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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, wobei ein erstes und ein zweites Substrat durch Durchführen eines Bondprozesses miteinander verbunden werden.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Bauelemente, welche beispielsweise im Automobilbereich als Inertial- oder Drucksensoren zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise eine Mikrostruktur mit beweglichen Funktionselementen auf. Die Mikrostruktur wird auch als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical System) bezeichnet. Im Betrieb der Sensoren wird eine Auslenkung eines Funktionselements zum Beispiel durch eine Änderung der elektrischen Kapazität gegenüber einer festen Bezugselektrode erfasst.
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Ein gängiges Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements umfasst das Ausbilden der Mikrostruktur auf einem Funktionssubstrat und das Verbinden des Funktionssubstrats mit einem Kappensubstrat, wodurch ein die Funktionselemente der Mikrostruktur umschließender Hohlraum (Kavität bzw. Kaverne) gebildet wird. Zum Verbinden der beiden Substrate kann ein metallischer bzw. eutektischer Waferbondprozess durchgeführt werden. Für eine solche Verbindungstechnik können auf den Oberflächen beider Substrate rahmenförmige Verbindungsstrukturen, auch als „Bondrahmen“ bzw. „Bondschicht“ bezeichnet, ausgebildet werden, welche metallische bzw. für das Ausbilden einer eutektischen Legierung aufeinander abgestimmte Materialien aufweisen. In dem Bondprozess werden die einzelnen Verbindungsstrukturen zu einer gemeinsamen Verbindungsstruktur verbunden und bilden dadurch einen um die Mikrostruktur herum angeordneten hermetisch dichten Verschluss.
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Bei dem Funktionssubstrat erfolgt das Herstellen der Verbindungsstruktur vor der dem Ausbilden der Mikrostruktur. Die mit der Verbindungsstruktur verbundene „Topographie“ bzw. an der Oberfläche des Funktionssubstrats hervorstehende „Materialebene“ führt jedoch zu einer Beeinträchtigung der Herstellung der Mikrostruktur, bei welcher ein photolithographisches Strukturierungsverfahren zum Einsatz kommt. Das Vorliegen der um die spätere Mikrostruktur herum angeordneten Verbindungsstruktur hat zur Folge, dass der in dem Strukturierungsverfahren eingesetzte Photolack in diesem Bereich nicht homogen aufgebracht bzw. aufgeschleudert werden kann und daher Wellen wirft bzw. Dickenschwankungen unterliegt. Durch den unebenen Photolack kommt es in einem nachfolgenden Belichtungsschritt zu unerwünschten Streuungseffekten, wodurch (laterale) Abmessungen der zu erzeugenden Strukturen Schwankungen unterliegen. Derartige Strukturbreitenschwankungen wirken sich unmittelbar negativ auf die Mikrostruktur und damit auf die elektrischen Eigenschaften des Sensors aus. Die stetige Verkleinerung von Strukturgrößen und die Verringerung von Vorhalten bzw. des Abstands zwischen Verbindungs- und Mikrostruktur führt zu einer zunehmenden Verstärkung dieses negativen Effekts.
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Die Druckschrift
DE 60 2004 006 094 T2 beschreibt ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Bauelement weist zwei Glassubstrate auf, welche über einen Abdichtring aus Silizium miteinander verbunden sind, und einen Hohlraum und eine darin befindliche Siliziumstruktur umschließen. Ferner vorhanden ist eine elektrische Durchführung in den und aus dem Hohlraum. Zur Herstellung wird eines der Glassubstrate mit einer Vertiefung auf einer Substratoberfläche bereitgestellt. Im Bereich der Vertiefung wird eine elektrische Leitung hergestellt. Die Vertiefung wird durch Abscheiden und Planarisieren einer Glasschicht mit einer Glasabscheidung verfüllt. Die Glasabscheidung bildet eine Bondoberfläche in einem nachfolgenden Verbindungsprozess, in welchem das Glassubstrat mit dem Abdichtring anodisch gebondet wird.
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Die Druckschrift US 2009 / 0 079 037 A1 betrifft ein weiteres mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Das Bauelement weist einen Wafer mit einer Funktionsschicht und einer Nut, und einen Kappenwafer mit einer Zapfenstruktur auf. Die Zapfenstruktur greift in die Nut ein. Die Nut-Zapfenstruktur ist über ein Verbindungsmedium (Sealglas) verbunden. Zum Verbinden der Funktionsschicht mit dem Kappenwafer wird das Verbindungsmedium auf der Zapfenstruktur aufgebracht, und wird die Zapfenstruktur anschließend in die Nut eingebracht.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 027 501 A1 beschreibt ein weiteres mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Bei dem Verfahren wird ein mikromechanisches Bauteil, welches eine Funktionsschicht aufweist, mit einer eine Glasschicht aufweisenden Kappe verbunden. Hierzu wird die Kappe mit dem Bauteil an Bondflächen anodisch gebondet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Lösung für die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines ersten Substrats, ein Ausbilden einer ersten Verbindungsstruktur auf dem ersten Substrat, wobei die erste Verbindungsstruktur als vergrabene und an eine Oberfläche des ersten Substrats heranreichende Verbindungsstruktur in Form einer Bondschicht ausgebildet wird, und ein Ausbilden einer Mikrostruktur auf dem ersten Substrat nach dem Ausbilden der ersten Verbindungsstruktur. Die Mikrostruktur weist wenigstens ein bewegliches Funktionselement auf. Das Verfahren umfasst weiter ein Bereitstellen eines zweiten Substrats mit einer zweiten Verbindungsstruktur und ein Verbinden des ersten und zweiten Substrats durch Durchführen eines Bondprozesses, wobei die erste und zweite Verbindungsstruktur zu einer gemeinsamen Verbindungsstruktur verbunden werden und ein abgeschlossener Hohlraum im Bereich der Mikrostruktur gebildet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Verbindungsstruktur eine geschlossene Rahmenform aufweist.
