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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Ein
solches Bauelement ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 37 814 A1 der Aufbau eines funktionalen
Schichtsystems und ein Verfahren zur hermetischen Verkappung von
Sensoren in Oberflächenmikromechanik
offenbart. Die besagte hermetische Verkappung erfolgt mit einem
separaten Kappenwafer aus Silizium. Hierbei ist es vorgesehen, dass
wenigstens ein Anschlußbereich
auf der Vorderseite des Bauelementes vorgesehen ist, der zwangsläufig neben
der mikromechanischen Struktur des Bauelementes angeordnet ist und
somit den Platzbedarf zur Herstellung des Bauelementes vergrößert. Hierdurch
kommt es zu einem größeren Flächenverbrauch
zur Herstellung des Sensors gemäß dem Stand
der Technik, was diesen verteuert.
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Offenbarung
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen hat
dem gegenüber
den Vorteil, dass eine Reduzierung des Flächenbedarfs möglich ist
und damit das erfindungsgemäß mikromechanische
Bauelement besonders kostengünstig
hergestellt werden kann. Insbesondere ist es durch ein Vorsehen
von Kontaktflächen
auf der Substratrückseite
möglich,
dass in einer Projektion senkrecht zur Haupterstreckungsebene des
Substrats der mikromechanischen Struktur die mikromechanische Struktur
bzw. Teile davon zusammen mit wenigstens einem Teil der Kontaktflächen entlang
einer Projektionsrichtung angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass
durch die Kontaktflächen
kein zusätzlicher
Platzbedarf auf der Substratvorderseite und damit insgesamt weniger
Platzbedarf besteht. Ferner ist es hierdurch möglich, dass die Kontaktflächen eine
geringe Höhe
gegenüber
in der Umgebung befindlichen Strukturen auf der Substratrückseite
aufweisen. Hierdurch ist es möglich, dass
beispielsweise eine Flip-Chip-Kontaktierung des mikromechanischen
Bauelements möglich
ist.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur eine Sensorstruktur
oder eine Aktuatorstruktur ist, wobei die mikromechanische Struktur
bevorzugt eine Sensorstruktur zur Beschleunigungsmessung und/oder
zur Drehratenmessung umfasst. Hierdurch ist es insbesondere für solche
Anwendungsfälle,
die eine vergleichsweise kompliziert strukturierte und damit empfindliche
und folglich gegenüber
ihrer Umgebung möglichst
gut zu schützende
mikromechanische Struktur aufweisen, mit einfachen Mitteln einen
guten Schutz der mikromechanischen Struktur mit einer guten Kontaktierbarkeit
sowie einem geringen Flächenbedarf
zu verbinden. Erfindungsgemäß ist es
besonders bevorzugt, dass das Substrat der mikromechanischen Struktur
und/oder das Kappensubstrat ein Halbleitersubstrat ist und besonders
bevorzugt ein Siliziumsubstrat. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, mittels
etablierter Herstellungstechnologien das mikromechanische Bauelement
vergleichsweise kostengünstig
herzustellen.
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Ferner
ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass
die Substratvorderseite mit dem Kappensubstrat über eine Bondverbindung verbunden
vorgesehen ist, insbesondere mittels einer durch Glasfritbonden
oder durch ein anderes adhäsives
Verfahren (z. B. Kunststoffe) hergestellten Bondverbindung. Hierdurch
ist es erfindungsgemäß möglich, eine
besonders sichere und mit einfachen Mitteln und unter Verwendung
von etablierten Technologien herstellbare Verbindung zwischen der
Substratvorderseite und dem Kappensubstrat herzustellen.
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Ferner
ist es bevorzugt, dass zwischen der mikromechanischen Struktur und
dem Kappensubstrat eine vorgegebene Gasatmosphäre, insbesondere ein vorgegebener
Innendruck, vorgesehen ist. Hierdurch kann die im Inneren des mikromechanischen Bauelementes
vorliegende Atmosphäre
zur Optimierung der Funktion der mikromechanischen Struktur eingestellt
und über
die gesamte Lebensdauer des Bauelementes aufrecht erhalten werden.
