CN108367913B - 用于制造微机械结构元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，具有以下步骤：提供MEMS晶片(20)和罩晶片(10)；在所述MEMS晶片(20)中构造微机械结构(23、24)用于至少两个传感器(S1、S2)；以所述罩晶片(10)气密地封闭所述MEMS晶片(20)；构造到第一传感器(S1)的第一空穴中的第一进入孔(12)；将限定的第一压力通过所述第一进入孔(12)引入到所述第一传感器(S1)的空穴中；封闭所述第一进入孔(12)；构造到第二传感器(S2)的第二空穴中的第二进入孔(13)；将限定的第二压力通过所述第二进入孔(13)引入到所述第二传感器(S2)的空穴中；并且封闭所述第二进入孔(13)。

Description

用于制造微机械结构元件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造微机械结构元件的方法。此外，本发明涉及一种微机械结构元件。
背景技术
用于测量例如加速度、转速、磁场和压力的微机械传感器是已知的并且针对汽车和消费领域中的不同应用以大批量生产来制造。尤其是在消费电子方面，期望结构元件的成本有利的生产和小型化。在此，尤其力求MEMS传感器集成密度的提高(即在相同的结构空间上实现更多功能性)。为了该目的，越来越多地将转速和加速度传感器布置在共同的芯片上。
在组合的转速和加速度传感器方面的挑战之一在于传感器运行应处于的不同的优选内压。理想地，转速传感器在充分的真空中、典型地在约0.1mbar至约2mbar中运行，而加速度传感器应该至少严重地被减振，并且因此应该典型地在高于约100mbar的内压中运行。在一个芯片上的转速和加速度传感器的同时运行因此导致，在密封地封装的芯片中构造具有不同内压的两个分开的空穴容积。
已知用于给两个空穴设定以不同内压的不同制造方法。适合的方法例如是在转速传感器的空穴中施加吸气剂材料，例如由US 8 546 928 B2已知。随后在高内压的情况下进行MEMS晶片与罩晶片之间的晶片键合(适用于加速度传感器)。在气密地封闭之后或在气密地封闭时，通过温度步骤使吸气剂化学地活化并且引起转速传感器的空穴中的内压剧烈减少。
其他已知的方法是所谓的再密封技术，例如由US 2010/0028618 A1已知，其中，在晶片键合(或借助于薄层封装技术封闭)之后使空穴打开，设定适合的内压并且随后再封闭空穴。在此，要么可能的是，首先在低内压的情况下封闭空穴，并且随后使加速度传感器空穴打开、以高的内压加载该加速度传感器空穴并且随后将其封闭，要么在一开始在高内压的情况下封闭之后使转速传感器空穴打开、将该转速传感器空穴抽真空并且在低内压的情况下将其封闭。所述封闭例如可以通过薄层沉积、例如氧化物或金属沉积或者也可以通过所谓的激光再密封进行，在该激光再密封中，围绕进入孔的表面附近的周围区域由于借助于激光所产生的局部热量输入而局部地熔化并且由此封闭进入孔，例如由WO 2015/120939A1已知。
其他用于包含不同内压的可行方案例如在US 2012/0326248 A1中公开。
用于加速度和转速传感器的适合内压的设定由此变得困难：一般相比于转速传感器具有明显较小的弹簧刚度并且由此也具有来自机械止挡的较小的复位力的加速度传感器需要所谓的抗粘附涂层(ASC)用于避免“粘接”或粘附摩擦(英文：stiction)。ASC典型地在晶片键合之前施加并且在硅表面上构造类似特氟隆的单层。由此可以使可运动的结构和机械止挡之间的不期望的粘结力明显减少。与此相对，在转速传感器中，ASC由于高得多的机械刚度不仅是多余的，而且在设定低的空穴压力时甚至是不利的。
典型地，在温度升高超过400℃的情况下进行标准键合方法如玻璃粉键合或(例如铝与锗之间的)共晶键合。因此，有问题的是，以这些方法封装涂覆以ASC的转速传感器，因为在此一部分ASC分子已经又从硅表面蒸发并且使空穴内压提高。
当空穴容积在使用完全扁平的罩晶片、例如具有集成分析处理电路的CMOS晶片的情况下是非常小的并且因此呈气相的ASC分子的微粒密度特别高时，那么该问题尤其可以是尖锐的。同时，加速度传感器的空穴中的ASC层的抗粘接特性可能由于在晶片键合时部分蒸发而变差。
在其他已知的封闭方法、例如外延的薄层硅罩的生长中，温度预算如此高，使得ASC在封闭之前的沉积是无意义的，因为ASC分子在高封闭温度的情况下基本上完全退化或蒸发。因此，对于硅薄层封装的情况，例如在US 7221033 B2中提出之后通过进入孔给传感器填充以ASC和之后通过不同的沉积方法封闭该进入孔。