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Das Vergraben bzw. Versenken der ersten Verbindungsstruktur bietet die Möglichkeit, eine plane Oberfläche des ersten Substrats zu erzeugen. Auf diese Weise unterliegen nachfolgende Prozesse, insbesondere das Ausbilden der Mikrostruktur, keiner Beeinflussung bzw. Beeinträchtigung mehr durch eine hervorstehende Struktur. Die Mikrostruktur kann infolgedessen auf zuverlässige Weise und mit einer hohen Genauigkeit mit den gewünschten Abmessungen erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aus der vergrabenen Ausgestaltung der ersten Verbindungsstruktur eine „Verzahnung“ der gemeinsamen Verbindungsstruktur an dem ersten Substrat resultiert, wodurch die verbundene Anordnung aus dem ersten und zweiten Substrat ein hohe mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere kann eine hohe Robustheit gegenüber lateralen Scherkräften erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Substrat mit einer ebenen Oberfläche bereitgestellt. Das Ausbilden der ersten Verbindungsstruktur umfasst ein Ausbilden einer sich von der Oberfläche erstreckenden Grabenstruktur auf dem ersten Substrat, ein Aufbringen einer Schicht eines Verbindungsmaterials für die erste Verbindungsstruktur auf der Oberfläche des ersten Substrats unter Auffüllung der Grabenstruktur, und ein Entfernen des Verbindungsmaterials außerhalb der Grabenstruktur.
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Der Schritt des Entfernens des Verbindungsmaterials kann beispielsweise durch einen Polierprozess durchgeführt werden. Hierdurch kann das Verbindungsmaterial zuverlässig außerhalb der Grabenstruktur entfernt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird nach dem Aufbringen der Schicht des Verbindungsmaterials ein zusätzliches Füllmaterial in eine Ausnehmung der Schicht des Verbindungsmaterials eingebracht. Das Entfernen des Verbindungsmaterials außerhalb der Grabenstruktur wird durch einen Ätzprozess durchgeführt, bei welchem das Verbindungsmaterial und das zusätzliche Füllmaterial im Wesentlichen die gleiche Ätzrate aufweisen. Diese Vorgehensweise ist mit relativ geringen Kosten verbunden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erste Substrat mit einer rauen Oberfläche bereitgestellt. Das Ausbilden der ersten Verbindungsstruktur umfasst ein Ausbilden einer sich von der rauen Oberfläche erstreckenden Grabenstruktur auf dem ersten Substrat, wobei die Grabenstruktur einen rauen Bodenbereich aufweist, ein Aufbringen eines Verbindungsmaterials auf der Oberfläche des ersten Substrats, wobei das Verbindungsmaterial in die Grabenstruktur eingebracht wird, und ein Durchführen eines Polierprozesses, wobei das Verbindungsmaterial außerhalb der Grabenstruktur entfernt und das erste Substrat planarisiert wird. Da das Polieren sowohl zum Entfernen des Verbindungsmaterials außerhalb der Grabenstruktur als auch zum Planarisieren des Substrats genutzt wird, lässt sich diese Ausgestaltung mit einem relativ geringen Aufwand und relativ geringen Kosten durchführen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erste Substrat mit einer Funktionsschicht bereitgestellt. Die erste Verbindungsstruktur und die Mikrostruktur werden in der Funktionsschicht ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erste Verbindungsstruktur mit einer Tiefenausdehnung im Mikrometer-Bereich ausgebildet. Mit einer solchen Tiefenausdehnung lässt sich eine gute Verbindungsstabilität des Bauelements erzielen.
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Im Hinblick auf den Bondprozess besteht die Möglichkeit, einen eutektischen Bondprozess oder einen Thermokompressions-Bondprozess durchzuführen. Abhängig von dem jeweiligen Bondprozess weisen die Verbindungsstrukturen auf dem ersten und zweiten Substrat jeweils das gleiche metallische Material oder für das Ausbilden einer eutektischen Legierung aufeinander abgestimmte Materialien auf.
