DE10055081A1 - Mikrostrukturbauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Mikrostrukturbauelement, insbesondere ein verkapptes mikromechanisches Sensorelement vorgeschlagen, wobei mindestens eine, insbesondere aus einer Siliziumschicht (14) herausstrukturierte Mikrostruktur (18) mit einem Glaskörper (51) verkappt ist. Weiter ist vorgesehen, dass zumindest der die Mikrostruktur (18) überdeckende Bereich des Glaskörpers (51) auf seiner der Mikrostruktur (18) zugewandten Seite mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (50) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrostrukturbauelement, insbesondere ein verkapptes mikromechanisches Sensorelement, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Aus US 5,756,901 ist ein in Oberflächenmikromechanik herge­ stellter Beschleunigungssensor und ein Schichtsystem zur Herstellung eines solchen Sensors bekannt, der zum Schutz vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutzparti­ keln sowie auch zur Aufrechterhaltung eines Vakuums mit ei­ ner Kappe versehen ist. Weiter ist auch aus DE 195 37 814 A1 ein Sensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem aus einer Siliziumschicht ein bewegliches Sensorele­ ment mit Hilfe oberflächenmikromechanischer Verfahren her­ ausstrukturiert worden ist.

Ein bekanntes, beispielsweise in DE 195 37 814 A1 beschrie­ benes Verfahren zu Verkappung von Sensorelementen ist das sogenannte "Bonden" von Siliziumkappen durch eine Seal-Glas- Lotverbindung, was jedoch aufgrund des Fließverhaltens des Lots große Flächenvorhalte erfordert. Alternative, platzspa­ rendere Verfahren ohne Flächenvorhalte beruhen auf einem so­ genannten "anodischen Bondprozess" wobei Pyrex-Glas oder ein ähnliches Glas mit einer Siliziumschicht verbunden wird, in­ dem eine elektrische Spannung von 1000 V oder mehr bei einer Temperatur von beispielsweise 400°C angelegt wird, so dass durch eine Ladungstrennung im Glas (Na⁺-Ionen bzw. O²-Ionen) nach einer zunächst reversiblen Adhäsionsphase eine hochfe­ ste Verbindung zwischen Pyrex und Silizium entsteht.

Im Einzelnen ist es bei einem derartigen anodischen Bonden einer Kappe bzw. einer Platte aus Pyrex-Glas über oberflächenmikrome­ chanischen Sensorstrukturen üblich, diese zunächst so vor­ zustrukturieren, dass sie im Bereich der Sensorstrukturen eine Ausnehmung aufweist, und sie anschließend mit dem Silizium, aus dem die Sensorstrukturen herausstrukturiert worden sind, herme­ tisch dicht zu verbinden. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass durch die hohe angelegte elektrische Spannung die freitra­ genden bzw. beweglichen Sensorstrukturen elektrostatisch ausge­ lenkt werden, und teilweise mit der Glasplatte verkleben. Diese Gefahr wird weiter dadurch verstärkt, dass Pyrex-Glas gute Adhä­ sionseigenschaften gegenüber Silizium zeigt und auf seiner Ober­ fläche elektrische Ladungen speichert, die auch ohne äußere Ein­ wirkung Kräfte auf die Sensorstrukturen ausüben und damit deren Funktion beeinträchtigen. Im Übrigen sind für einen häufig ge­ wünschten Vorderseitenkontakt der Sensorstrukturen Durch­ gangsöffnungen in der Kappe vorzusehen.

Wird andererseits die Ausnehmung so stark vertieft, dass die elektrostatische Anziehung auf ein tragbares Maß reduziert ist, so kann eine solche Kappe nicht mehr gleichzeitig als oberer An­ schlag zum Schutz der erzeugten mikromechanischen Strukturen dienen, d. h. diese werden im Überlastfall, beispielsweise bei mechanischen Schocks bei Beschleunigungssensorstrukturen, nach oben unbehindert soweit ausgelenkt, bis sie zerstört sind. Im Übrigen ist eine Strukturierung von Pyrex-Glas problematisch, wenn Ätztiefen von einigen 10 µm erforderlich sind.

Nachteilig beim Verkappen durch anodisches Bonden von Pyrex-Glas auf Silizium ist weiter, dass dabei aus offenen Glasflächen Sau­ erstoff freigesetzt wird, so dass in der Praxis niedrigste Drüc­ ke von ca. 100 mbar unter solchen Kappen einschließbar sind, was bei in Oberflächenmikromechanik hergestellten Drehratensensoren bei Weitem nicht ausreichend ist, die im Allgemeinen Ar­ beitsdrücke um 1 mbar benötigen. Zur Überwindung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen, Gettermaterialien einzusetzen, die Sauerstoff in der von der Kappe gebildeten Kaverne binden. Die­ ses Vorgehen ist jedoch teuer und prozesstechnisch aufwendig.

