积。这主要以所谓的
正交补偿表达。正交是通过驱动速率传感器耦入到探测里面的误差
信号。这个补偿需要提供大于10V的
电压，它们只能以高成本由ASIC提供。
[0004] 目前在许多情况下还由
多晶硅层组成功能层。在此晶粒尺寸处于侧面弹簧宽度的数量级，这导致，各个晶粒和其晶向在应
力最大值范围可能严重影响各个弹簧悬挂的机械特性。
[0005] 例如由V.Schmidt,J.V.Wittemann 和U.Goesele在Chem.Ref.2010,110，第361至388页中发表的 “Growth,Thermodynamics,and Electrical Propertles of Sillicon Nanowires”以及由K.W.Kolaslnsk,在Current Opinnion in Solid State and Matreils Science 10 (2006)，第182至191页中发表的“Catalylic Growth of Nanowire:Vapor-Liquid-Solid,Vapor-Solid-Solid,Solution-Liquid-Solid and Solid-Liquid-Solid Growth”,已知用于单晶层选择性生长的气-液-固或气-固-固工艺。
发明内容
[0006] 本发明实现一种如
权利要求1所述的用于微机械元件的加工方法和如权利要求14所述的微机械元件。
[0007] 优选的改进方案是
从属权利要求的内容。
[0008] 本发明的基本思想在于，代替减去材料在DRIE步骤中去掉事先全表面淀积的微机械功能层，材料在前级中作为启动层形成结构并且接着添加晶体并选择性地通过催化层受控地生长。因此本发明能够在整个晶圆上选择性地加工具有对称横截面的单晶MEMS结构。
[0009] 尤其通过按照本发明的方法可以在惯性传感器中加工用于微机械弹簧的对称的轮廓横截面。对于旋转速率传感器在悬挂弹簧的侧面
角中0.5°的非对称已经导致不期望的模式激励。通过保证以小于例如0.5°、理想地以小于0.1°低指示（低索引）的（niedrigindiziert）晶面误对准的启动层可以显著改善对于确定传感器的干扰模式激励。
[0010] 这导致降低正交，由此由于省去高压选择在
电路中可以使用成本有利的ASIC。通过按照本发明的方法与已知的减法的DRIE方法相比不仅可以在结构上而且在可以在距离上实现较大的高宽比。对于微机械的检测
电极也可以实现更小的缝隙距离。由于淀积单晶结构不形成
晶界，这导致相关微机械结构的严重受限的E（弹性）模量分布。按照本发明的方法与已知的单晶圆DRIE形成结构不同还能够实现在批量工艺下的淀积。
[0011] 与已知的方法相比，其基于通过DRIE淀积厚的功能层并接着使功能层形成结构，通过薄的单晶启动层形成结构并接着选择性生长得到潜在的成本优点。
[0012] 按照优选的
实施例，所述启动层由单晶材料、尤其是硅组成。这是有利的，硅工艺是良好掌握的并且是成熟的。
[0013] 按照另一优选的实施例，所述顶面与低指示的晶体面、尤其是（111）-面相比具有小于0.5°的倾斜。这已经证实对于某些传感器应用是特别有利的。
[0014] 按照另一优选的实施例，所述衬底是SOI衬底，具有第一硅层、
氧化层和启动层。这是特别有利的出发点，因为这种SOI晶圆以非常好的
质量在市场上得到。
[0015] 按照另一优选的实施例，所述顶面基本平面地延伸，并且所述侧面基本垂直于顶面延伸。这是对于许多应用有利的几何形状。
[0016] 按照另一优选的实施例，所述启动层和催化层首先相互间不形成结构地设置，并且接着通过腐蚀工艺共同形成结构。由此能够实现微少数量的工艺步骤。
[0017] 按照另一优选的实施例，所述启动层首先没有催化层地形成结构，并且接着在顶面上形成催化层并形成结构。这个备选方案也是非常成本有利的。