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Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen. Das mikromechanische Bauelement weist ein erstes Substrat auf, welches eine Mikrostruktur mit wenigstens einem beweglichen Funktionselement aufweist. Weiter vorgesehen ist ein zweites Substrat, welches mit dem ersten Substrat derart verbunden ist, dass die Mikrostruktur von einem abgeschlossenen Hohlraum umschlossen ist. Hierbei sind das erste und zweite Substrat durch eine im Rahmen eines Bondprozesses gebildete Verbindungsstruktur verbunden.
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Das erste Substrat weist eine Grabenstruktur auf, welche von der Verbindungsstruktur ausgefüllt ist. Ferner weist die Verbindungsstruktur eine geschlossene Rahmenform auf. Das mikromechanische Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindungsstruktur aus einer auf dem ersten Substrat ausgebildeten vergrabenen und an eine Oberfläche des ersten Substrats heranreichenden ersten Verbindungsstruktur und aus einer zweiten Verbindungsstruktur des zweiten Substrats gebildet ist, und dass der Bondprozess eines von Folgendem ist: Ein eutektischer Bondprozess, so dass die im Rahmen des Bondprozesses gebildete Verbindungsstruktur eine eutektische Legierung aufweist; oder ein Thermokompressions-Bondprozess, so dass die im Rahmen des Bondprozesses gebildete Verbindungsstruktur ein metallisches Material aufweist. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt die Herstellung des mikromechanischen Bauelements, dessen Mikrostruktur auf zuverlässige Weise mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann über die in der Grabenstruktur angeordnete Verbindungsstruktur eine hohe mechanische Stabilität und Robustheit des mikromechanischen Bauelements erzielt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements;
- 2 bis 8 die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements durch Verbinden eines Funktionssubstrats mit einem zweiten Substrat, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
- 9 eine schematische seitliche Schnittdarstellung eines Funktionssubstrats zur Erläuterung einer Abwandlung eines Herstellungsverfahrens; und
- 10 bis 16 die Herstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements durch Verbinden eines Funktionssubstrats mit einem zweiten Substrat, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
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Anhand der folgenden Figuren werden Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements beschrieben, bei denen zwei Substrate im Rahmen eines Waferbondprozesses miteinander verbunden werden. Bei den Herstellungsverfahren können in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Prozesse und Materialien zum Einsatz kommen, so dass hierauf nur teilweise eingegangen wird. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass neben den dargestellten und beschriebenen Verfahrensschritten weitere Prozesse durchgeführt werden können.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, bei dem es sich zum Beispiel um einen Inertialsensor handelt. In dem Verfahren wird in einem Schritt 101 ein erstes Substrat bereitgestellt, welches an einer Seite eine Funktionsschicht aufweist, und welches im Folgenden als Funktionssubstrat bezeichnet wird. Auf dem Funktionssubstrat bzw. in dessen Funktionsschicht wird in einem nachfolgenden Schritt 102 eine vergrabene rahmenförmige Verbindungsstruktur - auch als „Bondschicht“ bzw. „Bondrahmen“ bezeichnet - ausgebildet, welche an eine Oberfläche des Substrats (bzw. der Funktionsschicht) heranreicht. Im Rahmen der Schritte 101 und 102 ist ferner vorgesehen, die Oberfläche des Substrats ebenflächig bzw. planar auszubilden. Neben der vergrabenen Ausgestaltung der Verbindungsstruktur kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Funktionssubstrat bei dem Schritt 101 oder bei dem Schritt 102 planarisiert wird.
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Hieran anschließend wird in einem Schritt 103 eine Mikrostruktur mit wenigstens einem beweglichen Funktionselement auf dem Funktionssubstrat bzw. in dessen Funktionsschicht ausgebildet, wobei u.a. ein photolithographisches Strukturierungsverfahren zum Einsatz kommt. Aufgrund der planen Substratoberfläche mit der vergrabenen bzw. versenkten Verbindungsstruktur kann das photolithographische Strukturierungsverfahren mit einer hohen Präzision durchgeführt werden, so dass die Mikrostruktur mit einer hohen Zuverlässigkeit und Genauigkeit mit gewünschten Abmessungen erzeugt werden kann.
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In einem weiteren Schritt 104 wird ein Bondprozess durchgeführt, wobei das Funktionssubstrat mit einem zweiten Substrat, welches im Folgenden als Kappensubstrat bezeichnet wird, verbunden wird. Das Kappensubstrat weist eine weitere rahmenförmige Verbindungsstruktur bzw. „Bondschicht“ auf, welche an die lateralen Abmessungen der vergrabenen Verbindungsstruktur des Funktionssubstrats angepasst ist, im Unterschied zu der vergrabenen Verbindungsstruktur jedoch an einer Oberfläche des Kappensubstrats hervorsteht. Bei dem Bondprozess werden die beiden rahmenförmigen Verbindungsstrukturen aneinander gedrückt und unter Temperatureinwirkung zu einer gemeinsamen Verbindungsstruktur verbunden, so dass ein um die Mikrostruktur herum angeordneter Verschluss gebildet wird. Auf diese Weise ist die Mikrostruktur in einem abgeschlossenen Hohlraum angeordnet, und hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet.
