DE102013222517A1

DE102013222517A1 - Mikromechanische Sensoreinheit und Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoreinheiten

Info

Publication number: DE102013222517A1
Application number: DE201310222517
Authority: DE
Inventors: Julian Gonska; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-05-07
Also published as: CN104627950A; US9670055B2; US20150123217A1; CN104627950B

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoreinheit vor, wobei die mikromechanische Sensoreinheit ein Substrat und eine Verschlusskappe umfasst, wobei im ersten Verfahrensschritt das Substrat und die Verschlusskappe derart ausgestaltet und zusammengefügt werden, dass durch die Verbindung von Verschlusskappe und Substrat eine einen ersten Druck aufweisende erste Kavität, in der ein erstes Sensorelement angeordnet ist, und eine einen zweiten Druck aufweisende zweite Kavität, in der ein zweites Sensorelement, angeordnet ist, hergestellt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein in die erste Kavität führender verschließbarer Kanal hergestellt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt der erste Druck in der ersten Kavität über den verschließbaren Kanal festgelegt wird

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche mikromechanische Sensoreinheit ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2006 016 260 A1 bekannt und erlaubt es, mehrere unterschiedliche Sensorelemente mit unterschiedlichen Anforderungen an die sie umgebende Atmosphäre in einer mikromechanischen Sensoreinheit zu vereinen. Dabei sind die unterschiedlichen Sensorelemente, üblicherweise ein Beschleunigungssensor und ein Drehratensensor, in unterschiedlichen Kavitäten angeordnet und umfassen vorzugsweise eine seismische Masse. Für derartige mikromechanische Vorrichtungen ist es in der Regel vorgesehen, die unterschiedlichen Sensorelemente gleichzeitig, d. h. in einem Verfahrensschritt, auf einem Substrat herzustellen, wodurch in einer einzelnen mikromechanische Sensoreinheit besonders kleine und kostengünstige Kombinationen von unterschiedlichen Sensorsystemen realisierbar sind. Für die betreffenden mikromechanischen Sensoreinheiten besteht dabei die technische Herausforderung, die Sensorelemente unter dem für sie jeweils vorgesehenen und zumeist unterschiedlichen Druck zu betreiben. Während nämlich beispielsweise für einen Drehratensensor ein möglichst geringer Druck (ca. 1 mbar) wünschenswert ist, damit die resonant angetriebene seismische Masse des Drehratensensors nur eine geringfügige Dämpfung erfährt, werden Beschleunigungssensoren vorzugsweise bei einem ungefähr 500 mal größeren Druck betrieben. Der Stand der Technik nutzt üblicherweise Getter-Materialien zur Einstellung des gewünschten, von Kavität zu Kavität unterschiedlichen Drucks. Dieses Getter-Material wird beispielsweise in die Kavität eingebracht, für die ein niedriger Druck vorgesehen ist, und ist in einem aktivierten Zustand in der Lage, Gasmoleküle einzufangen, wodurch sich der Gasdruck in der Kavität verringert. Üblicherweise wird das Getter-Material aktiviert, indem die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet. Der Einsatz von zusätzlichen und damit mit Mehrkosten verbundenen Getter-Materialien bei der Produktion der mikromechanischen Sensoreinheit erweist sich dabei als Nachteil. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein mikromechanische Sensoreinheit zur Verfügung stellen, bei der einerseits Sensorelemente in verschiedenen Kavitäten mit unterschiedlichen Drücken vereint werden und die andererseits kostengünstig und ohne großen Aufwand realisierbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoreinheit, die ein Substrat und eine Verschlusskappe umfasst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Substrat und die Verschlusskappe derart zusammengefügt werden, dass eine erste und eine zweite Kavität entstehen. In der ersten Kavität mit einem ersten Druck ist ein erstes Sensorelement, wie z.B. ein Beschleunigungssensor, angeordnet, während in der zweiten Kavität mit einem zweiten Druck ein zweites Sensorelement, wie z.B. ein Drehratensensor, angeordnet ist. Typischerweise herrscht unmittelbar nach dem ersten Verfahrensschritt in der erste Kavität und der zweiten Kavität derselbe Druck. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass dann in einem zweiten Verfahrensschritt ein in die erste Kavität führender verschließbarer Kanal hergestellt wird. Beispielsweise wird der Kanal in das Substrat und/oder in die Verschlusskappe integriert. Über den verschließbaren Kanal wird anschließend in einem dritten Verfahrensschritt der erste Druck in der ersten Kavität geändert, wobei ein erster Druck einstellbar ist, der sich vom zweiten Druck in der zweiten Kavität unterscheidet.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik, dass bei der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer mikromechanische Sensoreinheit mit zwei Kavitäten auf den Einsatz von Getter-Materialien verzichtet werden kann und trotzdem in den beiden Kavitäten unterschiedliche Drücke realisierbar sind. Besonders vorteilig ist es, dass die Drücke in den Kavitäten an die Anforderungen der in die Kavitäten integrierten Sensorelemente anpassbar sind. Insbesondere ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, auf eine für die Aktivierung des Getter-Materials notwendige Temperaturerhöhung zu verzichten. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise Schäden vermeiden, die andernfalls durch diese Temperaturerhöhung entstehen könnten. Außerdem bietet die vorliegende Erfindung einen möglichst einfachen Weg, um den Druck in der Kavität zu ändern, wobei sich die vorliegende Erfindung auch dadurch auszeichnet, dass die Druckänderung zu fast jedem beliebigen Zeitpunkt durchführen lässt nachdem das Substrat und die Verschlusskappe verbunden wurden. Als Resultat ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Ändern des Drucks in der ersten Kavität zu einem für die Produktion am sinnvollen bzw. vorteilhaften Zeitpunkt während der Herstellungskette erfolgen zu lassen. Dabei ist es möglich, dass das Substrat einen Auswertungswafer umfasst. Ein solcher Auswertungswafer weist vorzugsweise Leiterbahnen, Elektroden und Auswertungsvorrichtungen auf, über die das erste und das zweite Sensorelement mit einer Leiterplatte bzw. einem Chip elektrisch kommunizierend verbunden sind. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement im Substrat und/oder in der Verschlusskappe integriert sind oder Bestandteil eines Zwischenwafers sind, der zwischen Substrat und Verschlusskappe angeordnet ist. Außerdem ist es vorstellbar, dass das Substrat und die Verschlusskappe über ein Verbindungsmittel, beispielsweise in Form einer Klebesubstanz, verbunden sind. Vorzugsweise werden Substrat und Verschlusskappe mittels eines AlGeeutektisches- oder eines Sealglas-Bondverfahrens miteinander verbunden. Es ist auch vorstellbar, dass der zweite Verfahrensschritt die Herstellung eines zweiten Kanals umfasst und im dritten Verfahrensschritt auch der Druck in der zweiten Kavität über den zweiten Kanal festgelegt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in einem vierten Verfahrensschritt der verschließbare Kanal mit einem ersten Verschlussmittel und/oder einem zweiten Verschlussmittel verschlossen wird. Insbesondere ist das erste Verschlussmittel, insbesondere dessen Viskosität derart gewählt, dass das erste Verschlussmittel zwar teilweise in den verschließbaren Kanal eindringt, jedoch nicht durch den verschließbaren Kanal hindurchfließt bevor es ausgehärtet bzw. ausgetrocknet ist. Die Verwendung eines zweiten Verschlussmittels bietet sich an, wenn die Gefahr besteht, dass Gas im Kontaktbereich zwischen mikromechanische Sensoreinheit und erstem Sensor Einheit auf Dauer in die erste Kavität ein bzw. aus der ersten Kavität austreten kann. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein besonders stabiler bzw. robuster Verschluss realisieren und der erste Druck in der ersten Kavität lässt sich möglichst lange konstant halten.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in einem ergänzenden Verfahrensschritt eine Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels realisiert wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels in das Substrat und/oder in die Verschlusskappe integriert wird. Die Aussparung ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass das erste Verschlussmittel zusammen mit der mikromechanische Sensoreinheit einen möglichst bündigen Abschluss bildet und dadurch das erste Verschlussmittel besonders bauraumsparend und stabil den verschließbaren Kanal verschließt. Es ist dabei vorstellbar, dass der ergänzende Verfahrensschritt zeitlich nach oder vor dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass

– das erste Verschlussmittel derart in der Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels angeordnet wird, dass eine weitere Aussparung zur Aufnahme des zweiten Verschlussmittels durch die Aufnahme des ersten Verschlussmittels realisiert wird und/oder
– das zweite Verschlussmittel derart auf dem ersten Verschlussmittel angeordnet wird, dass das erste Verschlussmittel von dem zweiten Verschlussmittel und der mikromechanische Sensoreinheit vollständig umschlossen wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein besonders stabiler und luftdichter Verschluss des verschließbaren Kanals realisieren.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt

– der verschließbare Kanal und/oder die Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels mit einem Ätzverfahren realisiert wird und/oder
– durch das Ätzverfahren zur Realisierung des Kanals nur diejenigen Bereiche der ersten Kavität geätzt werden, die kein Bestandteil des ersten Sensorelements sind. Das Ätzen des verschließbaren Kanal hat den Vorteil, dass auf aus der Halbleitertechnik bekannte Verfahren zurückgegriffen werden kann und keine neuen Verfahren konzipiert werden müssen. Außerdem ist es vorstellbar, dass die Ätzverfahren zum Ätzen Ätzvorrichtungen nutzen können, die bereits zur Herstellung des Substrats oder der Verschlusskappe verwendet wurden. Es müsste daher keine neue Vorrichtung zur Herstellung des verschließbaren Kanals hergestellt werden, wodurch in vorteilhafter Weise Geld für die Beschaffung einer solchen Vorrichtung eingespart werden kann. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Position für das Ätzverfahrens derart gewählt wird, dass das erste Sensorelement durch das Ätzverfahren nicht beschädigt wird. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Ätzverfahren einen möglichst schmalen verschließbaren Kanal realisiert, weil dann in vorteilhafter Weise der Materialbedarf an erstem Verschlussmittel sinkt und der Verschluss einfacher realisierbar ist als für einen Kanal mit einem größeren Durchmesser.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die mikromechanische Sensoreinheit eine Schutzvorrichtung für den zweiten Verfahrensschritt umfasst, wobei die Schutzvorrichtung eine Ätzstoppschicht, einen Opferätzbereich und/oder einen Steg umfasst. Die Schutzvorrichtung dient in vorteilhafter Weise dazu, das erste Sensorelement vor Beschädigung durch das Ätzverfahren im Wesentlichen zu beschützen. Insbesondere wird die Schutzvorrichtung bzw. die Kombination aus Schutzvorrichtungen an das jeweilige Ätzverfahren angepasst.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Verschlussmittel zumindest teilweise ein Polymer und das zweite Verschlussmittel zumindest teilweise ein Metall aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Polymer um einen Fotolack. Durch die Materialwahl kann in vorteilhafter Weise ein möglichst luft- bzw. gasdichter Verschluss des verschließbaren Kanals realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt das zweite Verschlussmittel strukturiert wird. Beispielsweise wird das zweite Verschlussmittel zugeschnitten und dadurch die Ausdehnung der mikromechanischen Vorrichtung verringert. Es ist auch vorstellbar, dass das zweite Verschlussmittel abgeschliffen wird und dadurch eine möglichst glatte Oberfläche für die mikromechanische Sensoreinheit realisierbar ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische Sensoreinheit, wobei die mikromechanische Sensoreinheit eine erste und eine zweite Kavität umfasst. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der ersten Kavität ein erstes Sensorelement bei einem ersten Druck und in der zweiten Kavität ein zweites Sensorelement bei einem zweiten Druck angeordnet ist. Außerdem verfügt die mikromechanische Sensoreinheit über mindestens einen in die erste Kavität führenden verschließbaren Kanal zur Festlegung des ersten Drucks in der ersten Kavität.