Schließlich ist beim Verkappen von Mikrostrukturbauelementen be­ kannt, einen Siliziumwafer als Kappenwafer einzusetzen, der oberflächlich mit einer Glasschicht, beispielsweise einer Pyrex- Glasschicht, versehen ist. Diese wird dann auf eine gewünschte Dicke abgeschliffen, poliert und schließlich mit einer Struktu­ rierung in Form einer Kaverne als Kappe für das Sensorelement versehen. Insgesamt wird damit einerseits der Austritt von Sau­ erstoff in das Kaverneninnere reduziert, und andererseits kann der die eigentliche Kappe bildende, elektrisch leitende Silizi­ umwafer, wenn auch verfahrenstechnisch aufwendig, elektrisch kontaktiert werden, was der Gefahr elektrostatischer Aufladung vorbeugt. Auch in dieser Ausführungsform ist aber die Gefahr des elektrostatischen Kollaps und eines Verklebens der verkappten mikrostrukturierten Sensorelemente mit der Pyrex-Glasschicht oder einem freiliegenden Siliziumbereich am Boden der Kaverne in der Pyrex-Glasschicht weiterhin gegeben. Zudem kann auch in diesem Fall die Kappe vielfach nicht als Anschlag zur Begrenzung einer vertikalen Auslenkung der verkappten Mikrostrukturen im Überlastfall dienen, da infolge relativ hoher Toleranzen beim Schleifen und Polieren, die Dicke der Pyrex-Glasschicht, die den Abstand des Kavernenbodens von Mikrostruktur bestimmt, zu groß ist, um die Auslenkung wirksam zu begrenzen, oder andererseits zu klein ist, um beim anodischen Bonden einen elektrostatischen Kollaps ausschließen zu können. Zudem stellt das Zurückschleifen der Pyrex-Schicht mit hoher Präzision einen erheblichen Kosten­ faktor dar, wobei man stets mit Restdickentoleranz von +/-5 µm rechnen muss. Insofern muss die Restdicke dieser Schicht auf mindestens 20 µm ausgelegt sein, was sie als Anschlag wirkungs­ los macht. Überdies ist die Strukturierung von ca. 20 µm dicken Pyrex-Glasschichten durch Plasmen oder Flusssäurelösungen auf­ wendig und zeitintensiv.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikrostrukturbauelement hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit eine sichere, herme­ tisch dichte und zuverlässige Verkappung von insbesondere in Oberflächenmikromechanik hergestellten Sensorelementen gegeben ist, ohne dass die Gefahr eines elektrostatischen Kollaps durch übermäßige Auslenkung in Richtung auf den Glaskörper besteht. Insofern kann eine bei der Verbindung von Glaskörper mit bei­ spielsweise einer Siliziumschicht angelegte elektrische Spannung frei gewählt werden, ohne Rücksicht auf die Mikrostrukturen neh­ men zu müssen, da diese erfindungsgemäß allseitig vor uner­ wünschten elektrischen Feldern abgeschirmt sind.

Daneben ist auch eine elektrostatische Aufladung der Kappenin­ nenseite während des Betriebs des Mikrostrukturbauelementes aus­ geschlossen, und es ist vorteilhaft möglich, das Kappeninnere auf ein definiertes Potential zu legen bzw. die elektrisch leit­ fähige Beschichtung im Kappeninneren von außen ohne wesentlichen Aufwand elektrisch zu kontaktieren.

Weiter ist vorteilhaft, dass ein Austritt von Sauerstoff aus dem Glaskörper auf seiner den Mikrostrukturen zugewandten Seite durch die Beschichtung verhindert wird, und dass auch ein hoch­ präziser Schleifprozess oder eine tiefe Strukturierung des Glas­ körpers entfallen kann. Zudem kann der Glaskörper nun ohne Zu­ satzkosten gleichzeitig die Funktion eines vertikalen Anschlags zur Begrenzung der vertikalen Auslenkung der Mikrostrukturen im Überlastfall übernehmen, d. h. es wird eine Verkappung erzielt, die die Vorteile der anodischen Bondtechnik mit einer Anschlags­ funktion verbindet, und die einen relevanten Sauerstoffaustritt aus dem Glaskörper ausschließt. Die aufgebrachte elektrisch leitfähige Beschichtung wirkt somit sehr vorteilhaft auch als Versiegelung und als Diffusionssperre für Sauerstoffionen, so dass auch niedrige Drücke von beispielsweise 1 mbar, wie sie für Drehratensensoren erforderlich sind, ohne zusätzliche Maßnahmen wie das erläuterte Einbringen von Gettermaterialien über lange Zeiten in dem verkappten Mikrostrukturbauelement aufrecht erhal­ ten werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft, wenn auch die der Mikrostruktur abgewandte Seite des Glaskörpers, d. h. die Außenseite der Kappe, eine elek­ trisch leitfähige Schicht aufweist, da sich dann die beim Bonden angelegte elektrische Spannung homogen über die gesamte Oberflä­ che des Glaskörpers verteilt. Zudem erlaubt diese Schicht bei späteren Rückseiten-Strukturierungsprozessen der Silizium­ schicht, aus der die jeweiligen Mikrostrukturen bevorzugt her­ ausstrukturiert sind, ein elektrostatisches Halten des Silizium­ wafers in einer Plasma-Ätzanlage. Überdies ist vorteilhaft, dass diese Schicht auch erst in einem späteren Prozessstadium, bei­ spielsweise unmittelbar vor der Durchführung einer Rückseitenät­ zung, aufgebracht werden kann.

Weiter ist vorteilhaft, dass bei dem Verbinden des Glaskörpers mit der Siliziumschicht, das bei erhöhten Temperatur von bei­ spielsweise 400°C erfolgt, zumindest partiell eine Legierung zwischen der auf der Innenseite der Kappe bzw. des Glaskörpers aufgebrachten Beschichtung aus Metall und dem Silizium gebildet wird, was zu einem besonders guten ohmschen Kontakt mit niedri­ gem Übergangswiderstand zwischen der Metallbeschichtung und dem Silizium in den Randbereichen führt. Auf diese Weise werden zu­ dem die eingeschlossenen Mikrostrukturen weiter gegen elektri­ sche Felder und Ladungen abgeschirmt.