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Im Anschluss hieran können weitere Prozesse durchgeführt werden, welche in dem Ablaufdiagramm von 1 in einem weiteren Schritt 105 zusammengefasst sind. Hierunter fällt zum Beispiel das Durchführen eines Vereinzelungsprozesses, um ein separiertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen, und das Anordnen des Bauelements in einem Gehäuse und/oder Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Bauelementen.
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Mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens von 1, anhand derer weitere Details ersichtlich werden, werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben.
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Die 2 bis 8 zeigen die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 190 durch Verbinden eines Funktionssubstrats 110 mit einem Kappensubstrat 170, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung. Bei dem mikromechanischen Bauelement 190 kann es sich zum Beispiel um einen Beschleunigungssensor handeln, welcher in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.
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2 zeigt eine Darstellung des bereitgestellten Funktionssubstrats 110 nach Durchführen einer Reihe von Verfahrensschritten. Das Funktionssubstrat 110 weist an einer Seite eine Funktionsschicht 111 auf, wie (lediglich) in 2 anhand der gestrichelten Linie angedeutet ist. Auch weist das Funktionssubstrat 110 (bzw. dessen Funktionsschicht 111) eine ebene Oberfläche 115 auf. Das Ausbilden des in 2 gezeigten Funktionssubstrats 110 kann beispielsweise in der nachstehend beschriebenen Weise erfolgen.
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Zunächst wird ein Ausgangssubstrat 110 bereitgestellt, bei dem es sich beispielsweise um einen gängigen Wafer aus Silizium handelt. Auf das Substrat 110 werden mehrere Schichten aufgebracht, einschließlich der in 2 angedeuteten Funktionsschicht 111. Weitere unterhalb der Funktionsschicht 111 angeordnete Schichten sind zum Beispiel eine Isolationsschicht und eine Opferschicht (nicht dargestellt). Des weiteren ist es vorstellbar, dass in der Isolationsschicht eine oder mehrere eingefasste Leiterbahnebenen vorgesehen sind (nicht dargestellt). Derartige Leiterbahnstrukturen können dazu eingesetzt werden, eine Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements 190 bzw. einer Mikrostruktur 140 des Bauelements 190 zu ermöglichen.
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Bei der Funktionsschicht 111 kann es sich um eine sogenannte Epi-Polysiliziumschicht handeln, d.h. eine in einem Epitaxieverfahren erzeugte polykristalline Siliziumschicht. Da eine derartig aufgewachsene Schicht 111 üblicherweise eine raue Oberfläche aufweist (vgl. 10), wird zum Bereitstellen des Funktionssubstrats 110 von 2 mit der ebenen Oberfläche 115 ferner nach dem Aufbringen einer derartigen Funktionsschicht 111 ein Planarisierungsprozess durchgeführt. In Betracht kommt insbesondere ein CMP-Prozess (Chemisch-Mechanisches Polieren).
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Anschließend wird wie in 3 dargestellt auf dem Funktionssubstrat 110 (bzw. in dessen Funktionsschicht 111) eine sich von der Oberfläche 115 erstreckende Grabenstruktur 121 („inverser Bondrahmen“) ausgebildet. Die Grabenstruktur 121 weist (in der Aufsicht) eine einen Bereich des Funktionssubstrats 110 einfassende geschlossene Form auf, beispielsweise in Form eines Rechtecks oder in Form eines Kreisrings (nicht dargestellt). In dem umschlossenen Bereich wird in einem späteren Verfahrensstadium auch eine Mikrostruktur 140 ausgebildet.
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Im Querschnitt weist die Grabenstruktur 121 wie in 3 dargestellt eine im Wesentlichen rechteckförmige Kontur auf. Die Tiefe der Grabenstruktur 121 ist zum Beispiel im Mikrometer-Bereich, beispielsweise in einem Bereich von ein bis vier Mikrometern. Sowohl die Grabentiefe als auch die Grabenbreite der Grabenstruktur 121 kann je nach Menge eines in die Grabenstruktur 121 eingebrachten Verbindungsmaterials 130, über welches die Verbindung mit dem Kappensubstrat 170 hergestellt wird, gewählt bzw. festgelegt werden.
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Zum Ausbilden der Grabenstruktur 121 kann ein photolithographisches Strukturierungs- und Ätzverfahren durchgeführt werden. Hierbei wird zunächst eine Schicht eines Photolacks auf die Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 (bzw. der Funktionsschicht 111) aufgebracht (nicht dargestellt), und der Photolack (durch selektives Belichten und Entwickeln) strukturiert, wodurch die Oberfläche 115 teilweise freigelegt und die (laterale) Struktur der Grabenstruktur 121 (und damit des späteren Bondrahmens) festgelegt wird. Nachfolgend wird ein Grabenätzprozess durchgeführt, bei dem der strukturierte Photolack als Ätzmaske fungiert. Ein in Betracht kommender Prozess zum Graben- bzw. Siliziumätzen ist zum Beispiel ein Plasmaätzprozess. Im Anschluss hieran wird der Photolack wieder entfernt.