Durch den verschließbaren Kanal verfügt die mikromechanische Sensoreinheit über eine besonders stabile und robuste Vorrichtung zur Festlegung des ersten Drucks in der ersten Kavität. Typischerweise umfasst die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene und der verschließbare Kanal erstreckt sich in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der verschließbare Kanal derart am Substrat und/oder an der Verschlusskappe angeordnet ist, dass der Teil des Substrats und/oder der Verschlusskappe ohne Kanal das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung vollständig bedeckt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise das erste Sensorelement im Wesentlichen vor Verschmutzungen oder Ätzgasen geschützt, die durch den verschließbaren Kanal eintreten könnten.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der verschließbare Kanal mit einem ersten Verschlussmittel und/oder mit einem zweiten Verschlussmittel verschlossen ist. Es handelt sich hierbei um eine besonders stabile mikromechanische Sensoreinheit, die in der Lage ist, zwei Kavitäten mit unterschiedlichem Druck für jeweils unterschiedliche Sensorelemente zur Verfügung zu stellen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass

– die mikromechanische Sensoreinheit eine Haupterstreckungsebene aufweist,
– die mikromechanische Sensoreinheit eine Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels aufweist und/oder
– das zweite Verschlussmittel das erste Verschlussmittel vollständig in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung bedeckt. Eine solche mikromechanische Sensoreinheit ist in der Lage, in vorteilhafter Weise möglichst lange den Druck innerhalb der ersten Kavität konstant zu halten.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Substrat einen Auswertungswafer mit Leitungsbahnen, Elektroden und Auswertungsmittel und/oder das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement umfasst. Durch die Integration von weiteren Elementen in das Substrat lässt sich eine besonders bauraumsparende mikromechanische Sensoreinheit realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement ein Drehratensensor, ein Beschleunigungssensor oder ein lorentzkraftbasierender Magnetfeldsensor ist. Es ist ein Vorteil unterschiedlichste Sensorelement in einer mikromechanische Sensoreinheit zu vereinen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine mikromechanische Sensoreinheit mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement gemäß dem Stand der Technik,
2 eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform,
3 eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform,
4 eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform,
5 zeigt eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform,
6 zeigt eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform,
7 eine mikromechanische Sensoreinheit gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform und
8 ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanische Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die einzelnen bis Momentaufnahmen während diesen beispielhaften Verfahrens sind.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine mikromechanische Sensoreinheit 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Eine solche mikromechanische Sensoreinheit 1 umfasst typischerweise ein erstes Sensorelement 11 und ein zweites Sensorelement 12, wobei das erste Sensorelement 11 und das zweite Sensorelement 12 beispielsweise Bestandteil eines Substrats 4 sind. Vorzugsweise umfasst das Substrat 4 neben dem ersten und dem zweiten Sensorelement 11 und 12 auch einen Substratgrundkörper 7 und einen Auswertungswafer 6 mit Leitungsbahnen und Auswertungseinheiten. Mit Hilfe solcher zumeist im Auswertungswafer 6 vergrabenen Leitungsbahnen und Auswertungseinheiten lassen sich die mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement 11 und 12 ermittelten Messwerte auswerten und/oder weiterleiten. Weiterhin weist die mikromechanische Sensoreinheit 1 eine Verschlusskappe 5 auf, die das erste und das zweite Sensorelement 11 und 12 nicht nur vor dem Umfeld der mikromechanische Sensoreinheit 1 schützt, sondern es auch ermöglicht, dem ersten bzw. zweiten Sensorelement 11 bzw. 12 eine für das jeweilige Sensorelement optimal angepasste Atmosphäre zur Verfügung zu stellen. Die Bezeichnung Atmosphäre ist hier als Sammelbegriff zu verstehen, der unteranderem solche Eigenschaften wie Druck und Gastyp bzw.