Im Fall einer Metallschicht als elektrisch leitfähige Beschich­ tung ist vorteilhaft, dass diese geringe Adhäsionskräfte auf Si­ lizium ausübt und damit eine geringe Klebeneigung zeigt. Zudem können dadurch, dass diese Metallschicht elektrisch an das Sili­ ziumsubstrat angebunden bzw. über eine separate Kontaktfläche von außen zugänglich ist, Spannungsdifferenzen zwischen den Mi­ krostrukturen und der Kappenunterseite, d. h. der Metallschicht, wirksam unterdrückt oder für spezielle Anwendungen definiert eingestellt werden. Eine solche Spannungsunterdrückung kann vor­ teilhaft dadurch erfolgen, dass die Metallbeschichtung des Glas­ körpers auf dessen Innenseite dynamisch mit dem Potential der Mikrostrukturen mitgeführt wird.

Sofern zunächst eine Kaverne in dem Glaskörper oberhalb des von den Mikrostrukturen eingenommenen Bereiches erzeugt und an­ schließend die elektrisch leitfähige Beschichtung, beispielswei­ se in Form einer Metallschicht, auf den Glaskörper und die In­ nenseiten der Kaverne aufgebracht worden ist, ergibt sich die Möglichkeit, anstelle eines Fotoprozesses und eines anschließen­ den Ätzens zur Strukturierung der Metallbeschichtung den bei­ spielsweise als Pyrex-Glasplatte vorliegenden Glaskörper einfach abzupolieren, und ihn damit flächig von überstehendem Metall zu befreien. Dadurch entsteht vorteilhaft in dem Rand- oder Kanten­ bereich der Kaverne ein planarer Übergang von Glas auf Metall.

In diesem Fall ist zudem vorteilhaft, wenn die Metallschicht deutlich dicker, beispielsweise 0,5 µm bis 5 µm dick ausgeführt ist, da dies in dem Randbereich, d. h. dem durch das Polieren er­ zeugten planaren Übergang, zu einem größeren und verbesserten Überlapp von Metall und Silizium führt. In diesem Überlapp ent­ steht dann bei dem nachfolgenden anodischen Bonden zumindest punktuell eine Metall-Silizium-Legierung, was einen besonders guten elektrischen Kontakt der Metallschicht mit der Silizium­ schicht gewährleistet. Diese Vorgehensweise hat zudem den Vor­ teil, dass auf der Glasschicht keine das Bonden beeinträchtigen­ den Topografieunterschiede auftreten. Zudem führt die dickere Metallschicht zu einer weiter verbesserten elektrischen Abschir­ mung und Diffusionssperrwirkung.

In dem Fall, dass der Glaskörper als dünne Glasschicht ausge­ führt ist, die auf ihrer der Mikrostruktur abgewandten Seite mit einem Tragkörper, vorzugsweise einer Siliziumschicht oder einem Siliziumwafer, verbunden ist, wird eine verbesserte Anpassung von Glaskörper und der Siliziumschicht hinsichtlich auftretender mechanischer Spannungen erreicht, da der mechanische Einfluss der Glasschicht aufgrund ihrer gegenüber einer freien Glasplatte deutlich reduzierten Dicke abnimmt.

Weiter ist in diesem Fall auch das Vereinzeln der Mikrostruktur­ bauelemente auf einem Wafer nach der Herstellung vereinfacht, da dies nunmehr durch Durchsägen des kompletten Schichtaufbaus in einem einzigen Sägeschritt erfolgen kann. Demgegenüber sind bei Verwendung einer dickeren Glasplatte ohne Tragkörper zwei Säge­ schritte, einer für die Glasplatte und einer für das Substrat, d. h. den Siliziumwafer, erforderlich.

Im Übrigen sorgt der Tragkörper in Form eines Siliziumwafers für eine gegenüber einer Glasplatte homogenere Aufbringung der beim Bonden angelegten elektrischen Spannung, d. h. auf die bereits erläuterte zusätzliche Leitschicht auf der Außenseite der Kappe kann verzichtet werden. Schließlich ist in diesem Fall vorteil­ haft, dass nur geringe Anforderungen an die Genauigkeit der Restschichtdicke nach einem Schleif- und Polierprozess gestellt werden müssen, was diesen relativ kostengünstig macht.

Insgesamt erkauft man sich somit den Vorteil des einfacheren und kostengünstigeren Sägeprozesses durch eine etwas aufwendigere Prozessierung der Glasschicht und des damit verbundenen Tragkör­ pers.

Zusammenfassend hat das Mikrostrukturbauelement den Vorteil, dass zu seiner Herstellung lediglich relativ einfache, leicht beherrschbare Strukturierungsprozesse erforderlich sind, und dass gleichzeitig eine erhebliche Reduktion des Verbrauchs an Chipfläche beim Verkappen erreicht wird. Weiter ist es zur Strukturierung des Glaskörpers mit einer Kaverne lediglich er­ forderlich, den Glaskörper einige µm tief zu ätzen, wozu auch Lackmasken einsetzbar sind.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 3 Ver­ fahrensschritte beim Verkappen eines Mikrostrukturbauelementes im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels im Schnitt, die Fig. 4 bis 6 analoge Verfahrensschritte eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels, die Fig. 7 bis 9 analoge Verfahrensschritte eines dritten Ausführungsbeispiels, Fig. 10 einen zu Fig. 4 oder Fig. 7 analogen Verfahrensschritt eines fünften und Fig. 11 einen entsprechenden Verfahrensschritt eines sechsten Ausfüh­ rungsbeispiels.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 bis 3 erläutern ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrostrukturbauelementes. Fig. 1 zeigt zunächst ei­ nen Siliziumwafer als Substrat 10 im Schnitt, auf dem in be­ kannter Weise eine untere Isolationsschicht 11 aus einem Oxid bzw. Isolationsoxid aufgebracht worden ist. Auf der un­ teren Isolationsschicht 11 befindet sich weiter eine an sich bekannte Leitstruktur 12, die beispielsweise aus vergrabenem Polysilizium besteht. Auf der vergrabenen Leitstruktur 12 bzw. der unteren Isolationsschicht 11 ist dann analog der unteren Isolationsschicht 11 eine obere Isolationsschicht 13 aus einem Oxid bzw. einem Isolationsoxid abgeschieden, auf der wiederum eine Siliziumschicht 14 aus Polysilizium mit einer Dicke von 10 µm bis 100 µm abgeschieden ist. Das Sub­ strat 10, die Leitstruktur 12 und die Siliziumschicht 14 sind vom gleichen Dotierungstyp, d. h. p-dotiert oder bevor­ zugt n-dotiert.