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Besonders
bevorzugt ist es erfindungsgemäß ferner,
dass die vorgegebene Gasatmosphäre mittels
einer Ventilierstruktur von der Substratrückseite her versehen ist. Hierdurch
ist es möglich,
die Gasatmosphäre
prozeßtechnisch
besonders einfach und in einem vergleichsweise späten Herstellungsschrift
zu definieren, so dass daran anschließende Verfahrensschritte zur
Herstellung mikromechanischen Bauelements einen möglichst
geringen Einfluß auf
die im Inneren des Bauelements eingestellte Gasatmosphäre bzw.
auf im Inneren des Bauelementes vorliegende erfinderische Materialien
wie etwa eine Antihaftschicht (Antistiction coating) haben.
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Erfindungsgemäß ist es
weiterhin bevorzugt, dass die Kontaktflächen von dem Substrat elektrisch isolierte
Kontaktstempel aufweisen. Diese sind insbesondere aus dem Material
des Substrats hergestellt und vom Substrat durch so genannte Trenchgräben isoliert.
Der von dem Substrat isolierte Bereich des Substratmaterials dient
anschließend
als Kontaktstempel und wird über
die Substratrückseite als
Teil der Kontaktfläche
elektrisch kontaktiert.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements,
wobei in einem ersten Schritt zum einen die mikromechanische Struktur
von der Substratvorderseite her hergestellt wird und zum anderen
das Kappensubstrat hergestellt wird, wobei in einem zweiten Schritt
die Substratvorderseite mit dem Kappensubstrat verbunden wird und
wobei in einem dritten Schritt die Kontaktflächen fertig gestellt werden.
Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, eine vergleichsweise
einfache Prozeßabfolge
zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements mit einem geringen
Platzbedarf bzw. einem geringen Flächenbedarf zu verbinden.
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Besonders
bevorzugt, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass zur Herstellung der Kontaktflächen ein Trench-Ätzschritt
von der Substratrückseite
her durchgeführt
wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, mit einem vergleichsweise
geringen Prozeßaufwand
die Kontaktflächen
von der Substratrückseite
her zu prozessieren und somit erheblichen Flächenbedarf einzusparen.
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Ferner
ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass
der Trench-Ätzschritt
als eine Volltrench-Ätzung durchgeführt wird.
Hierdurch kann der Übergangswiderstand
der Kontaktflächen
erfindungsgemäß herabgesetzt
werden, so dass eine direktere Kontaktierung der mikromechanischen
Struktur bzw. der elektrisch zu kontaktierenden Teile der mikromechanischen
Struktur möglich
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Querschnittdarstellung eines Kappensubstrats,
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2 eine
schematische Querschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauelements,
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3 eine
schematische Querschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauelements,
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4 eine
schematische, perspektivische Darstellung des mikromechanischen
Bauelements.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 4 ist
in perspektivischer Darstellung schematisch das mikromechanische
Bauelement 30 bzw. dessen Hauptbestandteile dargestellt.
Das Bauelement 30 weist ein Substrat 10 und ein
Kappensubtrat 10' auf.
Das Substrat 10 weist eine Substratvorderseite 15 und
eine Substratrückseite 16 auf.
Im Bereich des Substrats 10 ist eine mikromechanische Struktur 50 strukturiert,
insbesondere in Oberflächenmikromechanik.
Das Kappensubstrat 10' wird
während
des Herstellungsprozesses des mikromechanischen Bauelementes 30 mit
der Vorderseite 15 bzw. der Substratvorderseite 15 verbunden.
Dies ist jedoch in 4 nicht dargestellt.
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1 zeigt
in einer Querschnittdarstellung das Kappensubstrat 10' mit einer Verbindungsschicht 20 zur
nachfolgenden Herstellung der Verbindung zwischen dem Kappensubstrat 10' und der Substratvorderseite 15.
Es kann erfindungsgemäß bevorzugt sein,
dass das Kappensubstrat 10' eine
Kaverne 60 aufweist, die im Bereich der mikromechanischen Struktur 50 angeordnet
ist und damit der mikromechanischen Struktur 50 einen größeren Bewegungsspielraum
nach oben hin, d. h. in Richtung zum Kappensubstrat 10' hin ermöglicht.
Ferner kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen
sein, dass das Kappensubstrat 10' zur Begrenzung der Bewegung der mikromechanischen
Struktur 50 ein Anschlagselement 11 aufweist,
welches als s. g. Z-Anschlag fungiert.
