DE102005062553A1 - Micromechanical component with cap has substrate, micromechanical functional coating, cavity and cap bounding cavity; cap has conductive coating - Google Patents

Micromechanical component with cap has substrate, micromechanical functional coating, cavity and cap bounding cavity; cap has conductive coating Download PDF

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Abstract

The micromechanical component has a substrate (1), a micromechanical functional coating (2), a cavity and a cap bounding the cavity. The cap has a conductive coating. The cap is a thin coating cap. The cap consists of at least two layers. The conductive coating is not arranged on an outer side of the cap.

Description

STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt.The The invention is based on a micromechanical component with a Substrate, with a micromechanical functional layer, with a cavern and with a cap that limits the cavern.

Mikromechanische Bauelemente werden für spezielle Einsatzzwecke oder auch nur zu ihrem Schutz mit einer Kappe versehen. Bekannt ist unter anderem das Glasfrit- oder anodische Bonden zur Befestigung einer Kappe auf dem Bauelement. In der Patentschrift EP 1274648 B1 ist eine Verpackung mittels dünner Schichten, eine so genannte OMM-Verkappung beschrieben (OMM – oberflächen-mikromechanisch). Grundlage dieser Technologie bildet eine perforierte Schicht aus epitaktischem Polysilizium über einer Kaverne, die ein mikromechanisches Funktionselement enthält. Die zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Funktionselements notwendigen Leiterbahnen werden dabei häufig unter der Funktionsschicht oder auf dem epitaktischen Polysilizium geführt.Micromechanical devices are capped for special uses or just to protect them. Known is, inter alia, the Glasfrit- or anodic bonding for attaching a cap on the device. In the patent EP 1274648 B1 is a packaging by means of thin layers, a so-called OMM capping described (OMM - surface micromechanical). The basis of this technology is a perforated layer of epitaxial polysilicon over a cavern containing a micromechanical functional element. The conductor tracks necessary for the electrical contacting of the micromechanical functional element are often guided under the functional layer or on the epitaxial polysilicon.

VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGEPIPHANY THE INVENTION

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Kappe eine leitfähige Schicht aufweist.The The invention is based on a micromechanical component with a Substrate, with a micromechanical functional layer, with a cavern and with a cap that limits the cavern. The core of the invention is that the cap has a conductive layer.

Vorteilhaft ist, dass die Kappe eine Dünnschichtkappe ist. Hierdurch wird die Bauhöhe des mikromechanischen Bauelements verringert, und es entfällt der Befestigungsschritt einer fertigen Kappe auf dem Bauelement bei der Herstellung.Advantageous is that the cap is a thin-film cap is. This will increase the height of the micromechanical device is reduced, and it eliminates the Attaching step of a finished cap on the device at the production.

Vorteilhaft besteht die Kappe aus wenigstens zwei Schichten. Vorteilhaft können so die Leitschicht und die eigentliche Kappenschicht weitgehend unabhängig voneinander gestaltet sein.Advantageous the cap consists of at least two layers. Advantageously so the conductive layer and the actual cap layer largely independent of each other be designed.

Vorteilhaft ist die leitfähige Schicht nicht an einer Außenseite der Kappe angeordnet. Die leitfähige Schicht lässt sich so einfacher mit mikromechanischen Funktionselementen elektrisch verbunden gestalten. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht dabei vor, dass die leitfähige Schicht an einer der Kaverne zugewandten Seite der Kappe angeordnet ist.Advantageous is the conductive one Do not layer on an outside arranged the cap. The conductive Layer leaves This is easier with micromechanical functional elements electrically make connected. A particularly advantageous embodiment sees while making sure that the conductive Layer arranged on one of the cavern facing side of the cap is.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die leitfähige Schicht strukturiert ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die strukturierte leitfähige Schicht dabei wenigstens eine Leiterbahn oder wenigstens eine Elektrode aufweist. Vorteilhaft können so mikromechanische Funktionselemente von der Kappenseite aus kontaktiert werden. Außerdem können Sensoren mit kapazitivem Messprinzip und Messrichtung senkrecht zur Substratebene (z-Sensoren) geschaffen werden, wenn die Elektrode an der Unterseite der Kappe als Teil einer Kondensatorstruktur ausgestaltet ist.A sees advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention before that the conductive Layer is structured. It is particularly advantageous that the structured conductive Layer thereby at least one conductor or at least one electrode having. Can be advantageous so micromechanical functional elements contacted from the cap side become. In addition, sensors can with capacitive measuring principle and measuring direction perpendicular to the substrate plane (z sensors) are created when the electrode is at the bottom the cap is designed as part of a capacitor structure.