Aus der Siliziumschicht 14 sind weiter in bekannter Weise durch geeignete Maskierungen und Ätztechniken zumindest weitgehend freitragende Mikrostrukturen 18 herausstruktu­ riert worden, die über Gräben 19 voneinander getrennt sind. Insofern ist die Siliziumschicht 14 der "Bondrahmen" für die Mikrostrukturen 18. Weiter ist mindestens eine Mikrokontak­ tierungsstruktur 27 als Teil des Mikrostrukturbauelementes vorgesehen, die mit der Leitstruktur 12 elektrisch leitend verbunden ist, und über die die einzelnen Mikrostrukturen 18 elektrisch ansteuerbar sind. Unterhalb der Mikrostrukturen 18 ist eine erste Ausnehmung 24 vorgesehen, so dass die Mi­ krostrukturen 18 weitgehend freitragend in der Silizium­ schicht 14 aufgehängt sind. Im Übrigen ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen 18 und die Mikrokontaktierungsstruktur 27 gegenüber der Siliziumschicht 14 in bekannter Weise rück­ gesetzt bzw. "versenkt" sind, so dass oberhalb von diesen eine zweite Ausnehmung 23 entsteht, die eine Tiefe von bei­ spielsweise 5 µm bis 10 µm aufweist. Die einzelnen Verfah­ rensschritte zum Erzeugen des Mikrostrukturbauelementes ge­ mäß Fig. 1 sind, abgesehen von der nachfolgend erläuterten Verkappung, an sich aus der Herstellung von Beschleunigungs­ sensoren bekannt. Insbesondere ist das Herstellen "versenk­ ter" Struktuten in Oberflächenmikromechänik aus der Anmel­ dung DE 199 40 512.3 bekannt.

Die Fig. 1 zeigt weiter eine Glasschicht 51, die in Form einer Pyrex-Glasplatte von beispielsweise 0,5 mm Dicke aus­ gebildet ist. Auf dieser Glasschicht 51 ist dann auf der den Mikrostrukturen 18 zugewandten Seite eine dünne Beschichtung 50 in Form einer Metallschicht aufgebracht und so struktu­ riert, dass sie den Bereich der zweiten Ausnehmung 23, d. h. insbesondere den von den Mikrostrukturen 18 und der Mikro­ kontaktierungsstruktur 27 eingenommenen Bereich, überdeckt und gleichzeitig umlaufend über die von der zweiten Ausneh­ mung 23 in Draufsicht eingenommene Fläche hinausgeht.

Schließlich ist vorgesehen, dass die Glasschicht 51 auf ih­ rer den Mikrostrukturen 18 abgewandten Seite ganzflächig mit einer Leitschicht 52, beispielsweise mit einer Metall­ schicht, versehen ist. Diese Leitschicht 52 ist, wie bereits erläutert, teilweise vorteilhaft bei der weiteren Herstel­ lung des Mikrostrukturbauelementes, jedoch nicht zwingend.

Die Fig. 2 erläutert einen auf Fig. 1 folgenden Verfah­ rensschritt, wobei die Glasschicht 51 mit der Beschichtung 50 und der Leitschicht 52 mit der Oberfläche der Silizium­ schicht 14 in Kontakt gebracht worden ist. Danach wurde das Substrat 10 geerdet und eine elektrische Spannung zwischen der Glasschicht 51 und dem Substrat 10 von typischerweise 1000 V bei einer Temperatur von beispielsweise 400° ange­ legt. Dieses Verfahren, das als "anodisches Bonden" bezeich­ net wird, führt zu einer innigen, hermetisch dichten Verbin­ dung der Glasschicht 51 mit der Siliziumschicht 14.

Unter hermetisch dicht wird dabei eine Verbindung verstan­ den, die sowohl gasdicht als auch gegenüber Feuchtigkeit dicht ist.

Die Fig. 2 zeigt weiter, dass sich durch das Verbinden von Glasschicht 51 und Siliziumschicht 14 die Beschichtung 50 in einem Randbereich 55 zwischen Glasschicht 51 und Silizium­ schicht 14 befindet. Dieser Randbereich 55 ist in Drauf­ sicht, je nach Form der zweiten Ausnehmung 23, beispielswei­ se ringförmig, bevorzugt jedoch in sich geschlossen.

Da die Beschichtung 50 im erläuterten Beispiel eine Dicke von 3 nm bis 100 nm, vorzugsweise 10 nm bis 50 nm, aufweist, verbleibt ein Taschenbereich 54 zwischen Glasschicht 51 und Siliziumschicht 14 nicht gebondet, d. h. in diesem Bereich ist die Siliziumschicht 14 nicht mit der Glasschicht 51 in Kontakt, wobei dessen Ausdehnung offensichtlich von der Dic­ ke der Beschichtung 50 abhängt. Er erstreckt sich typischer­ weise über einen Bereich von 5 bis 10 mal der Dicke der Be­ schichtung 50.