[0018] 按照另一优选的实施例，在侧面上在执行选择性生长工艺之前形成间隔垫。所述间隔垫负责在以后生长工艺时形成与结构一致的成像，因为它们防止例如液相由于毛细效应收缩在凸角里面。
[0019] 按照另一优选的实施例，所述催化层由元素周期表中第四至第十五主族元素中的一个元素形成。这个元素非常好地适用于VLS或VSS生长。
[0020] 按照另一优选的实施例，在侧面上在形成催化层之前形成间隔垫，在其上接着淀积催化层，其中该催化层与顶面反应并且不与间隔垫反应，并且不反应的催化层部分最终有选择地从间隔垫去除。由此所述间隔垫可以满足双重功能。
[0021] 按照另一优选的实施例，在执行有选择生长工艺时使用含硅烷的气体氛围，尤其以大于60℃的
温度。由此能够实现特别高效的生长。
[0022] 按照另一优选的实施例，所述微机械的功能层通过牺牲性腐蚀步骤下腐蚀。由此例如能够形成惯性传感器。
[0023] 按照另一优选的实施例，所述催化层在执行选择性生长工艺以后去除。当其它功能元素要在其上面的平面中形成的时候，这是适宜的。
附图说明
[0024] 下面借助于在附图中给出的实施例详细解释本发明。附图示出：图1a）-f）示意横剖面图，用于解释按照本发明第一实施例的微机械的元件和相应的加工方法；和
图2a）-f）示意横剖面图，用于解释按照本发明第二实施例的微机械的元件和相应的加工方法。
具体实施方式
[0025] 在附图中相同的附图标记表示相同或功能相同的部件。
[0026] 图1a）-f）示出示意横剖面图，用于解释按照本发明第一实施例的微机械的元件和相应的加工方法。
[0027] 在图1a）至e）中附图标记1表示SOI衬底，具有第一硅层1a、位于第一硅层1a上的氧化层1b和位于氧化层1b上的第二
单晶硅层1c。
[0028] 单晶硅层1c在本示例中由（111）晶面构成。按照图1a）在单晶硅层1c上构成催化层2，它例如具有Zn,Ag,Al,Cu,Au,Ni或Pt。
[0029] 对于硅的VLS(Vapor-Liqued-Solid)或VSS（(Vapor-Solid-Solid)生长原则上已知可以考虑周期元素表中的许多金属元素作为催化剂。
[0030] 在此一些这样的催化剂形成固态或液态的硅化物，另外形成硅晶。催化剂理想地具有下面的特性。首先，它们由于其高的硅溶解性或者说由于其对于生长的低激活能促进高的生长率。其次，它们理想地与CMOS工艺兼容，由此可以在公知的
半导体工艺中实现工艺过程。第三，它们具有低的
蒸发压力，由此催化剂不在生长期间蒸发。使用固态硅正好对应于高的结构真实性，因为由此可以与表面
应力无关地使结构处于液态硅并且加工。
[0031] 由于这些提出的要求，尤其、但是不仅仅对上述的金属Zn,Ag,Al,Cu,Au,Ni或Pt感兴趣，用于形成催化层2，但是本发明不局限于此，而是原则上对此可以使用元素周期表中第四至第十五主族的所有元素。
[0032] 在淀积催化层2在单晶硅层1c上时催化金属与位于其下面的硅反应，即，例如为了形成相应的硅化物。
[0033] 在接着的、在图1b中示出的工艺步骤中，实现催化层2与位于其下面的单晶硅层在结构部位3a至3e中共同形成结构的步骤，因此单晶的硅层形成启动层，具有以后由其通过选择性添加生长要形成的微机械功能层3’（参见图1e））的引导结构3。该结构最好利用腐蚀工艺实现，腐蚀工艺在氧化层1b上停止。
[0034] 如同由图1b）看到的那样，在腐蚀步骤以后形成结构的单晶硅层1c的顶面O通过催化层2
覆盖，而形成结构的单晶多硅层1c的结构部位3a至3e的侧面F未被催化层覆盖。
[0035] 继续参照图1c，在形成结构的单晶多硅层1c上通过位于顶面O上的催化层2淀积另一氧化层5。