- sorte (, die das erste bzw. das zweite Sensorelement 11 bzw. 12 umgibt,) zusammenfasst. Insbesondere ist es in der Regel vorgesehen, dass das erste Sensorelement 11, das zweite Sensorelement 12, das Substrat 4 und die Verschlussklappe 5 derart ausgestaltet und angeordnet sind, d. h. konfiguriert sind, dass das erste Sensorelement 11 mit einer ersten Atmosphäre in einer ersten Kavität 21 und das zweite Sensorelement 12 mit einer zweiten Atmosphäre in einer zweiten Kavität 22 angeordnet bzw. eingeschlossen wird. Dabei ist es vorstellbar, dass die Verschlusskappe 5 und das Substrat 4 mittels eines Verbindungsmittels 3 aneinander gebunden sind. In der Regel sind in die Kavitäten Anschläge 2 und/oder Antihaftbeschichtungen integriert, die die Funktionalität des ersten und/oder des zweiten Sensorelements 11 und/oder 12 gewährleisten bzw. verbessern bzw. deren Beschädigung im Gebrauch verhindern. Vorzugsweise unterscheidet sich die erste Atmosphäre in der ersten Kavität 21 von der zweiten Atmosphäre in der zweiten Kavität 22. Durch eine individuell an das Sensorelement angepasste Atmosphäre lassen sich die optimalen Rahmenbedingungen für das jeweilige Sensorelement realisieren, wobei die einzelnen Sensorelemente gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substratkörper 7 Platz finden bzw. Teil eines gemeinsamen Substrats 4 sind. Beispielsweise lässt sich eine mikromechanische Sensoreinheit 1 erzeugen, die als erstes Sensorelement 11 ein Beschleunigungssensor und als zweites Sensorelement 12 ein Drehratensensor aufweist. Während der Drehratensensor typischerweise bei einem geringem Druck (1 mbar) eingeschlossen wird, ist es für einen optimalen Betrieb für den Beschleunigungssensor wünschenswert, den Beschleunigungssensor bei einem hohen Druck (500 mbar) zu betreiben. Dank der ersten Atmosphäre in der ersten Kavität 11 und der zweiten Atmosphäre in der zweiten Kavität 12, wobei sich die erste Atmosphäre von der zweiten Atmosphäre unterscheidet, lassen sich in vorteilhafter Weise dann Beschleunigungssensor und Drehratensensor in einer einzelnen mechanischen Sensoreinheit 1 vereinen. Insbesondere ist es von Vorteil, einen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor in einer mechanischen Sensoreinheit 1 zu vereinen, weil dadurch beide Sensoren aus einem Substrat 4 bzw. auf einem Substratkörper 7 hergestellt werden können, wodurch sich gleichermaßen Kosten einsparen (im Vergleich zur individuellen Herstellung von Beschleunigungssensor und Drehratensensor auf unterschiedlichen Substratkörpern bzw. Substraten) lassen und baumraumsparende mikromechanische Vorrichtungen 1 realisierbar sind. Typischerweise lassen sich unterschiedliche Drücke in der ersten bzw. zweiten Kavität 21 bzw. 22 mit Hilfe von einem Getter 8 erzielen, wobei der Getter 8 beispielsweise in die zweite Kavität 22 integriert wird, dort unter hohem Druck eingeschlossen wird und schließlich in Folge einer Temperaturänderung der Getter dafür sorgt, dass der Druck in der zweiten Kavität 22 reduziert wird. Dieses Verfahren ist bei der Herstellung der mikromechanischen Sensoreinheit mit erheblichen Mehraufwand und -kosten verbunden.
In 2 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform einer mikromechanischen Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Vergleich zur mikromechanischen Sensoreinheit 1 mit einer ersten und einer zweiten Kavität 21 und 22 aus dem Stand der Technik (siehe 1), weist die zweite Kavität 22 gemäß der ersten beispielhaften mikromechanische Sensoreinheit 1 in vorteilhafter Weise kein Getter 8 auf. Damit wird die Atmosphäre in der zweiten Kavität 22 beim Verschließen während eines ersten Verfahrensschritts – im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung der mikromechanische Sensoreinheit 1 – bestimmt. Unmittelbar nach dem Verschließen entsprechen die erste und die zweite Atmosphäre in der ersten und der zweiten Kavität 21 und 22 einander, insbeosondere entspricht der Druck in der ersten Kavität dem Druck in der zweiten Kavität. Zur Realisierungen einer von der zweiten Atmosphäre unterscheidbaren ersten Atmosphäre ist erfindungsgemäß ein verschließbarerer Kanal 