Da es bei dem Verbinden der Glasschicht 51 mit der Silizium­ schicht 14 auch zu einem innigen, insbesondere elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der Siliziumschicht 14 und der Beschichtung 50 kommt, ist die Beschichtung 50 während des gesamten Vorganges des anodischen Bondens ungeachtet der ho­ hen angelegten elektrischen Spannung und auch nach Abschluss des Bondens auf das Potential der Siliziumschicht 14 und darüber des Substrates 10 fixiert, mit dem auch die Mi­ krostrukturen 18 über die Mikrokontaktierungsstruktur 27 und die Leitstruktur 12 in Verbindung stehen. Insofern werden die Mikrokontaktierungsstrukturen 18 durch die Beschichtung 50 wirksam gegenüber elektrischen Feldern und Ladungen abge­ schirmt. Im Übrigen sei erwähnt, dass durch die geringe Dic­ ke der Beschichtung 50 die Ausdehnung des Taschenbereiches 54 vernachlässigbar ist, und die erzielte Verkappung nicht nennenswert beeinträchtigt.

Insgesamt ist somit nach Abschluss des Verfahrensschrittes gemäß Fig. 2 ein Hohlraum 40 oberhalb der Mikrostrukturen 18 entstanden, der eine Tiefe entsprechend der Höhe der Aus­ nehmung 23 aufweist.

Die Fig. 3 erläutert die abschließenden Verfahrensschritte zur Fertigstellung des Mikrostrukturbauelementes, bei denen zur elektrischen Kontaktierung der Mikrokontaktierungsstruk­ tur 27 bzw. darüber der Mikrostrukturen 18 von der Rückseite des Substrates 10 in üblicher Weise Isolationsgräben 26 ein­ geätzt werden, die in der Tiefe bis zu der unteren Isolati­ onsschicht 11 reichen. Durch diese Isolationsgräben 26 wer­ den Anschlusskontaktierungsstrukturen 25 definiert, die ei­ nerseits mit einer üblichen Metallisierung in Form von Kon­ taktflächen 28 versehen sind, und die andererseits mit den Leitstrukturen 12 in Verbindung stehen. Die Kontaktflächen 28 sind im erläuterten Beispiel Metallflächen, beispielswei­ se aus Aluminium, Aluminium-Silizium, Aluminium-Silizium- Kupfer, Chrom/Gold oder Wolfram-Titan/Gold. Im Übrigen ist, wie in Fig. 3 angedeutet, die Beschichtung 50 über die Si­ liziumschicht 14 und eine Leitstruktur 12 bevorzugt eben­ falls über eine Anschlußkontaktierungsstruktur 25 und eine Kontaktfläche 28 elektrisch zugänglich. Dabei sei jedoch be­ tont, dass bei geeigneter Perforierung der Glasschicht 51 analog DE 195 37 814 A1 alternativ auch eine elektrische Kontaktierung von der Vorderseite der Siliziumschicht 14 möglich ist. Dazu ist lediglich die Glasschicht 51 derart vorzustrukturieren, dass sie im Bereich ebenfalls vordersei­ tig angelegter Anschlussflächen der Mikrokontaktierungstruk­ tur 27 bzw. der Mikrostrukturen 18 Durchstrittsöffnungen, sogenannte Kontaktlöcher, aufweist, durch die dann später die zwischen Siliziumschicht 14 und Glasschicht 51 befindli­ chen Anschlussflächen, beispielsweise mittels Draht-Bonden, kontaktiert werden können.

Weiter sei erwähnt, dass der Abstand der Mikrokontaktie­ rungsstrukturen 18 von der Beschichtung 50 gemäß Fig. 3 durch die Höhe des Hohlraums 40 gegeben ist, d. h. die Be­ schichtung 50 und die damit verbundene Glasschicht 51 wirken gleichzeitig als vertikaler Anschlag für die Mikrostrukturen 18 im Überlastfall. Zudem sei betont, dass zur Realisierung eines Drehratensensors der Herstellungsprozess des verkapp­ ten Mikrostrukturbauelementes derart erfolgt, dass der Hohl­ raum 40 ein Vakuum mit einem Druck von beispielsweise 1 mbar einschließt.

Als Materialien zur Herstellung der Beschichtung 50 in Form einer Metallschicht eignen sich vor allem Chrom, Aluminium, Gold, Platin, Titan, Silber oder Kombinationen oder Legie­ rungen derselben.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Be­ schichtung 50 zwei Teilschichten, eine Metallschicht und ei­ ne die Haftung auf der Glasschicht verbessernde Haftschicht, aufweist, wobei die Haftschicht bevorzugt eine Chromschicht, eine Wolfram-Titan-Schicht oder eine Chrom-Kupfer-Schicht ist und eine Dicke von lediglich einigen Nanometern auf­ weist. Eine solche Dicke ist ausreichend, da die Beschich­ tung 50 in der Regel keine Ströme trägt und lediglich elek­ trostatischen Aufladungen entgegentreten muss. Andererseits ist auf diese Weise gewährleistet, dass das eingesetzte an­ odische Bonden problemlos verläuft. So wird durch die Ela­ stizität der Glasschicht 51 und die auftretenden anziehenden Oberflächenkräfte zwischen Glasschicht 51 und Silizium­ schicht 14 eine gute Adhäsion trotz der durch die Beschich­ tung 50 hervorgerufene Topografie der Oberfläche der Glas­ schicht 51 erreicht.

Die Fig. 4 bis 6 erläutern ein zweites Ausführungsbei­ spiel, wobei die Mikrostrukturen 18 bzw. die Mikrokontaktie­ rungsstruktur 27 gegenüber der Siliziumschicht 14 nicht rückgesetzt bzw. versenkt ist. Weiter ist in Fig. 5 darge­ stellt, dass auch die Siliziumschicht 14 je nach Anwendungs­ fall Isolationsgräben 26 aufweisen kann, die in üblicher Weise analog den Gräben 19 erzeugt worden sind. Diese Isola­ tionsgräben 26 dienen beispielsweise der elektrischen Tren­ nung verschiedener Bereiche der Siliziumschicht 14.