DE 10 2014 202 801 A1公开一种用于制造微机械结构元件的方法，其中，在时间方面首先实施MEMS元件与罩元件之间的连接工艺，并且随后当不再存在连接工艺的高温时才实施用于微机械结构元件的另一加工步骤。因此，接下来的例如以在空穴中引入限定内压、处理MEMS结构的表面等形式的另外的加工步骤可以有利地在较低温度下更灵活并且成本更有利地实施。
在已知方法中也不利的是：气体如H2或轻的稀有气体、如氦气和氖气在可能在场中出现的约150℃的适当温度下可以扩散通过MEMS结构的氧化物层和其他层。所提到的气体可能在封装工艺中由于该工艺中的化学反应而产生或者由于封装工艺中的高温而从传感器晶片或罩晶片中扩散出。在加速度传感器的空穴中设定高的内压。典型地，为此使用不扩散通过氧化物的气体如N2。可能在封装工艺中产生并且扩散通过氧化物的附加的气体相比于N2总计仅占小的份额。
如果H2气体在传感器装置的使用寿命期间从加速度传感器空穴中扩散出来，那么加速度传感器空穴中的压力仅稍微改变。附加地，加速度传感器对于小的压力变化也是不敏感的。然而严重的可能是，一定份额的H2可以扩散到转速传感器空穴中，并且由于在那里存在的小的内压并且由于转速传感器对压力变化的高敏感性而可以导致转速传感器的停止运转。
发明内容
本发明的任务是提供一种改善的具有至少两个含不同内压的传感器空穴的微机械结构元件。
根据第一方面，本发明提供一种用于制造微机械结构元件的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供MEMS晶片和罩晶片；
-在MEMS晶片中构造微机械结构用于至少两个传感器；
-以罩晶片气密地封闭MEMS晶片；
-构造到第一传感器的第一空穴中的第一进入孔；
-将限定的第一压力通过第一进入孔引入到第一传感器的空穴中；
-封闭第一进入孔；
-构造到第二传感器的第二空穴中的第二进入孔；
-将限定的第二压力通过第二进入孔引入到第二传感器的空穴中；和
-封闭第二进入孔。
以该方式，有利地实现不同传感器空穴的进入孔的按顺序的、即在时间上相继实施的打开和封闭。由此简化微机械结构元件的传感器空穴中不同内压的提供。此外，以该方式能够单个地实施用于这两个传感器空穴的限定的加工步骤。
根据第二方面，所述任务通过微机械结构元件解决，该微机械结构元件具有：
-MEMS晶片；和
-罩晶片；
-其中，MEMS晶片和罩晶片借助于键合连接部连接，其中，至少两个传感器构造有不同内压；
-其中，通过进入孔分别将不同的压力构造到这两个传感器的空穴中；
-其中，到传感器的空穴中的进入孔相继打开和封闭。
所述方法的优选实施方式在下文中说明。
所述方法的有利扩展方案设置为，在MEMS晶片与罩晶片连接之后从第二传感器的空穴中除去含H2的气体，并且将限定的气体注入到第二传感器的空穴中。以该方式有利地促进：由于在键合过程中存在的温度(约450℃)而产生的含H2的气体被除去。由此，所述气体不能从第二传感器(加速度传感器)的空穴扩散到第一传感器(转速传感器)的空穴中并且在那里提高压力，由此改善了整个传感器的效率。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，在将氢气从第二传感器的空穴中除去之后，将氧气和/或臭氧和/或限定的等离子体注入到第二传感器的空穴中。由此提供用于对传感器空穴进行温度处理的不同加工步骤，通过所述加工步骤可以限定地加工第二传感器的传感器空穴。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，在注入多个介质的情况下实施各个介质的按顺序的注入。由此能够实现第二传感器的空穴在多个加工步骤中的限定加工。
所述方法的另一有利的扩展方案的特征在于，将抗粘接层注入到第二传感器的空穴中。以该方式能够有利地实现：敏感的微机械结构不彼此粘附或相互粘接。
所述方法的有利的扩展方案设置为，借助于晶片键合方法或借助于薄层罩实施MEMS晶片以罩晶片的封闭。由此能够有利地实现用于所述制造方法的不同封闭技术。
所述方法的另一有利的构造方案设置为，借助于激光实施所述进入孔中的至少一个进入孔的构造。由此能够有利地实现进入孔的有效率的、快速的并且成本有利的打开。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，借助于沟槽工艺实施所述进入孔中的至少一个进入孔的构造。以该方式有利地提供用于建立进入孔的替代方法。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，借助于激光实施所述进入孔中的至少一个进入孔的封闭。由此促进进入孔的有效率的、成本有利的并且快速的封闭。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，借助于沉积工艺实施所述进入孔中的至少一个进入孔的封闭。以该方式提供了用于进入孔的替代的封闭方法。