9 vorgesehen, der beispielsweise in die Verschlusskappe 5 in einem zweiten Verfahrensschritt eingeätzt wird. Vorzugsweise wird der Kanal 9 derart am Substrat 4 angeordnet, dass beim Ätzen im zweiten Verfahrensschritt das erste Sensorelement 11 nicht beschädigt wird. Besonders bevorzugt wird deshalb der Kanal 9 an der Stelle im Substrat 4 und/oder der Verschlusskappe 5 angeordnet, die nicht oberhalb bzw. unterhalb des ersten Sensorelements 11 angeordnet ist. In 2 wurde in die Verschlusskappe 9 ein verschließbarer Kanal 9 im zweiten Verfahrensschritt derart eingeätzt, dass der verschließbare Kanal 9 im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der mikromechanische Sensoreinheit 1 verläuft. Dabei wird die Position, an der das Ätzverfahren angesetzt wird, derart gewählt, dass der Kanal 9 nicht oberhalb des ersten Sensorelements 11 verläuft. Statt das erste Sensorelement 11 beim Ätzen zu beschädigen, hinterlässt das Ätzverfahren eine Ätzspur 8 im Substrat 4, wobei die Ätzspur 8 die Funktionalität des ersten Sensorelements 11 im Wesentlichen nicht einschränkt oder verhindert. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Kanal 9 in seiner Breite sehr viel kleiner ist als die laterale Ausdehnung der Verschlusskappe 5, wodurch das Verschließen des verschließbaren Kanals 9 vorteilig vereinfacht wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Atmosphäre in der ersten Kavität 21 über den verschließbaren Kanal 9 derart einstellbar ist, dass sich die erste Atmosphäre in der ersten Kavität 21 von der zweiten Atmosphäre in der zweiten Kavität 22 unterscheidet. Es ist dabei vorstellbar, dass Druck und/oder Gasart nach dem zweiten Verfahrensschritt in der zweiten Kavität 22 durch das Einlassen eines Gases und/oder Ablassen eines Gases veränderbar bzw. manipulierbar sind. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt der verschließbare Kanal 9 mit einem ersten und einem zweiten Verschlussmitteln 31 und 32 verschlossen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Verschlussmittel 31 um ein Polymer, wie beispielsweise um einen Fotolack. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Verschlussmittel 31 um einen organischen Lack, insbesondere um einen Fluor-basierten Lack, wie z.B. Polyimide, die Temperaturen oberhalb von mehr als 200°C standhalten. Das Bedecken des ersten Verschlussmittels 31 mit dem zweiten Verschlussmittel 32 bewirkt in vorteilhafter Weise eine hermitische Versiegelung und verstärkt den Verschluss des verschließbaren Kanals 9, insbesondere im Kontaktbereich 33 zwischen dem ersten Verschlussmittel 31 und dem zweitem Verschlussmittel 32. Vorzugsweise handelt sich bei dem zweiten Verschlussmittel 32 um eine metallische Deckschicht, insbesondere um eine Aluminium-Deckschicht, wobei die metallische Deckschicht das erste Verschlussmittel 31 vollständig bedeckt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Verschlusskappe 5 eine Aussparung 40 zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels 31 ausweist. Dadurch sind in vorteilhafter Weise erstes und zweites Verschlussmittel 31 und 32 bauraumsparend an der mikromechanische Sensoreinheit 1 anordbar. Dabei ist es vorgesehen, dass das erste Verschlussmittel 31 nicht aus der Aussparung 40 zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels 31 herausragt, wobei vorzugsweise die Aussparung 40 zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels 11 im ihrer Erstreckung in ein senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung angepasst wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch ein zumindest teilweises Füllen der Aussparung 40 zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels 31 eine weitere Aussparung 42 zur Aufnahme des zweiten Verschlussmittels 32 realisiert wird, wobei die weitere Aussparung 42 im Wesentlichen oberhalb der Aussparung 40 zur Aufnahme des ersten Sensorelements 31 angeordnet ist. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das zweite Verschlussmittel 32 derart ausgebildet ist, dass das zweite Verschlussmittel 32 im Wesentlichen dicker ist als die maximale Erstreckung der weiteren Aussparung 32 zur Aufnahme des zweiten Verschlussmittels 32 in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein besonders stabiler mechanischer Verschluss des verschließbaren Kanals 9 realisieren.
