DE102004027501A1

DE102004027501A1 - Mikromechanisches Bauelement mit mehreren Kavernen und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102004027501A1
Application number: DE102004027501A
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Eckhard Graf; Heiko Stahl; Hartmut Kueppers; Roland Scheuerer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-22
Also published as: EP1778582A1; WO2005118463A1; US8174082B2; JP2008501535A; US20080136000A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, wobei die Kavernen unterschiedliche atmosphärische Innendrücke aufweisen. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind. Dabei werden das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden. Danach wird ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt, und anschließend wird der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement und einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach der Gattung der betreffenden unabhängigen Patentansprüche. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass diskrete Sensoren insbesondere Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren in Mikromechanik hergestellt werden können. Es ist ebenfalls bekannt, dass Drehraten- und Beschleunigungssensoren zusammen mit einem oder mehreren Auswerteschaltungen in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem Sensorsystem integriert werden können. Weiterhin ist bekannt, mikromechanische Sensoren und die zugehörige Auswerteschaltung monolithisch zu integrieren. In der deutschen Patentanmeldung DE 101 04 868 ist das Verpacken eines mikromechanischen Sensors mittels einer Kappe gezeigt. Sensor und Kappe sind anodisch gebondet und begrenzen eine Kaverne. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 102 43 014 ist weiterhin bekannt, zwei Kavernen in einem mikromechanischen Bauteil anzuordnen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement zeichnet sich gegenüber bekannten Bauelementen dadurch aus, dass es wenigstens zwei Kavernen mit unterschiedlichen Innendrücken aufweist. Dadurch wird vorteilhaft die Integration mehrerer unterschiedlicher mikromechanischer Sensoren mit bauartbestimmt unterschiedlichen atmosphärischen Innendrücken in einem gemeinsamen mikromechanischen Bauelement ermöglicht. Bei einem mikromechanischen Beschleunigungssensor ist der atmosphärische Innendruck in der Kaverne beispielsweise mit 5 mbar bis 1,5 bar vorgegeben. Durch diesen Druck lässt sich eine geeignete Dämpfung für das mikromechanische Auslenkungsteil von Beschleunigungssensoren einstellen. Bei aktiv schwingenden Sensoren insbesondere bei Drehratensensoren ist der Kaverneninnendruck sehr klein zu wählen um eine hohe Güte des Schwingers zu gewährleisten. Hier sind Kaverneninnendrücke von < 10^–3 bar vorteilhaft.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass wenigstens zwei Kavernen von einer gemeinsamen Kappe begrenzt sind. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des mikromechanischen Bauelements. Weiterhin kann hierdurch die Anzahl der Schritte zur Herstellung eines solchen Bauelements verringert werden. Insbesondere weisen diese beiden Kavernen unterschiedliche atmosphärische Innendrücke auf.

Vorteilhaft ist auch, dass wenigstens eine Kaverne eine verschlossene Zugangsöffnung aufweist. Mittels einer solchen Zugangsöffnung kann auf einfache Weise ein vorgebbarer Druck in der Kaverne eingestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements sieht vor, dass die Zugangsöffnung durch ein Bauteilsubstrat hindurch besteht. Die Zugangsöffnung kann hier bei der Sensorfertigung besonders einfach vorgesehen und auch wieder verschlossen werden.

Vorteilhaft ist auch, wenn das Bauelement eine vergrabene Leiterstruktur aufweist. Vergrabene Leiterstrukturen ermöglichen es, die Verbindungsfläche zwischen Kappe und mikromechanischem Bauteil besonders eben und damit dicht zu gestalten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass das Bauelement an einem Kontaktbereich eines Bauteilsubstrats wenigstens ein Mittel zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine Metallisierung, aufweist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, alle Kontakte und nicht vergrabene Leiterstrukturen des mikromechanischen Bauelements auf der nicht verkappten Seite des mikromechanischen Bauteils zu führen. Somit ist vorteilhaft die komplette Verkappung einer Seite des mikromechanischen Bauteils möglich.

Vorteilhaft ist auch, dass wenigstens eine Kaverne des mikromechanischen Bauelements mittels einer umlaufenden hermetischen Materialverbindung abgedichtet ist. Hierdurch wird vorteilhaft der vorgegebene Innendruck in der Kaverne über die Lebensdauer des mikromechanischen Bauelements gehalten.