所述方法的其他有利的改进方案设置为，所述进入孔中的至少一个进入孔在MEMS晶片中或在罩晶片中构造。以该方式促进用于微机械结构元件的多种制造可行方案。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，ASIC晶片被用作为罩晶片。以该方式可以将存在于ASIC晶片中的、用于处理传感器信号的电子电路基础结构转移到微机械结构元件中。此外，由此促进空穴的紧凑性，由此能够实现微机械结构元件的紧凑的结构形式。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，在MEMS晶片中构造有用于第三传感器的结构。以该方式，所述方法适用于不同数量的传感器，由此可以实现大量不同的传感器拓扑。
附图说明
下面根据多个附图详细地描述本发明连同其他特征和优点。在此，所有公开的特征与它们在专利权利要求中的引用关系无关地以及与它们在说明书中和在附图中的显示无关地形成本发明的主题。相同的或功能相同的结构元件具有相同的参考标记。附图尤其被考虑用于阐明对于本发明重要的原理，并且不一定按正确比例示出。
在附图中示出：
图1：微机械结构元件的传统的借助于激光封闭的空穴；
图2-8：所提出的用于制造微机械结构元件的方法的方法步骤的结果；
图9：具有进入孔的替代构型的微机械结构元件的横截面视图；
图10：通过所提出的方法制造的具有替代形式的罩晶片的微机械结构元件；和
图11：所提出的方法的实施方式的原理性流程。
具体实施方式
图1以横截面视图示出用于具有空穴的微机械结构元件的已知布置，其中，空穴的封闭方法通过激光再密封工艺实施。可看出MEMS晶片20，该MEMS晶片通过键合连接部30与罩晶片10连接。在MEMS晶片20上构造有部分可运动的微机械结构24，由此形成微机械传感器、例如惯性传感器。在微机械结构24的表面上和在空穴的内部空间中施覆有抗粘接层40(英文：anti stiction coating，ASC)，该抗粘接层具有使结构24不彼此粘附的功能。到罩晶片10中的进入孔12事后以激光70通过衬底材料的上面描述的局部熔化来封闭。
优选地，第一传感器是转速传感器，并且第二传感器是加速度传感器。以该方式可以有利地实现尤其用于机动车领域或消费电子领域的紧凑的惯性传感器。
图2至9根据横截面视图原理性示出所提出的用于制造微机械结构元件100的方法的流程。
首先进行罩晶片10和MEMS晶片20的提供，其中，在MEMS晶片20中优选构造表面微机械地制造的结构23、24。由此形成第一传感器S1和第二传感器S2，其中，第一传感器S1可以构造为转速传感器，并且第二传感器S2可以构造为加速度传感器。
分别在罩晶片10上和在衬底晶片或MEMS晶片20上看出例如呈铝和锗的形式的键合匹配件11、21。在MEMS晶片20上还可以看出优选构造为氧化物材料的隔离层22。
图3示出微机械结构元件100的横截面视图，其中，MEMS晶片20和罩晶片10通过键合连接部30相互连接。可看出，微机械结构元件100包括分别具有一个传感器空穴的两个不同的传感器S1和S2。在此，第一传感器S1具有部分可运动的微机械结构23，并且第二传感器S2具有部分可运动的微机械结构24。
替代地，MEMS晶片20的封闭也可以借助于薄层封装进行(未示出)。
在图4的微机械结构元件100的横截面视图中可看出，第一进入孔12构造到罩晶片10中。优选地，这借助于凭借激光70进行的激光钻孔来发生，替代地通过沟槽工艺来发生。然后对第一传感器S1的空穴抽真空。
在图5中可看出，第一进入孔12优选借助于激光70被封闭(英文：laserreseal，激光再密封)。替代地，为此也可以使用层沉积方法。传感器S1和S2的空穴的打开和封闭的顺序原则上是可交换的。出于成本原因，借助于激光70的打开相对于沟槽是优选的工艺变型方案。同样地，出于成本原因，进入孔12、13借助于激光70的封闭相对于其他封闭方法是优选的工艺变型方案。在对加速度传感器进行激光封闭时特别有利地，可以非常灵活地设定空穴中的气体类型和压力。这在使用层沉积方法的情况下根据所使用的方法(例如在以氧化物封闭时)仅在有限条件下是可行的。
在图6的微机械结构元件100的横截面视图中可看出，第二进入孔13优选通过激光钻孔、替代地通过沟槽构造到第二传感器S2的空穴中。