In den 3 bis 7 sind verschiedene beispielhafte mikromechanische Vorrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Alle dargestellten Ausführungsformen ergänzen die erste beispielhafte mikromechanische Sensoreinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils durch mindestens eine Schutzvorrichtung, wobei die Schutzvorrichtung das erste Sensorelement 11 vor dem Ätzverfahren im zweiten Verfahrensschritt beschützt und dadurch die Wahrscheinlichkeit für ein funktionstüchtiges erstes Sensorelement 11 positiverweise erhöht. In der zweiten beispielhaften Ausführungsform ist das Substrat 4 zumindest teilweise mit einer Ätzstoppschicht 18 bedeckt, die ein Ätzen des Substrats 4 im Wesentlichen vermeidet. In der dritten Ausführungsform umfasst die Verschlusskappe 5 einen Steg 19, der in die erste Kavität 21 derart hineinragt, dass die erste Kavität 21 in einen Belüftungsbereich 14 und in einen Sensorelementbereich 13 unterteilt wird, wobei der Sensorelementbereich 13 und der Belüftungsbereich 14 sich über einen Verbindungskanal 15 dieselbe erste Atmosphäre teilen. Insbesondere ist das Substrat 4 mit der Ätzstoppschicht 18 im Bereich des Belüftungsbereichs 14 und des Verbindungskanals 15 bedeckt. Vorzugsweise verläuft der Verbindungskanal 15 parallel zur Haupterstreckungsebene der mikromechanischen Sensoreinheit 1. In der vierten Ausführungsform erstreckt sich hingegen die Ätzstoppschicht 18 nur im Bereich des Verbindungkanals 18. Dadurch wird in vorteilhafter Weise Material für die Ätzstoppschicht eingespart und es ist – wie in 5 dargestellt – möglich, soweit in das Substrat 4 zu ätzen, dass der Auswertungswafer 6 freigelegt wird. Er ist auch vorstellbar, dass der Ätzprozess solange fortgesetzt wird, dass sich der Kanal 9 von der Verschlusskappe 5 bis zum Substratkörper 7 erstreckt, wie es in 6 dargestellt ist. Bei der sechsten beispielhaften mikromechanischen Sensoreinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der verschließbare Kanal 9 im Substrat 4 angeordnet wird. Vorzugsweise wird eine Opferschicht 16 innerhalb der ersten Kavität 21 unterhalb bzw. oberhalb des verschließbaren Kanals 9 angeordnet. Insbesondere verfügt die Opferschicht 16 über eine große Oberfläche und einen Verbindungskanal 15 und ist dazu vorgesehen ein isotropes Ätzgas zumindest teilweise abzubauen.
In der 8 ist ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoreinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in den 8a bis 8h fortlaufend Momentaufnahmen einer Verschlusskappe 5 (einer ersten Kavität der mikromechanische Sensoreinheit) jeweils nach aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten gezeigt werden. In 8a ist eine Verschlusskappe 5 gezeigt, die auf ihrer Unterseite eine Aushöhlung 38 aufweist, die zur Bildung der ersten Kavität 21 vorgesehen ist. Vorzugsweise wird eine solche Ausgangsform der Verschlusskappe 5 nachfolgend optimiert (siehe 8b), indem sie beispielsweise abgeflacht wird, wodurch eine möglichst bauraumsparende Verschlusskappe 5 realisiert wird. In 8c wird in einem ergänzenden Verfahrensschritt die Aussparung zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels realisiert. Anschließend wird im zweiten Verfahrensschritt ein verschließbarer Kanal 9, vorzugsweise ein schmaler Kanal 9, in die Verschlusskappe 5 geätzt. Insbesondere ist es vorstellbar, dass die Verschlusskappe 5 nach einem der in 8a bis 8d gezeigten Fertigungsprozessen in einem ersten Verfahrensschritt mit dem Substrat 4 derart verbunden wird, dass sich eine erste Kavität 21 bildet. Mit anderen Worten. Es ist vorstellbar, dass der erste Verfahrensschritt zeitlich vor oder zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt erfolgt, aber zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt. In 8e ist die Verschlusskappe 5 dargestellt nachdem die Verschlusskappe 5 mit dem ersten Verschlussmittel 31 auf der parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden und dem Substrat 4 (nicht dargestellt) abgewendeten Oberflächenseite bedeckt wurde. Vorzugsweise ist die Viskosität des ersten Verschlussmittels 31 derart gewählt, dass das erste Verschlussmittel 31 zumindest teilweise den verschließbaren Kanal 9 füllt und nicht durch den verschließbaren Kanal 9 durchläuft. Insbesondere weist das erste Verschlussmittel 31 eine so große Oberflächenspannung auf, dass das Verschlussmittel 31 nicht in die erste Kavität 21 läuft bevor es aushärtet. Anschließend wird ein Teil des auf der Verschlusskappe 5 angeordneten ersten Verschlussmittels 31 wieder entfernt. Insbesondere wird das erste Verschlussmittel 31 derart entfernt, dass eine weitere Aussparung 42 zur Aufnahme des zweiten Verschlussmittels entsteht. Dies zeigt 8f. Anschließend wird die Verschlusskappe 5 derart flächig mit dem zweiten Verschlussmittel bedeckt, dass das zweite Verschlussmittel 32 sowohl das erste Verschlussmittel 31 bedeckt als auch die Oberflächenseite der Verschlusskappe 5, die parallel zur Haupterstreckungsebene