Vorteilhaft ist auch, dass die Kappe Perforationslöcher aufweist. Durch diese Löcher kann das mikromechanische Funktionselement durch Opferschichtätzen von Bereichen innerhalb der Kaverne freigelegt werden. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse sind die Perforationslöcher vorteilhaft verfüllt.Advantageous is also that the cap has perforation holes. Through this holes can the micromechanical functional element by sacrificial layer etching of Areas within the cavern are exposed. To protect against environmental influences are the perforation holes filled advantageous.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die Perforationslöcher und die strukturierte leitfähige Schicht derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen abgewinkelten Zugang von der Außenseite der Kappe zur Kaverne bilden. Vorteilhaft lassen sich bei einer solchen Anordnung die Perforationslöcher leicht verfüllen, weil das Füllmaterial in einem winkeligen Zugang zur Kaverne am Eindringen in diese Kaverne gehindert wird und stattdessen den Zugang zusetzt.A sees advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention before that the perforation holes and the structured conductive Layer are arranged to each other such that they are angled Access from the outside form the cap to the cavern. Can be advantageous in a such arrangement easily fill the perforation holes, because the filling material in an angled access to the cavern at the entrance to this cavern is hindered and instead adds access.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die Leitschicht mit einer elektrischen Kontaktdurchführung zur Außenseite (30) der Kappe (3) und/oder zur Außenseite des Substrats elektrisch verbunden ist.An advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention provides that the conductive layer with an electrical contact feedthrough to the outside ( 30 ) of the cap ( 3 ) and / or is electrically connected to the outside of the substrate.

Außerdem ergeben sich Kosten- und Fertigungsvorteile durch eine Vereinfachung der Herstellung der Funktionsstruktur. Durch die Verlegung einer elektrischen Leitschicht an der Kappe lässt sich die Komplexität des Unterbaus eines mikromechanischen Bauelements reduzieren (reduzierte Topographie). Für den nachfolgenden Verschlussprozess ergibt sich die Möglichkeit, günstigere Geometrien der Perforationslöcher umzusetzen.In addition, revealed Cost and manufacturing benefits by simplifying the Production of the functional structure. By laying an electrical Leaves conductive layer on the cap the complexity reduce the substructure of a micromechanical device (reduced Topography). For the subsequent closing process results in the possibility favorable Geometries of the perforation holes implement.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Ausbildung von Leiterbahnen und gegebenenfalls funktionaler Elektroden auf der Kappenunterseite über dem mikromechanischen Funktionselement (der MEMS-Struktur). Sie kann auch zusätzlich zu einer herkömmlichen Sensorunterseitenstruktur mit Leiterbahnen oder Elektroden ausgeführt sein. Besonders von Vorteil kann dies für z-Sensoren sein. Aufgrund der möglichen räumlichen Trennung von elektrischen Funktionselementen und anderen Bereichen sind in derselben Schicht auch günstigere Geometrien der Perforationslöcher umsetzbar, z.B. Z- oder L-förmige Zugänge mit verbesserter Verfüllcharakteristik.A particular advantage of the invention is the formation of printed conductors and optionally functional electrodes on the cap underside over the micromechanical functional element (the MEMS structure). It can also be designed in addition to a conventional sensor underside structure with conductor tracks or electrodes. This can be particularly advantageous for z-sensors. Due to the possible spatial separation of electrical functional elements and other areas, more favorable geometries of the perforation holes can also be implemented in the same layer, eg, or L-shaped access with improved filling characteristics.