现在，在第二传感器S2的空穴中除去含H2的气体，并且该空穴被填充以适合的压力和适合的介质或气体。在所提到的置换第二传感器S2的空穴中的气体之后可以有利的是，对具有通向第二传感器S2的空穴的打开的进入通道的微机械结构元件100进行一定时间温度处理。在此，这可以有利地在这样的气体气氛下进行，以该气体气氛有意识地加速轻的气体的运出或扩散出，或者该气体气氛与扩散出的气体反应。
有利地，为了这个目的例如使用氧气或臭氧。除了纯气体以外，也可以借助于等离子体处理使用原子团或离子。此外有利的是，所提到的介质一部分可以穿入到MEMS元件的表面中，以便在那里与氢气反应，或者所提到的介质可以吸附在表面上并且可以在那里减小在固体中溶解的氢气的逸出能量。显然也可以使用所提到的处理步骤的任意组合，以便有效率地排出有害的含H2的气体。
通过加速度传感器空穴中的气体与“无害”气体的所描述的、有针对性的置换可以不再引起轻的气体、如H2从一个空穴至另一个空穴的扩散。以该方式可以避免转速传感器在使用寿命期间的停止运转。
在图7的微机械结构元件100的横截面视图中可看出，通过第二进入孔13将抗粘接层40引入到第二传感器S2的空穴中，该抗粘接层被施加到空穴的表面上、尤其被施加到结构24上。在封闭第二进入孔13之前，在第二传感器S2的空穴中也设定适合的内压。
最终，由此紧接着键合工艺将抗粘接层引入到传感器空穴中的一个传感器空穴中，由此使抗粘接层的材料特性在键合工艺之后也在很大程度上得到保留。由此，有利地不需要将抗粘接层从其不期望处于的部位费事地移除。
以该方式，有利地还在没有抗粘接层的情况下进行晶片键合。已知的是，在键合框架上的ASC分子可以强烈不利地影响例如在共晶的AlGe键合中的键合性能。因此，传统上必须借助于特定的清洁或加热步骤选择性地将键合框架上的ASC层从键合框架移除。有利地，以所提出方法省去了该必要性，由此相对于具有ASC沉积的情况可以在晶片键合之前改善键合粘附。加速度传感器的抗粘接层不会由于封闭方法的高温步骤(例如晶片键合)而退化，因为所述抗粘接层之后才被施加。因此，抗粘接层的抗粘接特性有利地完全得到保留。
从图8的微机械结构元件100的横截面视图中可看出，第二传感器S2的空穴通过第二进入孔13又被封闭，优选通过借助于激光70所实现的激光封闭。替代地，为了封闭也可以使用层沉积方法(未示出)。
最终，图8的配置代表微机械结构元件100，该微机械结构元件具有两个含不同内压的分开的空穴，其中，在所述空穴的一个空穴中布置有抗粘接层40。
有利地，以所描述的方法也可行的是，构造通向微机械结构元件的第三传感器的空穴和可能的其他传感器的进入部，并且在限定的压力下封闭该进入部(未示出)。
图9的横截面视图示出微机械结构元件100的替代的实施方式。可看出，在该变型方案中，进入孔12、13从下方导向穿过MEMS晶片20的衬底。有利地，这产生了传感器空穴的替代的打开或封闭的可行方案。
优选地，所有前面所提到的打开和封闭步骤借助于激光加工实施，因为与此相关联的工艺步骤是非常快速的并且由此是成本有利的。
图10示出微机械结构元件100的另一实施方式的横截面视图。在该变型方案中，替代罩晶片10使用ASIC晶片50，由此有利地提供用于封闭MEMS晶片20的替代的可行方案。ASIC晶片50优选构造为具有呈分析处理电路、数字电路、存储器、接口等形式的、在晶体管级中的电子电路结构52的CMOS-ASIC晶片。以该方式，促进了微机械结构元件100的紧凑的结构形式。在这种情况下，本发明是特别有利的，因为ASIC晶片50不能够实现深的罩空穴的构造并且由此仅能够实现小的空穴容积。可看出电覆镀通孔51(英文，through-silicon-vias，TSV)，通过该电覆镀通孔可以在ASIC晶片50内部建立与电路结构52的电接触。
图11示出所提出的方法的流程的原理性流程图。
在步骤200中，提供MEMS晶片20和罩晶片10。
在步骤210中，在MEMS晶片20中构造微机械结构23、24用于至少两个传感器S1、S2。
在步骤220中，以罩晶片10气密地封闭MEMS晶片20。
在步骤230中，构造到第一传感器S1的第一空穴中的第一进入孔12。
在步骤240中，进行限定的第一压力通过第一进入孔12到第一传感器S1的空穴中的引入。
在步骤250中，进行第一进入孔12的封闭。
在步骤260中，构造到第二传感器S2的第二空穴中的第二进入孔13。
在步骤270中，进行限定的第二压力通过第二进入孔13到第二传感器S2的空穴中的引入。
在步骤280中，封闭第二进入孔13。
有利地，传感器S1和S2的空穴的打开和封闭的顺序可自由选择。
有利地，在所提出的方法中，MEMS晶片与罩晶片的晶片键合或密封的封闭可以在任意内压的情况下进行，因为反正两个空穴之后又被打开并且在内压方面被调整。这是有利的，以便在晶片键合时提供特别均匀的温度分布。
因此，转速传感器的内压最终可以不受ASC分子的不利影响，并且因此可以设定得非常低。