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In 2 ist
eine erste Ausführungsform
des mikromechanischen Bauelements 30 in einer Querschnittdarstellung
schematisch dargestellt. Erkennbar ist, dass das Substrat 10 mit
dem Kappensubstrat 10' über die
Verbindung 20 verbunden ist. Bei dieser Verbindung 20 handelt
es sich insbesondere um eine Bondverbindung 20, welche
besonders bevorzugt durch einen so genannten Glasfritbond-Prozeß oder durch
ein anderes adhäsives
Verfahren (z. B. Kunststoffe) hergestellt ist. Die Tiefe bzw. Höhe der im
Kappensubstrat 10' eingebrachten
Kaverne 60 muss in Abhängigkeit
der Höhe
der Verbindung 20 bzw. der Höhe der Bondverbindung 20 den
Erfordernissen des Funktionselementes bzw. der mikromechanischen
Struktur 50 beispielsweise hinsichtlich des Innenvolumens
oder hinsichtlich der Bewegungsfreiheit angepaßt werden. Beispielsweise ist
es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass für
mikromechanische Bauelemente 30 mit einem Innendruck im
Atmosphärenbereich
(beispielsweise herkömmliche Beschleunigungssensoren),
einige Mikrometer als Ausnehmung der Kaverne 60 in der
Regel ausreichen. Bei evakuierten mechanischen Bauelementen 30,
beispielsweise so genannte Vakuumsensoren, wie Drehratensensoren
oder dergleichen, können
erhöhte
Innenvolumina erforderlich sein, was zu einer größeren Höhe der Kaverne 60 im Kappensubstrat 10' führt. Die
Schicht der Bondverbindung 20 kann in herkömmlicher
Weise beispielsweise durch Siebdruck mit entsprechenden Folgeprozessen
aufgebracht werden. Die Sensorzwischenbereiche können entsprechend entweder
mit Glasfrit- und/oder Sealglas ausgefüllt sein oder alternativ dazu
ausgespart sein. Auf der der Kaverne 60 gegenüberliegenden Seite
des Kappensubstrats 10' kann
es erfindungsgemäß vorgesehen
sein, die Justage-Strukturen anzuordnen.
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Zu
Herstellung der mikromechanischen Struktur 50 des Bauelementes 30 ist
es erfindungsgemäß möglich, eine
Vielzahl von bekannten Prozessen einzusetzen. Beispielsweise ist
es möglich,
dass die mikromechanische Struktur 50 zu wesentlichen Teilen
innerhalb einer ebenfalls mit dem Bezugszeichen 50 bezeichneten
Schicht angeordnet ist, welche auf dem Substrat 10 aufgebracht
ist. Bei dieser Schicht 50 kann es sich beispielsweise
um eine Funktionsschicht aus einem Polysiliziummaterial, insbesondere
ein zumindest in Teilbereichen epitaktisches Polysiliziummaterial
vorgesehen sein. Diese Funktionsschicht 50 kann ferner
durch eine erste Passivierungszwischenschicht 100 von einer
Polysiliziumschicht 51 elektrisch isoliert vorgesehen sein, welche
von einer zweiten Passivierungszwischenschicht 101 vom
eigentlichen Substratmaterial des Substrats 10 elektrisch
isoliert vorgesehen ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird
jedoch unter dem Begriff Substrat 10 die gesamte Anordnung
bzw. der gesamte Schichtaufbau des mikromechanischen Bauelementes 30 außer dem
Kappensubstrat 10' bzw.
der Verbindungsschicht 20 verstanden, d. h. einschließlich etwaiger
auf dem eigentlichen Substratmaterial abgeschiedener Schichten.
Das Substrat 10 weist erfindungsgemäß die Substratvorderseite 15 und
die Substratrückseite 16 auf.
Nach erfolgter Prozessierung der mikromechanischen Struktur 50 wird das
Kappensubstrat 10' auf
die Substratvorderseite 15 aufgebracht und mittels der
Verbindung 20 verbunden. Erfindungsgemäß sind Teile der Polysiliziumschicht 51 als
Leiterbahnen (mit dem Bezugszeichen 3 in der 2 bezeichnet)
bzw. als Elektrode (mit dem Bezugszeichen 4 in der 2 bezeichnet) ausgebildet
und müssen
erfindungsgemäß zur Substratrückseite 16 hin
kontaktiert werden, so dass die Kontaktflächen 40 gebildet werden.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass entweder Trenchgräben 2' in die Substratrückseite 16 eingebracht werden,
wobei zwischen den Trenchgräben 2' ein Bereich
des vormaligen Substratmaterials stehen bleibt und einen so genannten Kontaktstempel 2 ausbildet.