Die Fig. 4 zeigt, dass die Glasschicht 51 aus Pyrex-Glas in diesem Ausführungsbeispiel eine Kaverne 49 aufweist, die derart dimensioniert ist, dass sie den von den Mikrostruktu­ ren 18 bzw. der Mikrokontaktierungsstruktur 27 eingenommenen Bereich in der Siliziumschicht 14 überdeckt. Die Kaverne 49 bildet somit nach dem Verbinden der Glasschicht 51 mit der Siliziumschicht 14 eine Kappe über den Mikrostrukturen 18, wodurch erneut ein Hohlraum 40 entsteht, d. h. die Kaverne 49 ersetzt das Versenken der Mikrostrukturen 18 gemäß Fig. 1.

Im Einzelnen ist vorgesehen, dass die Kaverne 49 in der Glasschicht 51 eine Tiefe von wenigen Mikrometern, bei­ spielsweise 1 µm bis 10 µm, aufweist, und dass auf die Glas­ schicht 51 im Bereich der Kaverne 49 und darüber hinaus in dem Randbereich 55 erneut eine Beschichtung 50 aufgebracht ist, die analog der Beschichtung gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ist. Insbesondere weist diese Beschichtung 50 eine Dicke von 10 nm bis 50 nm auf.

Da durch die Beschichtung 50 bei dem anodischen Bonden von Siliziumschicht 14 und Glasschicht 51 keine Rücksicht mehr auf elektrostatische Anziehungskräfte und Aufladungen genom­ men werden muss, genügt eine Tiefe der Kaverne 49 von weni­ gen Mikrometern, d. h. diese kann sowohl nasschemisch durch Ätzen mit einer Flusssäurelösung als auch trockenchemisch durch Ätzen mit reaktiven Fluorplasmen in die Glasschicht 51 eingeätzt worden sein.

Die Fig. 4 zeigt zudem, dass die Kaverne 49 Seitenwandpro­ file aufweist, die sich nach innen, d. h. in Richtung auf den Kavernenboden hin, verengen. Dies erleichtert ein anschlie­ ßendes Aufbringen der Beschichtung 50 auf die Seitenwände und den Boden der Kaverne 49 sowie auch auf den sich in die Glasschicht 51 erstreckenden Randbereich 55. Weiter ist wichtig, dass die Kaverne 49, die bevorzugt die Form einer Wanne hat, umlaufend einen verrundeten Rand 58 aufweist, der ebenfalls mit der Beschichtung 50 versehen ist.

Zur Herstellung der Kaverne 49 mit verrundetem Rand 58 kön­ nen einerseits bekannte Plasmaätzprozesse eingesetzt werden. Andererseits eignen sich jedoch auch Nassätztechniken, da angesichts der geringen Ätztiefen von wenigen Mikrometern auch eine Fotolackmaskierung ausreichend ist.

Da weiter Flusssäure bekanntermaßen eine Fotolackmaskierung an Kanten unterkriecht, entsteht automatisch ein Profil der Kaverne 49, das in Richtung auf den Kavernenboden isotrop hinterschnitten ist, und das sich im Bereich des verrundeten Randes 58 flach nach außen zieht. Somit wird durch den isotropen Ätzcharakter einer Flusssäurelösung und das Unter­ kriechen bereits eine konkave Seitenwandfläche im oberen Teil der Kaverne 49 erhalten, die flach ausläuft.

Bevorzugt wird ein Plasmaätzen und ein Nassätzen miteinander kombiniert, da sich einerseits durch das Plasmaätzen zu­ nächst in einfacher Weise ein sich in Richtung auf den Ka­ vernenboden verengendes Seitenwandprofil realisieren lässt, und andererseits durch ein anschließendes Überätzen, bei­ spielsweise mit einer Flusssäurelösung, das erläuterte Un­ terkriechen der Lackmaske die Kanten der Kaverne 49 besei­ tigt, so dass ein verrundeter Rand 58 entsteht, der flach ausläuft.

Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Kaverne 49 für eine nachfolgende Metallisierung bzw. ein nachfolgendes Auf­ bringen der Beschichtung 50 derart geformt ist, dass sich eine gleichmäßige Metallisierung an allen Stellen der Ober­ fläche der Kaverne 49 einstellt, ohne dass diese an scharfen Kanten abzureißen droht, was einen zuverlässigen elektri­ schen Kontakt zwischen der Beschichtung 50 und der Silizium­ schicht 14 verhindern würde.

Die Beschichtung 50 gemäß Fig. 4 wird im Übrigen wie auch im Fall der Fig. 1 bevorzugt durch Aufsputtern aufgebracht.

Die Fig. 5 erläutert einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem die Glasschicht 51 mit der Kaverne 49 und der Beschich­ tung 50 mit der Oberfläche der Siliziumschicht 14 in Kontakt gebracht wird. Dabei ist wesentlich, dass die Kaverne 49 ex­ akt oberhalb der Mikrostrukturen 18 platziert wird, so dass die Beschichtung 50 erneut in einem bevorzugt in sich ge­ schlossenen, umlaufenden Randbereich 55 mit der Silizium­ schicht 14 in Kontakt ist. Aufgrund der Höhe der Beschich­ tung 50 von 10 nm bis 50 nm entstehen gemäß Fig. 5 analog zu Fig. 2 Taschenbereiche 54, die jedoch nicht weiter stö­ rend sind.