Vorteilhaft ist auch, wenn mehrere Kavernen mittels einer gemeinsamen umlaufenden hermetischen Materialverbindung abgedichtet sind. Vorteilhaft können so Bereiche des mikromechanischen Bauelements mit gleichem Druck in den betroffenen Kavernen vorgesehen werden. Weiterhin ist es auch möglich, Bereiche unterschiedlichen Drucks insbesondere stufenweise besseren Vakuums vorzusehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements sieht vor, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat, welches mit einer Glasschicht verbunden ist, besteht. Eine solche Kappe kann mit ihrer Glasschicht besonders einfach auf ein mikromechanisches Bauteil aus Silizium aufgebracht und mittels anodischen Bonden befestigt werden.

Vorteilhaft ist auch, wenn die Kappe, insbesondere die Glasschicht, zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung aufweist. Durch die Ausnehmung in der Kappe wird vorteilhaft die Kaverne vergrößert. In der Kaverne besteht somit mehr Raum für mikromechanische Funktionsteile.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, zeichnet sich gegenüber bekannten Verfahren dadurch aus, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden werden, danach ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt wird und anschließend der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass wenigstens für eine Kaverne der atmosphärische Innendruck bereits beim Prozessschritt des Verkappens vorgegeben werden kann.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass in den einzelnen Kavernen verschiedene atmosphärische Innendrücke vorgebbar sind, wodurch beispielsweise verschiedene mikromechanische Sensoren mit bauartbestimmt unterschiedlichen Drücken herstellbar sind.

Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die aus Kappe und mikromechanischem Bauteil bestehenden Kavernen durch Verbindungsprozessen mit praktisch beliebigem Prozessdruck herstellbar sind, weil durch den Zugang im Nachhinein der Kaverneninnendruck immer noch änderbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat und einem Glas hergestellt wird, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass auf diese einfache Weise eine Kappe herstellbar ist, die in einem weiteren Prozessschritt des anodischen Bondens mit einem mikromechanischen Bauteil verbunden werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in dem Glas zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere durch Ätzen, erzeugt wird. Vorteilhaft kann durch dieses Verfahren eine Kappe hergestellt werden, welche ausgehend von einem ebenen Substrat und einem ebenen Glas die Bildung einer möglichst großen Kaverne ermöglicht.