[0036] 在接着的、在图1d）中示出的工艺步骤中，通过干燥腐蚀过程实现氧化层5的干燥式再腐蚀，由此在结构部位3a至3e的侧面上产生由氧化物组成的间隔垫5’。
[0037] 氧化间隔垫5’负责在以后的生长过程时形成忠实于结构的成像，因为它们防止例如液相由于毛细效应在凸角里面收缩。但是它们根据所使用的淀积工艺和材料尤其可以去掉。
[0038] 然后参照图1e），利用催化层2在反应气体氛围中在形成结构的单晶硅层1c的结构部位3a至3e的顶面O上实现选择性的生长过程，由此实现结构部位3a至3e的高度生长并且基本没有宽度生长。由此由单晶硅在氧化层1b上面和催化层2下面构成微机械功能层3’，具有结构部位3a’至3e’。
[0039] 在执行选择性生长工艺时，最好使用以高于600℃温度的含硅烷的气体氛围（例如具有二氯硅烷）。在侧面F上没有硅生长这个事实是因为，在侧面F上构成在淀积工艺与腐蚀工艺之间的
热力学平衡。
[0040] 完全与晶面对称地实现结构侧面的VLS或VSS生长。即，通过VLS或VSS方法生长的结构的顶面和相关的侧面定向于在热力学上有利的晶体表面上。因此通过VLS或VSS方法生长的结构的两个侧面角度之间的误取向以良好的近似直接通过启动层的误取向以单晶硅层1c的形式给出。
[0041] 最后参照图1f），例如利用HF气相腐蚀实现牺牲层腐蚀，用于分部位地去掉作为牺牲层的氧化层1b，由此使结构部位3a’,3b’,3c’和3d’在第一硅层1a上是活动的，而结构部位3e’通过氧化层1b的保留的部分与第一硅层1a作为锚接保持连接。这样构成的微机械的功能层3’例如是锚接的弹簧结构作为惯性传感器、尤其（旋转）速率传感器的组成部分。
[0042] 关于催化层2要指出，如同在本实施例中示出的那样，这个催化层可以选择利用离子射线腐蚀或等离子腐蚀去掉。但是也可以给出应用，在这些应用中催化层2可以保留在微机械的功能层3’上。
[0043] 图2a）-f）示出示意横剖面图，用于解释按照本发明第二实施例的微机械的元件和相应的加工方法。
[0044] 在第二实施例中与第一实施例不同，首先使单晶硅层1c在腐蚀工艺中在没有位于引导结构上面的催化层2的引导结构3的结构部位3a至3e里面形成结构，如同在图2a）中所示的那样。
[0045] 接着参照图2b），在结构部位3a至3e中形成结构的单晶硅层1c上淀积另一氧化层5。
[0046] 通过有针对性的再腐蚀氧化层5在结构部位3a至3e的侧面F上产生由氧化物组成的间隔垫5’，而顶面O保持不被间隔垫遮盖，如同在图2c）中所示的那样。
[0047] 如同还参照图2d）那样，接着在形成结构的具有间隔垫5’的单晶硅层1c上通过淀积催化金属在相应的温度下形成催化层2，其中催化层2与外露的顶面O反应，但是不与由氧化物组成的间隔垫5’或氧化层1b反应。由此在未示出的另一工艺步骤中未反应的催化层部分有选择地从间隔垫5’和氧化层1b去掉，这导致与图1b）类似的工艺状态。
[0048] 如图2e）所示，与第一实施例类似地实现选择性生长过程，用于由具有结构部位3a至3e的单晶硅层1c形成微机械的功能层3’。
[0049] 在本实施例中同样与上面的第一实施例类似地进行牺牲层腐蚀，但是在微机械的功能层3’上保留催化层2。因此催化层2或者为了减小
电阻和/或作为共晶的复
合金属层用于在微机械的功能层3’上的传感器罩。
[0050] 尽管利用优选的实施例在前面已经完全描述过本发明，但是不局限于此，而是可以通过多种方式和方法改型。
[0051] 尤其所给出的材料和结构只是示例性的并且不受此局限。
[0052] 如上所述，按照本发明的方法适合于，尤其用于在具有小于0.5°的非对称性的MEMS元件中表示在横截面中对称的结构、尤其弹簧结构。这些结构尤其在用于加工惯性传感器、尤其是旋转速率传感器的方法中使用。但是一般可以在任意的微机械功能结构上应用。