Hinsichtlich der Justage der mit der Kaverne 49 versehenen Glasschicht 51 ist vorteilhaft, wenn die auf der den Mi­ krostrukturen 18 abgewandten Seite der Glasschicht 51 aufge­ brachte Leitschicht 52 zunächst noch nicht vorhanden ist, da dann die Justage in einfacher Weise optisch durch die durch­ sichtige Glasschicht 51 erfolgen kann. Sofern die Leit­ schicht 52 bereits vorhanden ist, werden zur Justage bei­ spielsweise Justage-Markierungen eingesetzt, die die relati­ ve Position von Glasschicht 51 und Siliziumschicht 14 zuein­ ander definieren.

Da die Beschichtung 50 gemäß Fig. 5 in einem Randbereich 55 über die Kaverne 49 hinausgeht, wird bei dem anodischen Bon­ den von Glasschicht 51 und Siliziumschicht 14, was analog dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt, die Beschichtung 50 in der Adhäsionsphase beim Bonden gegen die Siliziumschicht 14 gedrückt und damit elektrisch mit dieser kontaktiert.

Die Fig. 6 erläutert analog zu Fig. 3 wie die Rückseite des Substrates 10 mit Anschlusskontaktierungsstrukturen 25, Kontaktflächen 28 und Isolationsgräben 26 versehen wird. Da­ bei ist erneut vorgesehen, dass die Beschichtung 50 über die Siliziumschicht 14 und eine Leitstruktur 12 elektrisch lei­ tend mit einer Anschlusskontaktierungsstruktur 25 verbunden ist, so dass beispielsweise das elektrische Potential der Beschichtung 50 dynamisch mit einem elektrischen Potential der Mikrostrukturen 18 mitgeführt werden kann. Auf diese Weise erhält man insgesamt ein hermetisch dicht verkapptes Mikrostrukturbauelement, das elektrisch gegenüber äußeren Feldern abgeschirmt ist. Gleichzeitig beschränkt die Höhe der Kaverne 49 die maximale Auslenkung der Mikrostrukturen 28 beispielsweise bei Überlast.

Die Fig. 7 bis 9 erläutern ein drittes Ausführungsbei­ spiel, das sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 lediglich dadurch unterscheidet, dass ausgehend von Fig. 4 oder alternativ einer zunächst ganz­ flächigen Metallisierung der den Mikrostrukturen 18 zuge­ wandten Seite der Glasschicht 51 mit der Kaverne 49 die Glasschicht 51 mit der Beschichtung 50 flächig abpoliert und somit, abgesehen von dem Bereich der Kaverne 49, von der Be­ schichtung 50 wieder befreit wird. Auf diese Weise entsteht automatisch ein planarer verrundeter Übergang von Glas­ schicht 51 in die Beschichtung 50 im Bereich des verrundeten Randes 58.

In Fig. 7 ist weiter abweichend von Fig. 4 vorgesehen, dass die Beschichtung 50 deutlich dicker, beispielsweise 0,5 bis 5 µm dick, gewählt ist, was dazu führt, dass bei einem Verbinden der Glasschicht 51 mit der Siliziumschicht 14 ge­ mäß Fig. 8 der Überlapp von Beschichtung 50 und Silizium­ schicht 14 in den Randbereichen 55 vergrößert ist. Somit entsteht bei dem anodischen Bonden gemäß Fig. 8 in den Randbereichen 55 zumindest punktuell eine Legierung aus dem Material der Beschichtung 50, d. h. einem Metall, mit dem Si­ lizium aus der Siliziumschicht 14, was zu einem besonders guten elektrischen Kontakt zwischen Beschichtung 50 und Si­ liziumschicht 14 führt.

Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 7 bis 9 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 liegt darin, dass keine die Verbindung von Siliziumschicht 14 und Glasschicht 51 beeinträchtigenden Topografieunter­ schiede auftreten, die zu der Ausbildung der Taschenbereiche 54 führen. Weiter kann und soll die Beschichtung 50 in dem dritten Ausführungsbeispiel vergleichsweise dick gewählt werden, das dies zu einer verbesserten elektrischen Abschir­ mung und einer verbesserten Diffusionssperrwirkung gegen den Austritt von Sauerstoff aus der Glasschicht 51 in den Hohl­ raum 40 führt. Die Fertigstellung des Mikrostrukturbauele­ mentes gemäß Fig. 9 entspricht der bereits erläuterten Fig. 6.

Ein viertes, mit Hilfe der Fig. 10 erläutertes Ausführungs­ beispiel geht zunächst anstelle einer Glasschicht 51 in Form einer relativ dicken Pyrex-Glasplatte von einem Siliziumwa­ fer bzw. einer Siliziumschicht 56 aus, auf der oberflächlich die Glasschicht 51 in Form einer dünnen Pyrex-Glasschicht aufgebracht ist, die eine Dicke von 1 µm bis 50 µm hat. Dazu wurde zunächst ein Plättchen oder ein Wafer aus Pyrex-Glas in bekannter Weise mit dem Siliziumwafer 56 verbunden und anschließend mechanisch zurückgeschliffen, so dass die Glas­ schicht 51 mit einer Schichtdicke von 20 µm bis 50 µm erhal­ ten wurde. Alternativ kann das Aufbringen von Pyrex-Glas auf den Siliziumwafer 56 insbesondere in dem späteren Bondbe­ reich jedoch auch durch Aufsputtern einer beispielsweise 1 µm dicken Pyrex-Schicht und nachträgliches Polieren erfol­ gen.