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Nach dem Ausbilden der Grabenstruktur 121 wird wie in 4 dargestellt eine Schicht eines Verbindungsmaterials 130 ganz- bzw. großflächig auf der Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 aufgebracht, wobei die Grabenstruktur 121 vollständig durch das Verbindungsmaterial 130 aufgefüllt wird. In Betracht kommende Verbindungsmaterialien 130 sind zum Beispiel Aluminium oder Kupfer. Zum Aufbringen des Verbindungsmaterials 130 kann ein Beschichtungsverfahren, d.h. je nach Material zum Beispiel eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapor Deposition) oder eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition), durchgeführt werden.
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In einem nachfolgenden Schritt wird das Verbindungsmaterial 130 außerhalb der Grabenstruktur 121 entfernt, so dass das Verbindungsmaterial 130 wie in 5 dargestellt lediglich innerhalb der Grabenstruktur 121 verbleibt bzw. die Grabenstruktur 121 (vollständig) bis zur Oberfläche 115 ausfüllt, und eine vergrabene rahmenförmige Verbindungsstruktur 131 („Bondschicht“) gebildet wird. Zu diesem Zweck kann ein Polierprozess wie zum Beispiel ein CMP-Prozess durchgeführt werden, bei dem das Verbindungsmaterial 130 selektiv zu Silizium (d.h. Material des Funktionssubstrats 110 bzw. dessen Funktionsschicht 111) abgetragen wird.
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Durch die versenkte Ausgestaltung der Verbindungsstruktur 131 ist die Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 (wieder) ebenflächig, wodurch nachfolgende Prozesse keiner Beeinflussung einer exponierten Struktur unterliegen. Dies trifft insbesondere auf das anschließende Ausbilden der in 6 dargestellten Mikrostruktur 140 (auch als „Sensorkern“ bezeichnet) mit beweglichen Funktionselementen in dem von der vergrabenen Verbindungsstruktur 131 umschlossenen Bereich des Funktionssubstrats 110 zu, welches in der nachstehend beschriebenen Weise erfolgen kann.
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Zunächst wird ein photolithographisches Strukturierungs- und Ätzverfahren durchgeführt, um Gräben auszubilden, durch welche die Funktionselemente der Mikrostruktur 140 vorstrukturiert werden. Zu diesem Zweck wird eine Schicht eines Photolacks großflächig auf der Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 (bzw. der Funktionsschicht 111) aufgebracht (nicht dargestellt). Die Photolackschicht wird ferner (durch selektives Belichten und Entwickeln) strukturiert, wodurch die Oberfläche 115 teilweise freigelegt und die (laterale) Struktur der Funktionselemente festgelegt wird. Danach folgt das Ätzen von Gräben, zum Beispiel durch Durchführen eines Plasmaätzverfahrens, wobei die strukturierte Photolackschicht als Ätzmaske dient. Die auf diese Weise hergestellten Gräben reichen bis zu der oben genannten Opferschicht unterhalb der Funktionsschicht 111 heran. Im Anschluss hieran werden die durch das Grabenätzen vorstrukturierten Funktionselemente der Mikrostruktur 140 freigelegt. Zu diesem Zweck wird ein Ätzmedium bzw. Ätzgas wie zum Beispiel Flusssäuredampf über die Gräben an die Opferschicht herangeführt, wodurch ein Teil der Opferschicht entfernt wird. Die Funktionselemente werden hierbei freigelegt und sind damit beweglich.
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Die ebene Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 begünstigt insbesondere das bei der Herstellung der Mikrostruktur 140 durchgeführte photolithographische Strukturierungsverfahren, da der eingesetzte Photolack in Form einer relativ ebenen Schicht auf der Oberfläche 115 aufgebracht bzw. aufgeschleudert werden kann. In dem nachfolgenden Belichtungsschritt können auf diese Weise unerwünschte Streuungseffekte, durch welche die Strukturgenauigkeit beeinträchtigt werden kann, weitgehend unterdrückt bzw. vermieden werden. Die Mikrostruktur 140 lässt sich daher mit einer hohen Zuverlässigkeit und Genauigkeit mit den gewünschten Abmessungen erzeugen.
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Hieran anschließend werden das Funktionssubstrat 110 und das Kappensubstrat 170, welches an einer Oberfläche eine hervorstehende rahmenförmige Verbindungsstruktur 175 aufweist, wie in 7 dargestellt zusammengeführt und durch Durchführen eines Waferbondprozesses miteinander verbunden, wodurch das in 8 dargestellte Bauelement 190 ausgebildet wird.