在以激光封闭时，加速度传感器空穴中的气体类型和内压可以灵活地选择并且可以适配于相应的应用要求。
总结而言，通过本发明提出一种用于制造具有两个含不同内压的空穴的MEMS结构元件的方法，在所述方法中，可以以限定的第一内压封闭第一传感器的第一空穴，并且在所述方法中，可以以限定的第二内压封闭第二传感器的第二空穴。这两个空穴的两个进入孔的封闭按顺序进行，从而由此有利地促进：能够实现这两个传感器的空穴的限定的加工。
虽然之前根据具体的应用示例描述本发明，但是本领域专业人员也可以实现本发明的之前未公开的或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (13)

1.用于制造微机械结构元件(100)的方法，具有以下步骤：
-提供MEMS晶片(20)和罩晶片(10)；
-在所述MEMS晶片(20)中构造微机械结构(23、24)用于至少两个传感器(S1、S2)；
-以所述罩晶片(10)气密地封闭所述MEMS晶片(20)；
-构造到第一传感器(S1)的第一空穴中的第一进入孔(12)；
-将限定的第一压力通过所述第一进入孔(12)引入到所述第一传感器(S1)的所述空穴中；
-封闭所述第一进入孔(12)；
-构造到第二传感器(S2)的第二空穴中的第二进入孔(13)；
-将限定的第二压力通过所述第二进入孔(13)引入到所述第二传感器(S2)的所述空穴中；并且
-封闭所述第二进入孔(13)，
其特征在于，在所述MEMS晶片(20)与所述罩晶片(10)连接之后从所述第二传感器(S2)的空穴中除去含H2的气体，并且将限定的气体注入到所述第二传感器(S2)的空穴中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将氢气从所述第二传感器(S2)的空穴中除去之后，将氧气和/或臭氧和/或限定的等离子体注入到所述第二传感器(S2)的空穴中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在注入多个介质的情况下实施各个介质的按顺序的注入。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，将抗粘接层注入到所述第二传感器(S2)的空穴中。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于晶片键合方法或借助于薄层罩实施所述MEMS晶片(20)的以所述罩晶片(10)进行的封闭。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于激光实施所述进入孔(12、13)中的至少一个进入孔的构造。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于沟槽工艺实施所述进入孔(12、13)中的至少一个进入孔的构造。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于激光实施所述进入孔(12、13)中的至少一个进入孔的封闭。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于沉积工艺实施所述进入孔(12、13)中的至少一个进入孔的封闭。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述进入孔(12、13)中的至少一个进入孔在所述MEMS晶片(20)中或在所述罩晶片(10)中构造。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，ASIC晶片被用作为罩晶片(10)。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在所述MEMS晶片(20)中构造有用于第三传感器的结构。
13.微机械结构元件(100)，具有：
-MEMS晶片(20)；和
-罩晶片(10)；
-其中，所述MEMS晶片(20)和所述罩晶片(10)借助于键合连接部(30)连接，其中，至少两个传感器(S1、S2)构造有不同内压；
-其中，通过进入孔(12、13)分别将不同的压力构造到这两个传感器(S1、S2)的空穴中；
-其中，到所述传感器(S1、S2)的空穴中的进入孔(12、13)相继打开和封闭，
其特征在于，在所述MEMS晶片(20)与所述罩晶片(10)连接之后从第二传感器(S2)的空穴中取出氢气并且将限定的气体注入。
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