CN108473304A - 微机械构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械构件(100)，具有：带有至少一个微机械结构(23)的载体晶片(10)，该微机械结构布置在空腔(21)中；布置在所述载体晶片(10)上的薄层罩(30)，借助于该薄层罩气密地封闭所述空腔(21)；和在具有所述微机械结构(23)的所述空腔(21)的区域中布置在所述薄层罩(30)上的罩晶片(50)；其中，借助于所述罩晶片(50)气密地封闭所述薄层罩(30)在所述空腔(21)上方的区域。

Description

微机械构件
技术领域
本发明涉及一种微机械构件和一种用于制造微机械构件的方法。
背景技术
已知用于测量例如加速度、转速、磁场和压力的微机械传感器，并且针对在汽车和消费领域中的不同应用批量生产地制造。
传统的要求真空封装的微机械传感器例如惯性传感器需要气密密封的封罩。该封罩既可以实现为晶片罩也可以实现为薄膜封罩。
晶片封罩需要通常借助于金属键合连接的键合方法。这些键合连接大部分只允许低的过程温度，由此向下限界可包围的内压。此外，这种键合连接被证实为在使用寿命期间不足以防潮。
例如由US 7 041 225 B2和US 7259 436 B2已知薄层封罩。所提到的薄层封罩可以在非常高的温度下实现，由此能够包围特别低的内压。但是薄膜封罩在大气压中弯曲，以至于为了机械支撑必须集成有支撑柱，这妨碍小型化构造的传感器并且可能导致在外部压力波动时的错误信号。
发明内容
本发明的任务是，提供一种改进的具有薄层封罩的微机械构件。
根据第一方面，该任务通过以下微机械构件解决，该微机械构件具有：
-带有至少一个微机械结构的载体晶片，该微机械结构布置在空腔中；
-布置在载体晶片上的薄层罩，借助于该薄层罩气密地封闭空腔；和
-在具有微机械结构的空腔区域中布置在薄层罩上的罩晶片；其中，借助于罩晶片气密地封闭薄层罩在空腔上方的区域。
根据第二方面，该任务通过用于制造微机械构件的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-提供载体晶片；
-在载体晶片的空腔中构造微机械结构；
-将薄层罩布置在载体晶片上，其中，气密地封闭空腔；和
-将罩晶片在具有微机械结构的空腔上方布置在薄层罩上，其中，借助于罩晶片气密地封闭薄层罩在空腔上方的区域。
借助于布置在微机械结构上方的罩晶片可以有利地实现，通过薄层封罩尽可能地排除微机械构件的气压依赖性。尤其可以尽可能地避免，薄层封罩由于气压而被压入。以该方式，实现具有薄层封罩的惯性传感器，该惯性传感器对于外部的气压波动和机械应力在很大程度上不敏感。结果是，能够有利地实现紧凑的惯性传感器，因为不需要用于支撑薄层封罩的支撑结构。有利地，通过附加封罩促进惯性传感器在环境条件变化的情况下的可靠的工作方式。
所述微机械构件的优选实施方式是从属权利要求的主题。
所述微机械构件的优选实施方式的特征在于，所述罩晶片是玻璃罩晶片。由此能够有利地实现，不需要附加的电接触元件(例如线键合部)用于微机械构件的微机械结构的电接触。例如，以该方式可以实现芯片级封装。为了该目的，例如构造穿过玻璃罩晶片的电敷镀通孔，该玻璃罩晶片在上侧上具有钎焊球。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，所述罩晶片是ASIC-晶片。由此针对传感器可以有利地使用ASIC-晶片的元件用于电接触和分析处理的目的。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，在载体晶片中在微机械结构下方构造有埋入的布线平面。以该方式，可以以简单的方式提供用于微机械结构的电接触。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，在载体晶片中构造有两个微机械结构，其中，各个微机械结构分别布置在一个空腔中，其中，借助于罩晶片气密地封闭空腔上方的区域，其中，在罩晶片的空腔与载体晶片的空腔之间构造有流体通道。