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Das Kappensubstrat 170 ist zum Beispiel ein weiterer Silizium-Wafer, auf welchem die Verbindungsstruktur 175 durch großflächiges Aufbringen einer entsprechenden Beschichtung und Strukturieren derselben erzeugt wird. In Betracht kommende Materialien für die Verbindungsstruktur 175, welche im Hinblick auf das Material 130 der Verbindungsstruktur 131 des Funktionssubstrats 110 abgestimmt sind, sind zum Beispiel Aluminium, Kupfer oder Germanium. Die Verbindungsstruktur 175 kann im Hinblick auf die Form und die lateralen Abmessungen im Wesentlichen der Verbindungsstruktur 131 des Funktionssubstrats 110 entsprechend. Möglich ist es auch, die Verbindungsstruktur 175 etwas schmaler zu gestalten (d.h. mit einer geringeren Strukturbreite), um eine zuverlässige Verbindung im Rahmen des Bondprozesses auch bei einem Versatz der Substrate 110, 170 zu ermöglichen.
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Bei dem Bondprozess werden die Verbindungsstrukturen 131, 175 der beiden Substrate 110, 170 unter Temperatureinwirkung aneinandergedrückt, und bilden wie in 8 dargestellt eine gemeinsame und um die Mikrostruktur 140 herum angeordnete Verbindungsstruktur 180. Hierdurch ist die Mikrostruktur 140 in einem abgeschlossenen Hohlraum angeordnet, und auf diese Weise hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet. Das Verbinden der beiden Substrate 110, 170 kann bei einer definierten Atmosphäre mit einem vorgegebenen (beispielsweise sehr geringen) Druck durchgeführt werden, um einen definierten Druck in dem Hohlraum zwischen den beiden Substraten 110, 170 einzustellen.
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Im Hinblick auf den Bondprozess wird entweder ein eutektischer Bondprozess oder ein Thermokompressions-Bondprozess durchgeführt, was von den Materialien der Verbindungsstrukturen 131, 175 der beiden Substrate 110, 175 abhängt. Bei einem eutektischen Bondprozess, bei welchem aus verschiedenen Materialien eine eutektische Legierung bzw. ein Eutektikum gebildet wird, weisen die Verbindungsstrukturen 130, 175 entsprechende aufeinander abgestimmte Materialien, zum Beispiel Aluminium und Germanium, auf. In dieser Hinsicht kann die die beiden Substrate 110, 170 des Bauelements 190 verbindende Verbindungsstruktur 180 eine Aluminium-Germanium-Legierung aufweisen. Bei einem Thermokompressions-Bondprozess weisen die Verbindungsstrukturen 131, 175 jeweils das gleiche metallische Material, also zum Beispiel Aluminium oder Kupfer auf, so dass die gemeinsame Verbindungsstruktur 180 ebenfalls Aluminium oder Kupfer aufweisen kann.
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Bei dem Bauelement 190 ist die gemeinsame Verbindungsstruktur 180 ebenfalls in der Grabenstruktur 121 des Funktionssubstrats 110 angeordnet bzw. wird die Grabenstruktur 121 durch die Verbindungsstruktur 180 bzw. einen Teil der Verbindungsstruktur 180 ausgefüllt. Auf diese Weise wird eine „Verzahnung“ der Verbindungsstruktur 180 an dem Funktionssubstrat 110 bewirkt, wodurch das Bauelement 190 eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere kann eine hohe Robustheit gegenüber lateralen Scherkräften erzielt werden.
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Im Anschluss an die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte und Prozesse können weitere Prozesse durchgeführt werden, um die Herstellung des Bauelements 190 zu vervollständigen. Ein möglicher Prozess ist zum Beispiel ein Vereinzelungsprozess, um das Bauelement 190 (von anderen Bauelementen) zu separieren.
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Im Hinblick auf das in den 2 bis 8 dargestellte Verfahren kann das Entfernen des Verbindungsmaterials 130 außerhalb der Grabenstruktur 121 auch ohne den anhand der 4 und 5 beschriebenen Polierprozess durchgeführt werden. Ein möglicher Prozess ist eine „Lackplanarisierung“, welche im Folgenden anhand von 9 näher beschrieben wird.
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9 zeigt eine 4 entsprechende Darstellung des Funktionssubstrats 110 mit der großflächig aufgebrachten Schicht des Verbindungsmaterials 130. Aufgrund der Grabenstruktur 121 weist die aufgebrachte Schicht des Verbindungsmaterials 130 im Bereich der Grabenstruktur 121 eine Ausnehmung 150 auf. In diese Ausnehmung 150 wird ein Füllmaterial 151 eingebracht. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Polymermaterial bzw. einen Photolack 151 handeln, welcher durch Aufschleudern die Topographie der Schicht des Verbindungsmaterials 130 ausgleichen kann, und daher wie in 9 dargestellt lediglich innerhalb der Ausnehmung 150 angeordnet ist.
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In dieser Ausgestaltung kann zum Entfernen des Verbindungsmaterials 130 außerhalb der Grabenstruktur 121 und zum Ausbilden der vergrabenen Verbindungsstruktur 131 (vgl. 5) ein Ätz- bzw. Rückätzprozess durchgeführt werden, bei welchem das Verbindungsmaterial 130 und das Füllmaterial 150 im Wesentlichen mit der gleichen Ätzrate geätzt werden, und somit ein gleichmäßiger Abtrag der beiden Materialien 130, 151 stattfindet. Gegenüber einem Polieren lässt sich dieser Prozess mit geringeren Kosten durchführen.