Bei einer entsprechenden Wahl des Materials des Substrats 10 ist
es damit erfindungsgemäß möglich, eine
vergleichsweise niederohmige Verbindung zwischen den als Leiterbahn 3 oder
Elektrode 4 genutzten Bereichen der Polysiliziumschicht 51 mit
der Substratrückseite 16 herzustellen.
Erfindungsgemäß ist für das Substrat 10 insbesondere
ein Halbleitermaterial und besonders bevorzugt ein Siliziummaterial
vorgesehen, wobei zur Realisierung einer vergleichsweise hohen elektrischen
Leitfähigkeit
(durch die Kontaktstempel 2 hindurch) bevorzugt ein dotiertes
Siliziummaterial bzw. ein dotiertes Halbleitermaterial vorgesehen
ist. Für
die Trenchgräben 2' dient die zweite
Passivierungszwischenschicht 101 als Stoppschicht bzw. Ätzstopp-Schicht.
Die Trenchgräben 2' werden zur
besseren Isolierung von dem restlichen Material des Substrats 10 mit
einer dritten Passivierungszwischenschicht 102 aufgefüllt, bei
der es sich beispielsweise um ein s. g. Niedertemperatur-Refill,
beispielsweise aus Oxidmaterial oder aus Nitridmaterial, handelt
oder aber auch um einen so genannten Polymerrefill handeln kann.
Nach einer Strukturierung dieser dritten Passivierungszwischenschicht 102 können die
Kontaktflächen 40 durch
das Aufbringen von Kontaktmaterial 200, beispielsweise Aluminium,
fertiggestellt werden. Die solchermaßen hergestellten Kontaktflächen 40 sind
direkt bondbar, insbesondere mittels eines Flip-Chip-Bondprozesses.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelementes 30 dargestellt. Die mit gleichen Bezugszeichen
bezeichneten Teile bzw. Komponenten des Bauelementes 30 weisen
dieselbe Struktur bzw. Funktion wie gemäß der ersten Ausführungsform
des Bauelementes 30 auf. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform
ist es jedoch gemäß der zweiten Ausführungsform
vorgesehen, dass ein Trenchgraben 71 von der Substratrückseite 16 her
vorgesehen ist, welcher eine Perforationsstruktur 70 in
der zweiten Passivierungszwischenschicht 101 freilegt,
so dass das Innenvolumen 60 des mikromechanischen Bauelements 30 von
der Substratrückseite 16 her
zugänglich
wird und somit die vorgegebene Gasatmosphäre eingestellt werden kann.
Insgesamt wird der Trenchgraben 71 und die Perforationsstruktur 70 als so
genannte Ventilationsstruktur der Kavität bezeichnet, welche eine besonders
leichte und zu einem besonders späten Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens
des Bauelements 30 mögliche
Einstellung der Gasatmosphäre
ermöglicht.
Die Einstellung der Gasatmosphäre
erfolgt hierbei mittels der Abscheidung und damit Verschließung der
Perforationsstruktur 70 durch die dritte Passivierungsschicht 102.
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In
einer nicht dargestellten Variante des mikromechanischen Bauelementes 30 ist
es ferner auch möglich,
dass der Trenchgraben 2' bzw.
die Trenchgräben 2' als so genannte
Volltrenches durchgeführt
werden. Dies bedeutet, dass kein Kontaktstempel 2 stehen
gelassen wird, sondern dass ein vollständiges Freilegen des Kontaktbereiches
der Schicht 51 erfolgt. Durch Aufbringen einer Metallschicht
oder dergleichen mit einer Strukturierung welche das Metall lediglich
im Lochbereich beläßt, und einer
nachfolgenden, strukturierten Passivierung, kann eine Galvanikstartschicht
hergestellt werden, die es nachfolgend erlaubt, das Volumen, der
gemäß der anderen
Ausführungsformen
des Bauelementes vorgesehenen Kontaktstempel 2 vollständig durch eine
Lotmetallisierung aufzufüllen.
Ferner können
die erste Ausführungsform
(2) und die zweite Ausführungsform (3)
auch miteinander kombiniert werden.