两个空腔的存在尤其对于惯性构件是重要的，其中，以该方式例如可以在唯一的外壳中构造有转速传感器和加速度传感器。通过在罩晶片中的两个分开的区域能够以简单的方式对于两个空腔提供不同的压力。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，在所述薄层罩中构造有经填充的绝缘沟。由此可以有利地实现彼此分离的区域，为了操控微机械结构而将不同的电位供应给所述区域。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，在经填充的绝缘沟的区域中在薄层罩上构造有金属层。借助于所述金属层可以实现，经填充的绝缘沟气密地构造并且由此可以在空腔中长时间地保持真空。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，所述微机械构件是具有至少一个传感器元件的惯性传感器。以该方式，对于惯性传感器特别有益地应用附加封罩的方案。
所述微机械构件的另一优选实施方式的特征在于，所述惯性传感器具有加速度传感器和转速传感器。有利地，借助于罩晶片所提供的具有两个分开的空腔的附加封罩能够用于在两个空腔中提供不同的压力，这两个空腔对于所提到的传感器拓扑是必需的。
附图说明
下面通过其他特征和优点参照多个附图详细描述本发明。在此，所有公开的特征与它们在权利要求中的引用关系无关地以及与它们在说明书和附图中的描述无关地形成本发明的主题。相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其被考虑用于阐明本发明的基本原理并且不一定按正确比例显示。
由相应公开的方法特征类似地得到公开的装置特征，反之亦然。这尤其意味着，以类似的方式由相应的有关用于制造微机械构件的方法的实施方案、特征和优点得到有关微机械构件的特征、技术优点和实施方案，反之亦然。在附图中示出：
图1微机械构件的实施方式；
图2微机械构件的另一实施方式；
图3微机械构件的另一实施方式；
图4微机械构件的另一实施方式；
图5微机械构件的另一实施方式，和
图6根据本发明的用于制造微机械构件的方法的实施方式的原理流程图。
具体实施方式
对于以微机械为基础的惯性传感器存在多个要求，这些要求必须都尽可能好地被满足。高度精确并且节能的微机械转速传感器能够最有利地实现为所谓的“高品质振荡器”，所述高品质振荡器代表具有大的谐振峰值的***。为了达到尽可能高的品质，微机械振荡器必须被包围在尽可能好的真空中，以便使由于包围的气体所引起的阻尼最小化。此外，封罩必须在运行持续时间期间是防潮的。此外，必须使由于构件封装所引起的热机械影响最小化，以便由此尽可能地消除传感器信号的温度漂移。
对于组合的惯性传感器(加速度传感器和转速传感器)尤其必须在同一构件中在并排放置的空腔中提供两个不同的内压。
为了达到尽可能高的真空，首先通过薄膜或薄层封罩、例如在外延反应器中在温度高于1000℃的情况下封闭微机械结构。在这种高工艺温度下在氢气氛中基本上所有在表面积聚的分子都分解并且转变为气相。在空腔封闭之后的冷却时，根据Gay-Lussac第二定律得到非常小的内压。由此产生的薄层封罩还有利地防潮。
但是由于薄层封罩的典型地小于约50μm的小的厚度，一旦构件承受标准大气压，薄层封罩可能以不利的方式强烈弯曲。构件以模塑材料的注塑包封可能导致另外的压力负载。通常，通过装入支撑柱避免薄膜罩的过度变形，但是这需要附加的表面。
因此提出，通过以下方式避免支撑措施：将附加的晶片罩放置到薄膜罩上并且在其中产生真空空穴。晶片罩以该方式屏蔽外部的压力和机械应力对薄层罩的影响。在此，晶片罩的键合区域构造在与位于该晶片罩下方的空腔的空穴壁相同的区域中。
晶片罩既可以实现为纯罩晶片，也可以实现为ASIC衬底或ASIC晶片。通过第二封罩产生以下可能性：打开经薄膜封罩的空穴中的一个空穴并且在该空穴中在罩键合过程中设定更高的内压。