und auf der dem Substrat 5 abgewendeten Seite liegt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass kein Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Verschlussmittel entsteht. In einem abschließenden vierten Verfahrensschritt wird das zweite Verschlussmittel 32 strukturiert. In der 8h wird beispielsweise die Erstreckung des zweiten Verschlussmittels 32 parallel zur Haupterstreckungsebene reduziert, wobei es vorgesehen ist, dass nach der Reduktion die Erstreckung des zweiten Verschlussmittels 32 parallel zur Haupterstreckungsebene größer ist als die des ersten Verschlussmittels 31 und das zweite Verschlussmittel 32 das erste Verschlussmittel 31 vollständig bedeckt, wodurch vorzugsweise die Bedeckung derart erfolgt, dass der verschließbare Kanal hermitisch und dauerhaft verschlossen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006016260 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoreinheit (1), wobei die mikromechanische Sensoreinheit (1) ein Substrat (4) und eine Verschlusskappe (5) umfasst, wobei im ersten Verfahrensschritt das Substrat (4) und die Verschlusskappe (5) derart ausgestaltet und zusammengefügt werden, dass durch die Verbindung von Verschlusskappe (5) und Substrat (4) – eine einen ersten Druck aufweisende erste Kavität (21), in der ein erstes Sensorelement (11) angeordnet ist, und – eine einen zweiten Druck aufweisende zweite Kavität (22), in der ein zweites Sensorelement (12) angeordnet ist, hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein in die erste Kavität (21) führender verschließbarer Kanal (9) hergestellt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt der erste Druck in der ersten Kavität (21) über den verschließbaren Kanal (9) geändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt der verschließbare Kanal (9) mit einem ersten Verschlussmittel (31) und/oder einem zweiten Verschlussmittel (32) verschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass in einem ergänzenden Verfahrensschritt eine Aussparung (40) zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels (31) realisiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Verschlussmittel (31) derart in der Aussparung (40) zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels (31) angeordnet wird, dass eine weitere Aussparung (42) zur Aufnahme des zweiten Verschlussmittels (32) durch die Aufnahme des ersten Verschlussmittels (31) realisiert wird und/oder – das zweite Verschlussmittel (32) derart auf dem ersten Verschlussmittel (31) angeordnet wird, dass das erste Verschlussmittel (31) von dem zweiten Verschlussmittel (32) und der mikromechanische Sensoreinheit (1) vollständig umschlossen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt – der verschließbare Kanal (9) und/oder die Aussparung (40) zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels (31) mit einem Ätzverfahren realisiert (40) wird und/oder – durch das Ätzverfahren zur Realisierung des Kanals (9) nur diejenigen Bereiche der ersten Kavität (21) geätzt werden, die kein Bestandteil des ersten Sensorelements (11) sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Sensoreinheit (1) eine Schutzvorrichtung für den zweiten Verfahrensschritt umfasst, wobei die Schutzvorrichtung – eine Ätzstoppschicht (18), – einen Opferätzbereich (16) und/oder – einen Steg (19) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verschlussmittel (31) zumindest teilweise ein Polymer und das zweite Verschlussmittel (32) zumindest teilweise ein Metall aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Verfahrensschritt das zweite Verschlussmittel (32) strukturiert wird.
Mikromechanische Sensoreinheit (1), wobei die mikromechanische Sensoreinheit (1) – eine einen ersten Druck aufweisende erste Kavität (21), in der ein erstes Sensorelement (11) angeordnet ist, und – eine einen zweiten Druck aufweisende zweite Kavität (22), in der ein zweites Sensorelement (12) angeordnet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kavität (21) einen verschließbaren Kanal (9) zur Festlegung des ersten Drucks in der ersten Kavität (21) umfasst.
Mikromechanische Sensoreinheit (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der verschließbare Kanal (9) mit einem ersten Verschlussmittel (31) und/oder mit einem zweiten Verschlussmittel (32) verschlossen ist.
Mikromechanische Sensoreinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die mikromechanische Sensoreinheit (1) eine Haupterstreckungsebene aufweist, – die mikromechanische Sensoreinheit (1) eine Aussparung (40) zur Aufnahme des ersten Verschlussmittels (31) aufweist und/oder – das zweite Verschlussmittel (32) das erste Verschlussmittel (31) vollständig in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung bedeckt.
Mikromechanische Sensoreinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (11) und/oder das zweite Sensorelement (12) – ein Drehratensensor – ein Beschleunigungssensor oder – ein lorentzkraftbasierender Magnetfeldsensor ist.