Die vorliegende Erfindung erlaubt im Falle einer ausschließlich oben liegenden elektrisch leitfähigen Schicht einen einfachen MEMS-Unterbau wie zum Beispiel mit Substrat, Oxid und epitaktische Silizium-Funktionsschicht (als polykristallines oder einkristallines SOI). Die geringe Dickenabweichung der oberen Opferschicht gestattet gleiche und bessere Eigenschaften (einfachere Topografie, geringere Dickenabweichung der epitaktischen Silizium-Funktionsschicht) als herkömmliche OMM-Prozesse.The The present invention allows in the case of one exclusively above lying electrically conductive Layer a simple MEMS substructure such as with substrate, Oxide and epitaxial silicon functional layer (as polycrystalline or monocrystalline SOI). The small thickness deviation of the upper Sacrificial layer allows equal and better characteristics (simpler Topography, lower thickness deviation of the epitaxial silicon functional layer) as conventional OMM processes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are given in the dependent claims.

ZEICHNUNGDRAWING

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit Kappe. 1 shows a micromechanical device according to the invention with cap.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXAMPLES

Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsform soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.Based The embodiment described below is intended to illustrate the invention be presented in detail.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit Kappe schematisch in Schnittdarstellung. Das Bauelement weist ein Substrat 1 auf. Dieses Substrat 1 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Über dem Substrat 1 ist eine mikromechanische Funktionsschicht 2 angeordnet, welche sich wenigstens zum Teil in einer Kaverne 4 erstreckt. Die mikromechanische Funktionsschicht 2 kann aus Silizium, insbesondere aus epitaktisch aufgewachsenem polykristallinen oder monokristallinen Silizium bestehen. Zwischen dem Substrat 1 und der mikromechanischen Funktionsschicht 2 können noch eine oder mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine erste Opferschicht 10 angeordnet sein. Über der mikromechanischen Funktionsschicht 2, ist eine Kappe 3 angeordnet, welche die Kaverne 4 nach oben begrenzt. Die Kappe 3 weist dabei eine Außenseite 30 zur Umgebung des mikromechanischen Bauelements hin auf. Die Kappe 3 weist weiterhin eine der Kaverne 4 zugewandte Seite 35, eine Innenseite auf. Die Kappe 3 ist bevorzugt eine so genannte Dünnschichtkappe, d.h. sie besteht aus einer oder mehreren über der mikromechanischen Funktionsschicht 2 abgeschiedenen dünnen Schichten. Zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht 2 und der Kappe 3 können noch eine oder mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine zweite Opferschicht 11 angeordnet sein. Die Opferschichten 10 und 11 sind im Bereich der Kaverne 4 wenigstens teilweise entfernt. 1 shows a micromechanical device according to the invention with cap schematically in section. The device has a substrate 1 on. This substrate 1 For example, it may be a silicon substrate. Above the substrate 1 is a micromechanical functional layer 2 arranged, which at least partially in a cavern 4 extends. The micromechanical functional layer 2 may consist of silicon, in particular of epitaxially grown polycrystalline or monocrystalline silicon. Between the substrate 1 and the micromechanical functional layer 2 can still one or more further layers, in particular a first sacrificial layer 10 be arranged. Above the micromechanical functional layer 2 , is a cap 3 arranged, which the cavern 4 limited to the top. The cap 3 has an outside 30 to the environment of the micromechanical device towards. The cap 3 also has one of the caverns 4 facing side 35 , an inside on. The cap 3 is preferably a so-called thin-film cap, ie it consists of one or more of the micromechanical functional layer 2 deposited thin layers. Between the micromechanical functional layer 2 and the cap 3 can still one or more further layers, in particular a second sacrificial layer 11 be arranged. The sacrificial layers 10 and 11 are in the area of the cavern 4 at least partially removed.