图1示出所提出的呈惯性传感器形式的微机械构件100的第一实施方式的横截面视图。可以看出载体晶片10，在该载体晶片上构造具有微机械结构23(MEMS结构)的微机械功能层20。微机械结构23与真空(“真空空穴”)一起构造在空腔21内部，按照传感器类型对该真空提出不同的质量要求。具有微机械结构23的载体晶片10通过例如由多晶硅制成的薄层罩30封罩。借助于薄层罩30气密地封闭空腔21。薄层罩30优选借助于所提到的高温封闭工艺来施加，由此在空腔21中提供低的内压。在薄层罩30中可以设有以绝缘材料填充的绝缘沟31，以便使薄层罩30的区域相互电隔离，以便能够以该方式给薄层罩30的不同区域供应不同的电位。
用于与薄层罩30的所提到的区域电接触的金属层32部分地位于经填充的绝缘沟31上方。在具有微机械结构23的空腔21上方的区域中借助于键合连接部40施加罩晶片50，由此以该方式实现薄层罩30相对于环境的气密密封。以该方式，使空腔21上方的区域中的薄层罩30被保护免受气压影响和/或机械应力，由此在空腔21上方的薄层罩30不会被压入。结果是，构造在空腔21中的微机械结构23由此受到更好的保护并且由此能够更长时间地正常工作。
设有在键合框40与金属层32之间的绝缘层33，以便避免在导电的键合框40与金属层32之间的电短路。
金属层32用作为布线平面用于实现用于操控或导出载体晶片10的功能层20中的可运动的微机械结构23的传感器信号的电导体轨。附加地，金属层32也用作为用于以绝缘材料填充的绝缘沟31的气密终端，由此以该方式在空腔20中可以得到任意长时间的并且质量好的真空。
图2示出微机械构件100的另一实施方式的横截面视图。在这种情况下，罩晶片50构造为玻璃罩晶片。有利地，在玻璃罩晶片50内部设有敷镀通孔51(英文：through-glass-vias)，所述敷镀通孔与钎焊球60结合能够实现与微机械构件100的电路结构的电接触。有利地，由此相比于图1的拓扑不需要附加的外部布线费用。
图3示出所提出的微机械构件100的另一实施方式的横截面视图。在该变型方案中，微机械构件100含有埋在微机械功能层20下方的布线平面24。借助于埋入的布线平面24可以实施微机械结构23的馈电。
图4示出微机械构件100的另一实施方式的横截面视图。在这种情况下，罩晶片50构造为ASIC晶片，优选是具有在晶体管级中的分析处理电路、数字电路、存储器、接口等的CMOS-ASIC晶片。载体晶片10借助于键合连接部40与构造为ASIC晶片的罩晶片50连接。以该方式，可以有利地将分析处理或计算能力集成到微机械构件100中，这能够实现紧凑的结构形式。
有利地，通过在ASIC晶片中的敷镀通孔51(英文：through-glass-vias，TSV)和在ASIC晶片上的钎焊球60实现微机械构件100的外部电接触。
图5示出微机械构件100的另一优选实施方式的横截面视图。在这种情况下设置为，在功能层20中构造两个空腔21、21a，在所述空腔中优选分别构造微机械结构23。以该方式，可以通过微机械结构23实现不同的传感器拓扑。在此，能够有利地实现，在两个空腔21、21a中包围不同的压力。这借助于罩晶片50实现，该罩晶片能够在空腔21、21a上方实现两个彼此分开的空腔52、52a。
以该方式可能的是，首先在载体晶片10的两个空腔21、21a内部包围第一压力。接着通过蚀刻打开通过薄层罩30的流体通道53。然后以适合的第二压力将罩晶片50键合到薄层罩30上，由此通过罩晶片50的第二空腔52a中的流体通道53产生第二压力。
结果是，由此能够有利地实现，在两个空腔21、21a中包围不同的内压，由此可以实现具有两个传感器拓扑、例如呈加速度传感器和转速传感器形式的惯性传感器。对于转速传感器可以通过所述方式在第一空腔21中提供非常低的第一压力，并且对于要求限定阻尼的加速度传感器可以在第二空腔21a中提供限定更大的第二压力。
图6示出用于制造微机械构件的方法的实施方式的原理流程图。
在步骤200中，提供载体晶片10。
在步骤210中，在载体晶片20的空腔21中构造微机械结构23。