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Die 10 bis 16 zeigen ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements 191 durch Verbinden eines Funktionssubstrats 110 mit einem Kappensubstrat 170, welches ähnlich bzw. vergleichbar ist zu dem anhand der 2 bis 8 beschriebenen Verfahren. Daher wird im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf einsetzbare Verfahrensschritte, mögliche Materialien, genannte Vorteile usw. beziehen, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.
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Bei diesem Verfahren wird wie in 10 dargestellt ein Funktionssubstrat 110 mit einer (lediglich in 10 angedeuteten) Funktionsschicht 112 an einer Seite bereitgestellt. Bei der Funktionsschicht 112 kann es sich erneut um eine Epi-Polysiliziumschicht handeln, welche (neben anderen Schichten) auf einem Ausgangssubstrat bzw. einem Wafer aus Silizium ausgebildet ist. Im Unterschied zu 2 ist die Funktionsschicht 112 bei dem bereitgestellten Funktionssubstrat 110 von 10 (noch) keiner Planarisierung unterzogen. Das Funktionssubstrat 110 bzw. dessen Funktionsschicht 112 weist daher eine raue Oberfläche 116 auf.
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Nachfolgend wird wie in 11 dargestellt eine sich von der rauen Oberfläche 116 erstreckende Grabenstruktur 122 („inverser Bondrahmen“) auf dem Funktionssubstrat 110 (bzw. in dessen Funktionsschicht 112) ausgebildet, was im Rahmen eines photolithographischen Strukturierungs- und Ätzverfahrens durchgeführt werden kann. Hierbei wird die raue Oberfläche 116 auch in die Grabenstruktur 122 übertragen, so dass die Grabenstruktur 122 im Unterschied zu der Grabenstruktur 121 (vgl. 3) einen rauen Bodenbereich aufweist. Auch wird die Grabenstruktur 122 vorzugsweise mit einer etwas größeren Ätz- bzw. Grabentiefe als die Grabenstruktur 121 ausgebildet, was im Hinblick auf einen späteren Polierschritt (mit einem Abtrag von zum Beispiel ein bis vier Mikrometern, abhängig von der Schichtdicke des aufgewachsenen Epi-Polysiliziums) gewählt wird. Die Grabenstruktur 122 weist (in der Aufsicht) eine einen Bereich des Funktionssubstrats 110 umschließende Form auf.
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Hieran anschließend wird wie in 12 dargestellt ein Verbindungsmaterial 130 großflächig auf der Oberfläche 116 des Funktionssubstrats 110 aufgebracht, wobei das Verbindungsmaterial 130 auch in die Grabenstruktur 122 eingebracht wird. Die Grabenstruktur 122 kann hierbei lediglich teilweise mit dem Verbindungsmaterial aufgefüllt sein, so dass das Verbindungsmaterial 130 (im Unterschied zu 4) keine durchgehende Schicht bildet.
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Nachfolgend wird ein Polierprozess, insbesondere ein CMP-Prozess, durchgeführt, in welchem sowohl das Verbindungsmaterial 130 außerhalb der Grabenstruktur 122 entfernt, als auch das Funktionssubstrat 110 planarisiert wird. Auf diese Weise wird das Funktionssubstrat 110 mit der in 13 gezeigten Ausgestaltung ausgebildet. Das Funktionssubstrat 110 weist hierbei eine ebene Oberfläche 115 und eine vergrabene Verbindungsstruktur 132 auf, welche durch das die Grabenstruktur 122 (vollständig) bis zur Oberfläche 115 ausfüllende Verbindungsmaterial 130 gebildet wird.
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Nachfolgend wird wie in 14 dargestellt eine Mikrostruktur 140 mit beweglichen Funktionselementen auf dem Funktionssubstrat 110 in dem von der Verbindungsstruktur 132 umschlossenen Bereich ausgebildet. Zu diesem Zweck kann ein photolithographisches Strukturierungs- und Ätzverfahren durchgeführt werden, um Gräben zur Vorstrukturierung der Funktionselemente auszubilden, und nachfolgend ein Ätzmedium in die Gräben geleitet werden, um die Funktionselemente freizulegen. Erneut erweist sich die ebene Oberfläche 115 des Funktionssubstrats 110 von Vorteil im Hinblick auf das photolithographische Strukturierungsverfahren, da der eingesetzte Photolack als ebenflächige Schicht auf der Oberfläche 115 aufgebracht bzw. aufgeschleudert werden kann. Die Mikrostruktur 140 kann folglich mit einer hohen Genauigkeit ausgebildet werden.