Eine mögliche Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach oben besteht aus einem Siliziumsubstrat 1, einem Opferoxid 10, einer Epitaxieschicht 2, einem Opferoxid 11, einer leitfähigen Schicht 100, welche vorzugsweise aus polykristallinem Silizium besteht, aber auch aus Metall oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material bestehen kann, einer Isolationsschicht 50, in diesem Beispiel einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid 50, einem Oxid 12, und einer Epitaxieschicht 3, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine wesentliche Schicht der Kappe 3 Bildet. Die Isolationsschicht 50 kann strukturiert sein. Die leitfähige Schicht 100 kann ebenfalls strukturiert sein und dabei verschiedenen Bereiche 100a und 100b aufweisen. Die Isolationsschicht 50 gewährleistet die mechanische Anbindung wenigstens von Bereichen 100b der leitfähigen Schicht 100 an die Epitaxieschicht 3 und deren elektrische Isolation. Das Oxid 12, welches an der Epitaxieschicht 3 angeordnet ist, kann im Bereich von Perforationsöffnungen 200 in der Epitaxieschicht 3 entfernt sein, um einen Zugang von der Umgebung zur Kaverne 4 zu ermöglichen. Bereiche 100a der leitfähigen Schicht 100, welche nicht über die Isolationsschicht 50, sondern direkt über das Oxid 12 an die Epitaxieschicht 3 angebunden sind, können nach dem Entfernen des Oxids 12 wenigstens teilweise freigelegt sein. Die Perforationsöffnungen 200 in der Epitaxieschicht 3 können schließlich mit einem Füllmaterial verschlossen sein.A possible layer sequence of the micromechanical device from bottom to top consists of a silicon substrate 1 , a sacrificial oxide 10 , an epitaxial layer 2 , a sacrificial oxide 11 , a conductive layer 100 , which preferably consists of polycrystalline silicon, but may also consist of metal or another suitable conductive material, an insulating layer 50 , in this example a passivitride and / or passivating oxide 50 , an oxide 12 , and an epitaxial layer 3 , which in this embodiment, an essential layer of the cap 3 Forms. The insulation layer 50 can be structured. The conductive layer 100 can also be structured and different areas 100a and 100b exhibit. The insulation layer 50 ensures the mechanical connection at least of areas 100b the conductive layer 100 to the epitaxial layer 3 and their electrical insulation. The oxide 12 which is at the epitaxial layer 3 can be arranged in the range of perforations 200 in the epitaxial layer 3 be removed to allow access from the area to the cavern 4 to enable. areas 100a the conductive layer 100 which do not have the insulation layer 50 but directly over the oxide 12 to the epitaxial layer 3 can be tethered after removing the oxide 12 be at least partially exposed. The perforation openings 200 in the epitaxial layer 3 can finally be closed with a filling material.

Eine andere mögliche Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach oben besteht aus einem Siliziumsubstrat 1, einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid, einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10, einem Passivieroxid, einer Epitaxieschicht 2, einem Passivieroxid, einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10, einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid, einer leitfähigen Schicht 100 (vorzugsweise aus polykristallinem Silizium aber auch aus Metall oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material), einer Isolationsschicht, beispielsweise einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid, und einer Epitaxieschicht 3.Another possible layer sequence of the micromechanical device from bottom to top consists of a silicon substrate 1 , a passivitride and / or passivating oxide, a polycrystalline silicon sacrificial layer 10 , a passivating oxide, an epitaxial layer 2 a passivating oxide, a polycrystalline silicon sacrificial layer 10 , a passivitride and / or passivating oxide, a conductive layer 100 (preferably of polycrystalline silicon but also of metal or other suitable conductive material), an insulating layer, for example a Passiviernitrid and / or Passivieroxid, and an epitaxial layer 3 ,

In weiteren Ausführungsbeispielen sind Kombinationen aus polykristallinen Silizium- und Oxid-Opferschichten ebenfalls möglich.In further embodiments combinations of polycrystalline silicon and oxide sacrificial layers are also possible.