在步骤220中，将薄层罩30布置在载体晶片10上，其中，气密地封闭空腔21。
在步骤230中，将罩晶片50在具有微机械结构23的空腔21上方布置在薄层罩30上，其中，借助于罩晶片50气密地封闭薄层罩30在空腔21上方的区域。
总之，通过本发明提出一个微机械构件和一种用于制造这种构件的方法，该构件具有没有附加支撑元件的薄层罩，并由此是小结构的。与常见的具有薄层罩或晶片罩的微机械构件相比，以该方式可以实现更小的结构空间。
尽管利用具体的应用示例描述了本发明，但是专业人员也可以实现未事先公开或者只部分公开的实施方式，而不离开本发明的核心。

Claims (13)

1.微机械构件(100)，具有：
-带有至少一个微机械结构(23)的载体晶片(10)，该微机械结构布置在空腔(21)中；
-布置在所述载体晶片(10)上的薄层罩(30)，借助于该薄层罩气密地封闭所述空腔(21)；和
-在具有所述微机械结构(23)的所述空腔(21)的区域中布置在所述薄层罩(30)上的罩晶片(50)；其中，借助于所述罩晶片(50)气密地封闭所述薄层罩(30)在所述空腔(21)上方的区域。
2.根据权利要求1所述的微机械构件(100)，其特征在于，所述罩晶片(50)是玻璃罩晶片。
3.根据权利要求1所述的微机械构件(100)，其特征在于，所述罩晶片(50)是ASIC-晶片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械构件(100)，其特征在于，在所述载体晶片(10)中在所述微机械结构(23)下方构造有埋入的布线平面(24)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的微机械构件(100)，其特征在于，在所述载体晶片(10)中构造有两个微机械结构(23)，其中，各个微机械结构(23)分别布置在一个空腔(21、21a)中，其中，借助于所述罩晶片(50)气密地封闭在所述空腔(21、21a)上方的区域，其中，在所述罩晶片(50)的空腔(52a)与所述载体晶片(10)的空腔(21a)之间构造有流体通道(53)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的微机械构件(100)，其特征在于，在所述薄层罩(30)中构造有经填充的绝缘沟(31)。
7.根据权利要求6所述的微机械构件(100)，其特征在于，在所述经填充的绝缘沟(31)的区域中在所述薄层罩(30)上构造有金属层(32)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的微机械构件(100)，其特征在于，所述微机械构件(100)是具有至少一个传感器元件的惯性传感器。
9.根据权利要求8所述的微机械构件(100)，其特征在于，所述惯性传感器具有加速度传感器和转速传感器。
10.用于制造微机械构件(100)的方法，具有以下步骤：
-提供载体晶片(10)；
-在所述载体晶片(20)的空腔(21)中构造微机械结构(23)；
-将薄层罩(30)布置在所述载体晶片(10)上，其中，气密地封闭所述空腔(21)；和
-将罩晶片(50)在具有所述微机械结构(23)的所述空腔(21)上方布置在所述薄层罩(30)上，其中，借助于所述罩晶片(50)气密地封闭所述薄层罩(30)在所述空腔(21)上方的区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用玻璃罩晶片作为罩晶片(50)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，使用ASIC-晶片作为罩晶片(50)。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的微机械构件(100)的应用，用于具有至少一个传感器元件的惯性传感器。
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