Da bei dem erläuterten Rückschleifen die erreichte Dicke der Glasschicht 51 kein kritischer Parameter ist und sie auch einen Gang über der Oberfläche des Siliziumwafers 56 aufwei­ sen kann, ist das Rückschleifen ein relativ kostengünstiger Prozess ohne hohe Genauigkeitsanforderungen. Wesentlich ist lediglich, dass die Restschichtdicke der Glasschicht 51 deutlich größer als die Tiefe der nachfolgend erzeugten Ka­ verne 49 ist. Weiter ist wesentlich, dass bei dem Erzeugen der Kaverne 49 die Glasschicht 51 nicht bis auf den Silizi­ umwafer 56 durchgeätzt wird, d. h. es muss auch im Bereich der Kaverne 49 eine Dicke der Glasschicht 51 verbleiben, die eine hinreichende elektrische Isolation zwischen dem Silizi­ umwafer 56 und der schließlich erzeugten Beschichtung 50 ge­ währleistet. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist im Übrigen völlig analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7 bis 9.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel, das mit Hilfe der Fig. 11 erläutert wird, geht von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 aus, wobei zwischen der Glasschicht 51 und dem Silizium­ wafer 56 zusätzlich eine Isolationsschicht 57, beispielswei­ se aus einem thermisch erzeugten Siliziumoxid, vorgesehen ist. Diese Isolationsschicht 57 hat eine Dicke von 1 µm bis 2 µm und dient der elektrischen Isolation des Siliziumwafers 56 gegenüber der Glasschicht 51. Zur Erzeugung der Isolati­ onsschicht 57 auf dem Siliziumwafer 56 ist vorgesehen, dass dieser zunächst thermisch oxidiert wird, und dass anschlie­ ßend die Pyrex-Glasplatte vor dem Rückschleifen mit der thermisch oxidierten Oberfläche des Siliziumwafers 56 ver­ bunden wird. Alternativ kann jedoch auch in diesem Fall die Glasschicht 51 zunächst aufgesputtert und anschließend po­ liert worden sein.

Durch die zusätzliche Isolationsschicht 57 wird gegenüber Fig. 10 erreicht, dass selbst dann, wenn die Restschicht­ dicke der rückgeschliffenen Glasschicht 51 einmal kritisch dünn werden sollte, das Isolationsoxid immer noch eine aus­ reichende elektrische Durchschlagsfestigkeit gegenüber einer bei einem nachfolgenden anodischen Bonden der Glasschicht 51 mit der Siliziumschicht 14 angelegten elektrischen Spannung sicherstellt. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 dem bereits mit Hilfe der Fig. 7 bis 9 er­ läuterten Ausführungsbeispiel.

Claims (18)

1. Mikrostrukturbauelement, insbesondere verkapptes mikrome­ chanisches Sensorelement, mit mindestens einer Mikrostruktur, die mit einem Glaskörper verkappt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der die Mikrostruktur (18) überdeckende Bereich des Glaskörpers (51) auf seiner der Mikrostruktur (18) zugewand­ ten Seite mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (50) versehen ist.

2. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mikrostruktur (18) aus einer Schicht (14), insbesondere einer Siliziumschicht, herausstrukturiert ist, und dass der Glaskörper (51) bereichsweise mit der Schicht (14) ver­ bunden ist.

3. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (50) mindestens eine Me­ tallschicht, insbesondere eine Chromschicht, Aluminiumschicht, Goldschicht, Platinschicht, Nickelschicht, eine Silberschicht oder eine Kombination derselben, aufweist.

4. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung (50) neben der Metallschicht ei­ ne mit dem Glaskörper (51) verbundene Haftschicht, insbesondere eine Chromschicht, eine Wolfram-Titan-Schicht oder eine Chrom- Kupfer-Schicht, aufweist.

5. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung (50) eine Dicke von 3 nm bis 5 µm aufweist.

6. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Beschichtung (50) sich über den die Mi­ krostruktur (18) überdeckenden Bereich des Glaskörpers (51) hin­ aus erstreckt und in einem insbesondere in sich geschlossenen Randbereich (55) elektrisch leitend mit der Schicht (14) verbun­ den ist.

7. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in dem Randbereich (55) zumindest bereichsweise oder punktuell eine Legierung aus dem Material der Beschichtung (50) mit dem Material der Schicht (14), insbesondere eine Ne­ tall-Silizium-Legierung, vorliegt.

8. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (50) von außerhalb der verkappten Mikrostruktur (18) elektrisch kontak­ tierbar ist.

9. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (51) eine 100 µm bis 2 mm dicke Glasplatte oder eine mit einem Tragkörper verbundene, 1 µm bis 100 µm dicke Glasschicht ist.

10. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (51) aus einem ein Alkali-Element enthaltenden Glas, insbesondere Pyrex- Glas, besteht.

11. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (51) auf seiner der Mikrostruktur (18) abgewandten Seite zumindest be­ reichsweise mit einer Leitschicht (52), insbesondere einer Me­ tallschicht (52), versehen ist.

12. Mikrostrukturbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Tragkörper eine Siliziumschicht (56), insbe­ sondere ein Siliziumwafer, oder eine Schichtanordnung mit einer Siliziumschicht (56) und einer die Glasschicht von der Silizium­ schicht (56) trennenden Isolationsschicht (57) ist.

13. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mikrostruktur (18) und der Beschichtung (50) ein Hohlraum (40) eingeschlossen ist.

14. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (18) mit dem Glaskörper (51) hermetisch dicht, insbesondere bei einem Druck von 10 mbar bis 0,1 mbar, verkappt ist.

15. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (51) in dem die Mikrostruktur (18) überdeckenden Bereich eine Strukturie­ rung, insbesondere eine Kaverne (49), aufweist, die oberfläch­ lich mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung (50) versehen ist.

16. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (49) eine Tie­ fe von 1 µm bis 20 µm aufweist.

17. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (49) wannen­ förmig ausgebildet ist und umlaufend einen verrundeten Rand (58) aufweist, der mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung (50) versehen ist.

18. Mikrostrukturbauelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (49) insbeson­ dere allseitig derart schräg stehende oder gewölbte, mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung (50) versehene Seitenwände aufweist, dass sich die Kaverne (49) in Richtung auf den Kaver­ nenboden hin verjüngt.