Für den Fall funktionaler elektrischer Ebenen unter und über der MEMS-Struktur erfolgt der oben dargestellte Schichtaufbau als Zusatz zur herkömmlichen Sensorschichtenfolge wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 1274648 B1 dargestellt.In the case of functional electrical levels below and above the MEMS structure, the above-described layer structure takes place as an addition to the conventional sensor layer sequence, as for example in the European patent specification EP 1274648 B1 shown.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind im Bereich der Kappe die Schichten 3, 100a und b, 12 und 50 vorgesehen, wobei durch geschickte geometrische Anordnung der Schichten und der Perforationslöcher 200 Zugänge von der Umgebung des mikromechanischen Bauelements zur Kaverne realisiert 4 sind, deren Eigenschaft eine günstige Verfüllcharakteristik ist. Dies gilt vor allen hinsichtlich der Materialabschattung beim Verschluss durch einen abgewinkelten Zugang zur Kaverne 4.In a preferred embodiment, the layers are in the region of the cap 3 . 100a and b, 12 and 50 provided by skillful geometric arrangement of the layers and the perforation holes 200 Access realized by the environment of the micromechanical device to the cavern 4 are whose property is a favorable Verfüllcharakteristik. This is especially true with regard to the shading of the material during closure by an angled access to the cavern 4 ,

Bei dem mikromechanischen Bauelement handelt es sich bevorzugt um ein Bauelement auf Siliziumbasis. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise ein (Stellglied (Aktuator) oder ein Messglied (Sensor) sein. Besonders bevorzugt ist das mikromechanische Bauelement als Drehratensensor oder Beschleunigungssensor ausgestaltet.at the micromechanical component is preferably a Silicon-based device. The micromechanical component can for example, an actuator (actuator) or a measuring element (sensor) be. Particularly preferred is the micromechanical device as Rotation rate sensor or acceleration sensor designed.

Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar.It are next to other embodiments conceivable.

Claims (10)

Mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (1), mit einer mikromechanischen Funktionsschicht (2), mit einer Kaverne (4) und mit einer Kappe (3), welche die Kaverne (4) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) eine leitfähige Schicht (100) aufweist.Micromechanical component with a substrate ( 1 ), with a micromechanical functional layer ( 2 ), with a cavern ( 4 ) and with a cap ( 3 ), which the cavern ( 4 ), characterized in that the cap ( 3 ) a conductive layer ( 100 ) having. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) eine Dünnschichtkappe ist.Micromechanical component according to claim 1, characterized in that the cap ( 3 ) is a thin film cap. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) aus wenigstens zwei Schichten besteht.Micromechanical component according to claim 1 or 2, characterized in that the cap ( 3 ) consists of at least two layers. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) nicht an einer Außenseite (30) der Kappe (3) angeordnet ist.Micromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer ( 100 ) not on an outside ( 30 ) of the cap ( 3 ) is arranged. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) an einer der Kaverne (4) zugewandten Seite (35) der Kappe (3) angeordnet ist.Micromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer ( 100 ) at one of the caverns ( 4 ) facing side ( 35 ) of the cap ( 3 ) is arranged. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) strukturiert ist.Micromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer ( 100 ) is structured. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte leitfähige Schicht (100) wenigstens eine Leiterbahn und/oder wenigstens eine Elektrode aufweist.Micromechanical component according to Claim 6, characterized in that the structured conductive layer ( 100 ) has at least one conductor track and / or at least one electrode. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) Perforationslöcher (200) aufweist, welche insbesondere verfüllt sind.Micromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the cap ( 3 ) Perforation holes ( 200 ), which are in particular filled. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationslöcher (200) und die strukturierte leitfähige Schicht (100a) derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen abgewinkelten Zugang von der Außenseite (30) der Kappe (3) zur Kaverne (4) bilden.Micromechanical component according to Claims 6 and 8, characterized in that the perforation holes ( 200 ) and the structured conductive layer ( 100a ) are arranged to each other such that they have an angled access from the outside ( 30 ) of the cap ( 3 ) to the cavern ( 4 ) form. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht mit einer elektrischen Kontaktdurchführung zur Außenseite (30) der Kappe (3) und/oder zur Außenseite des Substrats (1) und oder zur mikromechanischen Funktionsschicht (2) elektrisch verbunden ist.Micromechanical component according to one of claims 4 to 9, characterized in that the conductive layer with an electrical contact feedthrough to the outside ( 30 ) of the cap ( 3 ) and / or to the outside of the substrate ( 1 ) and or to the micromechanical functional layer ( 2 ) is electrically connected.
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