Vorteilhaft ist auch, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Anodisches Bonden ermöglicht die Herstellung hermetischer Verbindungen.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Zugang in einem Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils erzeugt wird. Der Zugang wird einfach und kostengünstig in dem selben Herstellungsschritt erzeugt, bei dem in das Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils Gräben zur elektrischen Isolation von Teilen des Bauteils eingebracht werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Zugang mittels eines Abscheideprozesses, insbesondere eines CVD-Verfahrens, verschlossen wird. Ein derartiger Abscheideprozess ermöglicht das Verschließen des Zuganges bei besonders geringen Prozessdrücken. Dies ist vorteilhaft zur Erzeugung von Kavernen mit geringem atmosphärischem Innendruck.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Verfahrensschritte des Öffnens von Zugängen und des nachfolgenden Verschließens unter einem vorgebbaren atmosphärischen Druck mehrfach hintereinander ausgeführt werden können. Hierdurch ist es möglich, weitere Kavernen mit unterschiedlichen vorgebbaren atmosphärischen Drücken herzustellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt das Bereitstellen eines Substrates und eines Glases,
2 zeigt das Verbinden von Substrat und Glas mittels anodischen Bondens,
3 zeigt das Abdünnen der Glasschicht,
4 zeigt das Ätzen von Ausnehmungen im Glas,
5 zeigt das Aufbringen einer Abschirmung und das Parallelisieren des Substrates,
6 zeigt das Ausrichten einer Kappe gegenüber einem mikromechanischen Bauteil,
7 zeigt das Verbinden von Bauteil und Kappe,
8 zeigt das Erzeugen einer Zugangsöffnung zu einer Kaverne,
9 zeigt das Verschießen der Zugangsöffnung,
10 zeigt das Erzeugen eines Rückseitenkontaktes und
11 zeigt eine Anordnung mehrerer Kavernen in einem mikromechanischen Bauelement.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
1 zeigt das Bereitstellen eines Substrates und eines Glases zur Herstellung einer Kappe. Ein Kappensubstrat 100, welches in diesem Beispiel aus Silizium besteht, wird gegenüber einem Glas 150 angeordnet und ausgerichtet. Das Glas 150 besteht in diesem Beispiel aus Pyrex. Das Kappensubstrat 100 und das Glas 150 müssen für eine Verbindung eine geeignete Rauhigkeit der einander zugewandten Oberflächen aufweisen.
2 zeigt das Verbinden des Substrats 100 mit dem Glas 150. Die Verbindung erfolgt beispielsweise mittels der bekannten Technik des anodischen Bondens.
3 zeigt das Abdünnen der Glasschicht. Das Abdünnen 300 des Glases 150 erfolgt durch Schleifen und chemisch-mechanisches Polieren (CMP). Im Ergebnis entsteht in diesem Beispiel eine Glasschicht 150 mit einer Dicke von ca. 50 μm.
4 zeigt das Erzeugen von Ausnehmungen in Glas. Die Ausnehmungen 400 in dem Glas 150 können beispielsweise durch ein BOE-Ätzverfahren (engl.: Buffered Oxid Etch) hergestellt werden. Die Ausnehmungen 400 haben in dem gezeigten Beispiel eine Tiefe von ca. 5,5 μm. Beim Erzeugen der Ausnehmungen kann vorgesehen werden, Stützbereiche 450 auszusparen.
5 zeigt das Erzeugen einer Abschirmung und das Parallelisieren des Kappensubstrats. Zur Erzeugung eines Abschirmung 550 wird auf Bereichen der Glasschicht 150, insbesondere im Bereich der Ausnehmungen 400 und dem Stützbereich 450, eine Metallschicht abgeschieden. Diese Metallschicht kann z.B. aus Aluminium bestehen und weist hier eine Dicke von ca. 400 nm auf. Die Metallschicht kann bei Bedarf strukturiert abgeschieden oder auch nach der Abscheidung strukturiert werden. Die Abschirmung 550 kann optional eine Kontaktfahne 555 aufweisen, derart, dass daran eine leitfähige Verbindung kontaktiert werden kann.
Im nächsten Herstellungsschritt wird das Kappensubstrat 100 parallelisiert. Das Parallelisieren 560 erfolgt von der Rückseite des Kappensubstrates 100 aus. Durch das Parallelisieren 560 soll sichergestellt werden, dass das im Wesentlichen scheibenförmige Kappensubstrat 100 überall in etwa die gleiche Dicke aufweist, die in diesem Beispiel ca. 450μm beträgt. Das Kappensubstrat 100, die Glasschicht 150 und die Abschirmung 550 bilden zusammen eine Kappe 500.
6 zeigt das Ausrichten der Kappe gegenüber einem mikromechanischen Bauteil. Das mikromechanische Bauteil 600 weist eine mikromechanische Funktionsschicht 610 aus polykristallinem Silizium, eine dielektrische Schicht 620 aus Siliziumoxid und ein Bauteilsubstrat 630 aus Silizium auf. Die mikromechanische Funktionsschicht 610 weist einen Anschlussbereich 640, mikromechanische Strukturen 650 und optional Stützlager 655 auf. Die Glasschicht 150 in der Kappe 500 weist an der dem mikromechanischen Bauteil 600 zugewandten Fläche Bondflächen 660 auf.
7 zeigt das Verbinden von Bauteil und Kappe. Dabei wird die Kappe 500 mit dem Bauteil 600 an den Bondflächen 660 anodisch gebondet. Diese Materialverbindung der Glasschicht 150 mit der mikromechanischen Funktionsschicht 610 ist hermetisch dicht. Im Ergebnis begrenzen die Kappe 500 und das mikromechanische Bauteil 600 wenigstens eine Kaverne 700.
8 zeigt das Erzeugen einer Zugangsöffnung zu einer Kaverne. Zunächst erfolgt ein Abdünnen 800 des Bauteilsubstrats 630 auf eine Dicke von ca. 125μm. Das Abdünnen 800 geschieht beispielsweise durch Schleifen und Polieren. Anschließend werden in das Bauteilsubstrat 630 Gräben 810 eingebracht, die Kontaktbereiche 830 vom restlichen Bauteilsubstrat 630 isolieren. In dem selben Herstellungsschritt wird in das Bauteilsubstrat 630 eine Zugangsöffnung 820 zur Kaverne 700 eingebracht. Durch die Zugangsöffnung 820 wird der atmosphärische Kaverneninnendruck dem Umgebungsdruck angeglichen.