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Im Anschluss hieran werden das Funktionssubstrat 110 und das Kappensubstrat 170, welches an einer Oberfläche eine hervorstehende rahmenförmige Verbindungsstruktur 175 aufweist, wie in 15 dargestellt zusammengeführt und durch Durchführen eines Waferbondprozesses (d.h. eines eutektischen Bondprozesses oder eines Thermokompressions-Bondprozesses) miteinander verbunden, um das in 16 dargestellte Bauelement 191 auszubilden. Bei dem Bondprozess werden die Verbindungsstrukturen 132, 175 der beiden Substrate 110, 170 unter Temperatureinwirkung aneinandergedrückt, und bilden eine gemeinsame und um die Mikrostruktur 140 herum angeordnete Verbindungsstruktur 181, wodurch die Mikrostruktur 140 in einem abgeschlossenen Hohlraum angeordnet und hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.
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Bei dem in den 10 bis 16 dargestellten Verfahren wird der anhand der 12 und 13 beschriebene Polierschritt sowohl zum Entfernen des Verbindungsmaterials 130 außerhalb der Grabenstruktur 122 als auch zum Planarisieren des Funktionssubstrats 110 genutzt. Auf diese Weise lässt sich dieses Verfahren mit einem relativ geringen Aufwand und relativ geringen Kosten durchführen. Darüber hinaus kann durch den aufgerauten Bodenbereich der Grabenstruktur 122 eine zusätzliche „Verzahnung“ bzw. eine verbesserte Fixierung und damit eine gesteigerte mechanische Festigkeit der gemeinsamen Verbindungsstruktur 181 erzielt werden.
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Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Anstelle der beschriebenen Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen umfassen können.
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Im Hinblick auf genannte Materialien besteht beispielsweise die Möglichkeit, diese durch andere Materialien zu ersetzen. Auch können andere Substrate mit einem anderen Aufbau bzw. anderen Strukturen bereitgestellt und/oder mit einem anderen Halbleitermaterial als Silizium verwendet werden, um ein mikromechanisches Bauelement mit den oben beschriebenen Ansätzen herzustellen. Ferner können weitere als die beschriebenen Prozesse durchgeführt und/oder weitere Elemente und Strukturen ausgebildet werden.
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Beispielsweise besteht die Möglichkeit, das Kappensubstrat 170 mit einer zusätzlichen Ausnehmung bzw. Kavität innerhalb der Verbindungsstruktur 175 bereitzustellen, welche nach dem Verbinden des Kappensubstrats mit dem Funktionssubstrat einen Teil des Hohlraums für die Mikrostruktur 140 bildet. Das Kappensubstrat 170 kann ferner weitere elektrische bzw. elektronische Strukturen aufweisen. In dieser Hinsicht kann es sich bei dem Kappensubstrat 170 zum Beispiel um einen ASIC-Wafer (Application Specific Integrated Circuit) handeln.
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Auch kann die dargestellte Verbindungsstruktur 175 des Kappensubstrats 170 lediglich in Form einer hervorstehenden Struktur ausgebildet sein, welche durch Entfernen bzw. Ätzen von Substratmaterial des Kappensubstrats 170 (außerhalb der Verbindungsstruktur 175) gebildet wird. Im Falle eines Kappensubstrats 170 aus Silizium, bei welchem die Verbindungsstruktur 175 bei einer solchen Ausgestaltung ebenfalls Silizium aufweist, kann als Verbindungsmaterial 130 des Funktionssubstrats 110 beispielsweise Gold in Betracht kommen. Auf diese Weise kann das Verbinden der Substrate 110, 170 durch einen eutektischen Bondprozess erfolgen, wobei die in dem Bondprozess gebildete gemeinsame Verbindungsstruktur 180, 181 eine Silizium-Gold-Legierung umfasst.
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Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Verbindungsstrukturen 131, 132, 175 (in der Aufsicht) nicht nur die Form eines geschlossenen Rahmens aufweisen können. Möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher lediglich ein Teilbereich rahmenförmig ist, um eine Mikrostruktur 140 zu umschließen. Wenigstens ein weiterer (zum Beispiel balkenförmiger) Teilbereich kann sich von dem rahmenförmigen Teilbereich erstrecken bzw. an diesen angrenzen.
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Darüber hinaus ist das Verfahren nicht auf die Herstellung von Inertialsensoren beschränkt, sondern kann in entsprechender Weise auch zum Herstellen von Drucksensoren herangezogen werden. In einem solchen Fall kann die auf dem Funktionssubstrat ausgebildete Mikrostruktur eine verformbare Membran mit zum Beispiel piezoresistiven Elementen aufweisen, und kann durch das Verbinden des Funktionssubstrats mit dem Kappensubstrat eine Absolut- bzw. Referenzdruckkammer des betreffenden Drucksensors erzeugt werden.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht auf die Herstellung einer einzelnen von einem Bondrahmen umschlossenen Mikrostruktur beschränkt ist. Durch das Verfahren können mehrere Bauelemente mit jeweils einer oder mehreren umschlossenen Mikrostrukturen im Wesentlichen gleichzeitig oder parallel durch Verbinden eines Funktionssubstrats mit einem Kappensubstrat hergestellt werden, wobei entsprechende rahmenförmige Verbindungsstrukturen bzw. Verbindungsstrukturen mit zusammenhängenden rahmenförmigen Teilbereichen zum Einsatz kommen.