9 zeigt das Verschließen der Zugangsöffnung. Dazu wird das Bauteilsubstrat 630 mit einem Oxid 900 beschichtet, was beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens geschieht. Das Oxid 900 verfüllt die Isolationsgräben 810, verschließt die Zugangsöffnung 820 und beschichtet im übrigen das Bauteilsubstrat 630. Der Prozessdruck während des Beschichtens, der weniger als 10^–3 betragen kann, wird dabei in der Kaverne 700 eingeschlossen. Der Kontaktbereich 830 wird von der Beschichtung mit dem Oxid 900 wenigstens teilweise ausgespart.
10 zeigt das Erzeugen eines Rückseitenkontaktes auf dem mikromechanischen Bauteil 600. Dabei wird eine Metallisierung 10 auf den Kontaktbereich 830 und bereichsweise auf das Oxid 900 aufgebracht. Die Metallisierung 10 kann während des Aufbringens oder auch in einem späteren Herstellungsschritt strukturiert werden. Durch diesen Prozessschritt können Kontakte zu leitfähigen Bereichen im Inneren des mikromechanischen Bauelements sowie Kontakte und Leiterbahnen auf der Oberfläche hergestellt werden.
11 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit mehreren Kavernen. Das Bauelement ist schematisch in Draufsicht durchsichtig dargestellt. Die Kavernen 700a, b befinden sich im Inneren des mikromechanischen Bauelements und sind in diesem Beispiel durch eine einzige gemeinsame Kappe auf dem Bauelement gebildet. Kappe und Bauelement weisen Verbindungsflächen 660 auf, die nach dem anodischen Bonden in diesem Beispiel einen ersten Bondrahmen 113 und einen zweiten Bondrahmen 115 bilden. Der ersten Bondrahmen 113 umschließt eine Kaverne 700a, die eine verschlossene Zugangsöffnung 820 aufweist. In dieser Kaverne 700a herrscht ein sehr geringer atmosphärischer Innendruck. Denkbar ist ein Innendruck von weniger als 10^–3 bar. Die Kaverne 700a beherbergt ein mikromechanisches Funktionselement 111, welches bauartbedingt bei sehr niedrigen Drücken arbeitet. Dies kann z.B. ein mikromechanischer Drehratensensor oder ein anderer mikromechanischer Schwinger hoher Güte sein. Das Vakuum in der Kaverne 700a wird von dem Bondrahmen 113 hermetisch vom Umgebungsdruck abgeschlossen.
Das mikromechanische Bauelement weist in diesem Beispiel drei weitere Kavernen 700b auf, die keinerlei Zugangsöffnung 820 aufweisen. Diese Kavernen 700b beinhalten im wesentlichen den Prozessdruck der während des Prozessschrittes des anodischen Bondens geherrscht hat. Dies können beispielsweise Drücke zwischen 5 mbar und 1,5 bar sein. In diesen Kavernen 700b sind Funktionselemente 110 angeordnet, die bauartbedingt bei höheren Drücken funktionieren oder toleranter gegenüber höheren Arbeitsdrücken sind. Die mikromechanischen Funktionselemente 110 können beispielsweise Beschleunigungssensorstrukturen sein, die bei dem gegebenen atmosphärischen Innendruck der Kavernen 700b gedämpft arbeiten.
Die drei Kavernen 700b mit höherem Innendruck sind durch den Bondrahmen 113 vom Vakuum in der vierten Kaverne 700a hermetisch abgeschlossen. Weiterhin sind alle Kavernen 700a,b durch den gemeinsamen Bondrahmen 115 von der Außenwelt hermetisch abgeschlossen. Die drei Kavernen 700b mit höherem Innendruck sind in diesem Beispiel nicht durch weitere Bondrahmen voneinander abgetrennt, da in ihnen nach dem Prozessschritt des anodischen Bondens ohnehin im wesentlichen der gleiche Kaverneninnendruck herrscht.
Schließlich sind in 11 auch durch Metallisieren erzeugte Kontaktflächen 10 dargestellt. Mittels dieser Kontaktflächen kann das mikromechanische Bauelement beispielsweise mit einer hier nicht dargestellten externen Auswerteschaltung verbunden werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Auswerteschaltung in dem mikromechanischen Bauelement zu integrieren.
Weitere Ausgestaltungen des mikromechanischen Bauelements sind möglich.

Claims

Mikromechanisches Bauelement mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavernen unterschiedliche atmosphärische Innendrücke aufweisen.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kavernen von einer gemeinsamen Kappe begrenzt sind.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kaverne eine, insbesondere mit einem Oxid verschlossene, Zugangsöffnung aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung durch ein Bauteilsubstrat hindurch besteht.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine vergrabene Leiterstruktur aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement an einem Kontaktbereich eines Bauteilsubstrats wenigstens ein Mittel zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine Metallisierung, aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kaverne mittels einer umlaufenden, hermetischen Materialverbindung abgedichtet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kavernen mittels einer gemeinsamen, umlaufenden, hermetischen Materialverbindung abgedichtet sind.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat, welches mit einer Glasschicht verbunden ist, besteht.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe, insbesondere die Glasschicht, zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden werden, danach ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt wird, und anschließend der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat und einem Glas hergestellt wird, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Glas zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere durch Ätzen, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang in einem Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang mittels eines Abscheideprozesses, insbesondere eines CVD-Verfahrens, verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte des Öffnens von Zugängen und des nachfolgenden Verschließens unter, vorgebbaren atmosphärischen Drücken mehrfach hintereinander ausgeführt werden können.