DE102015224506A1

DE102015224506A1 - Sensorelement mit laseraktiviertem Gettermaterial

Info

Publication number: DE102015224506A1
Application number: DE102015224506.3A
Authority: DE
Inventors: Achim Breitling; Mawuli Ametowobla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20180362337A1; TW201722843A; CN108367910B; KR20180090853A; US10793428B2; WO2017097462A1; CN108367910A; KR102548676B1; TWI715689B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe vorgeschlagen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt eine die erste Kaverne mit einer Umgebung des mikromechanischen Bauelements verbindende Zugangsöffnung in dem Substrat oder in der Kappe ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen wird, wobei ein vor dem dritten Verfahrensschritt in die erste Kaverne eingebrachter Getter mithilfe von durch den Laser erzeugte Laserstrahlung zumindest teilweise während des dritten Verfahrensschritts aktiviert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 2015/120939 A1 bekannt. Ist ein bestimmter Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gewünscht oder soll ein Gasgemisch mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung in der Kaverne eingeschlossen sein, so wird der Innendruck oder die chemische Zusammensetzung häufig beim Verkappen des mikromechanischen Bauelements bzw. beim Bondvorgang zwischen einem Substratwafer und einem Kappenwafer eingestellt. Beim Verkappen wird beispielsweise eine Kappe mit einem Substrat verbunden wodurch die Kappe und das Substrat gemeinsam die Kaverne umschließen. Durch Einstellen der Atmosphäre bzw. des Drucks und/oder der chemischen Zusammensetzung des beim Verkappen in der Umgebung vorliegenden Gasgemischs, kann somit der bestimmte Innendruck und/oder die bestimmte chemische Zusammensetzung in der Kaverne eingestellt werden.
Mit dem aus der WO 2015/120939 A1 bekannten Verfahren kann gezielt ein Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements eingestellt werden. Mit diesem Verfahren ist es insbesondere möglich ein mikromechanisches Bauelement mit einer ersten Kaverne herzustellen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann, der bzw. die sich von einem zweiten Druck und einer zweiten chemischen Zusammensetzung zum Zeitpunkt des Verkappens unterscheiden.
Bei dem Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gemäß der WO 2015/120939 A1 wird in der Kappe bzw. in dem Kappenwafer oder in dem Substrat bzw. in dem Sensorwafer ein schmaler Zugangskanal zu der Kaverne erzeugt. Anschließend wird die Kaverne mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Schließlich wird der Bereich um den Zugangskanal lokal mithilfe eines Lasers erhitzt, das Substratmaterial verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch.
Bei Drehratensensoren wird beispielsweise ein sehr geringer Druck eingeschlossen, welcher beispielsweise geringer als 1 mbar ist. Dies ist der Fall, da bei Drehratensensoren ein Teil der beweglichen Strukturen resonant angetrieben wird. Bei geringem Druck kann mit relativ geringen Spannungen auf Grund der geringen Dämpfung sehr einfach eine Schwingung angeregt werden.
Bei Beschleunigungssensoren ist es dagegen nicht erwünscht, dass der Sensor ins Schwingen gerät, was bei Anliegen einer äußeren Beschleunigung möglich wäre. Daher werden diese Sensoren bei höherem Innendruck betrieben. Der Innendruck eines Beschleunigungssensors ist beispielsweise 500mbar.
Ein weiteres Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements ist aus EP 2 004 542 B1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robusten sowie eine lange Lebensdauer aufweisenden mikromechanischen Bauelements auf gegenüber dem Stand der Technik einfache und kostengünstige Weise bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik kompaktes, mechanisch robustes und eine lange Lebensdauer aufweisendes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen. Erfindungsgemäß gilt dies insbesondere für ein mikromechanisches Bauelement mit einer (ersten) Kaverne. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement ist es ferner auch möglich ein mikromechanisches Bauelement zu realisieren bei dem in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck und eine zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann. Beispielsweise ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, für die es vorteilhaft ist, wenn in einer ersten Kaverne ein erster Druck und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck eingeschlossen ist, wobei sich der erste Druck von dem zweiten Druck unterscheiden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung in einem mikromechanischen Bauelement integriert werden sollen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine hohe Güte über die Lebenszeit des mikromechanischen Bauelements zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
ein vor dem dritten Verfahrensschritt in die erste Kaverne eingebrachter Getter mithilfe von durch den Laser erzeugter Laserstrahlung zumindest teilweise während des dritten Verfahrensschritts aktiviert wird.
Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements bereitgestellt, mit dem der erste Druck in der ersten Kaverne, insbesondere wenn die erste Kaverne eine Drehratensensorkaverne ist, über die Lebensdauer im Wesentlichen konstant gehalten bzw. stabilisiert werden kann bzw. mit dem der erste Druck nach einem provisorischen Einstellen des ersten Drucks weiter reduziert werden kann. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass geringe Gasmengen, die aus den Materialien innerhalb der ersten Kaverne über die Lebenszeit ausgasen oder die durch Gasdiffusion, beispielsweise durch das Substrat oder durch die Kappe oder durch einen Bondrahmen oder Bondsteg zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne, in die erste Kaverne gelangen durch den Getter gebunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch vorteilhaft, da das eingebrachte Material bzw. das Getter-Material bzw. der aktivierte Getter nur über eine geringe Adsorptionsfähigkeit bzw. Sorptionsfähigkeit verfügen muss, da es einzig und allein geringe Gasmengen aufnehmen muss, welche nach dem hermetischen Verschluss der Kaverne eindringen. Dies ist insbesondere wegen dem Ausführen des ersten, zweiten und dritten Verfahrensschrittes der Fall, da somit der erste Druck voreingestellt werden kann und der Getter den ersten Druck lediglich weiter einstellen muss. Hierdurch wird insbesondere die Verwendung von Gettern bzw. von Getter-Materialien mit im Vergleich zum Stand der Technik geringer Gasaufnahmefähigkeit ermöglicht. Beispielsweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die maximal von dem Getter aufzunehmende Teilchenzahl pro Getterfläche 10²¹ bzw. 10²⁰ bzw. 10¹⁹ bzw. 10¹⁸ bzw. 10¹⁷ bzw. 10¹⁶ bzw. 10¹⁵ bzw. 10¹⁴ bzw. 10¹³ bzw. 10¹² bzw. 10¹¹ bzw. 10¹⁰ bzw. 10⁹ bzw. 10⁸ bzw. 10⁷ bzw. 10⁶ 1/m² ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft gegenüber einem Verfahren bei welchem unterschiedliche Drücke p1/p2 in einer Kaverne eines Drehratensensors p1 und in einer Kaverne eines Beschleunigungssensors p2 benötigt werden, wobei in der Kaverne des Drehratensensors mithilfe eines Getters ein zuerst in beiden Kavernen eingeschlossener hoher Druck anschließend durch Aktivierung des Getters über einen Temperaturschritt in der Kaverne des Drehratensensors auf einen geringen Druck gebracht wird. Gegenüber einem solchen Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise einfach und kostengünstig.
Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, wenn das Versiegeln einer in der ersten Kaverne angeordneten MEMS-Struktur mit einem Kappenwafer bei hohen Temperaturen, beispielsweise mit einem Seal-Glas als Verbindungsmaterial oder mit verschiedenen anderen Bondmaterialen oder Bondsystemen wie beispielsweise eutektischen Aluminium-Germanium-(AlGe-) oder Kupfer-Zinn-Kupfer-(CuSnCu-)Systemen, erfolgt. Selbst wenn das Bondverfahren unter Vakuum und bei hohen Temperaturen ausgeführt wird, dampfen Gase aus dem Bondsystem bei hoher Temperatur aus und verursachen in der Kaverne einen Restdruck, der unabhängig vom sehr niedrigen Druck während des Bondverfahrens in der Kaverne herrscht. Dieser Restdruck kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch vorteilhaft, wenn Oberflächen von Sensoren bzw. Sensorkernen mit organischen Beschichtungen versehen werden, die ein Aneinanderkleben von beweglichen Strukturen verhindern, und diese organischen Beschichtungen bei den hohen Temperaturen beispielsweise im Bondverfahren degradieren und nicht mehr voll wirksam sind. Einem zumindest teilweisen Freisetzen der organischen Schichten in die Kaverne und einem somit erhöhten Innendruck nach Verschluss des MEMS-Elementes kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise entgegengewirkt werden.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft, wenn ein Ausgasen von Edelgasen oder anderen Gasen aus den Wafern bzw. aus dem Substrat bzw. aus der Kappe bzw. aus einer Bondschicht während des Bondprozesses stattfindet, wenn die Edelgase oder anderen Gase durch den Getter nicht oder nur schlecht gepumpt werden können, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zeitlich nach dem Bondprozess mithilfe der Zugangsöffnung der erste Druck eingestellt werden kann. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einem solchen Ausgasen effektiv entgegengewirkt werden. Dies ist deshalb vorteilhaft, da ein Ausgasen von durch den Getter nicht oder nur schlecht pumpbarer Edelgase oder anderer Gase der minimal zu erreichende Druck beschränkt sein würde und selbst bei höheren Drücken dieses Ausgasen eine starke, ungewollte Streuung des Innendrucks verursachen könnte.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff Getter ein chemisch reaktives Material, das dazu dient, ein Vakuum möglichst lange zu erhalten zu verstehen. Beispielsweise gehen an der Oberfläche des Getters Gasmoleküle mit den Atomen des Getter-Materials eine direkte chemische Verbindung ein. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch vorgesehen, dass die Gasmoleküle durch Sorption an dem Getter-Material festgehalten werden. Auf diese Weise werden die Gasmoleküle in oder an der Oberfläche des Getter-Materials „eingefangen“. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist zwischen einem aktivierten Getter und einem inaktivierten Getter zu unterscheiden, wobei der aktivierte Getter im Vergleich zu dem inaktivierten Getter eine höhere Einfangrate aufweist. Unter Einfangrate ist hierbei beispielsweise eine Anzahl von in oder an der Oberfläche des Getter-Materials eingefangener Gasmolekülen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, zu verstehen. Des Weiteren ist gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen einem reversiblen Getter und einem irreversiblen Getter zu unterscheiden. Hierbei umfasst erfindungsgemäß ein reversibler Getter zumindest teilweise bzw. überwiegend reversibles Getter-Material und ein irreversibler Getter zumindest teilweise bzw. überwiegend irreversibles Getter-Material. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch vorgesehen, dass sowohl ein reversibler Getter als auch ein irreversibler Getter jeweils zumindest teilweise reversibles Getter-Material und zumindest teilweise irreversibles Getter-Material umfassen. Erfindungsgemäß ist unter einem reversiblen Getter-Material ein Getter-Material zu verstehen, welches an einem ersten Zeitpunkt bzw. während einer ersten Zeitdauer Gasmoleküle in oder an der Oberfläche des Getter-Materials im Wesentlichen einfängt bzw. aufnimmt und zu einem zweiten Zeitpunkt bzw. während einer zweiten Zeitdauer eingefangene Gasmoleküle aus oder von der Oberfläche des Getter-Materials im Wesentlichen wieder loslässt bzw. abgibt. Erfindungsgemäß ist „im Wesentlichen einfangen bzw. aufnehmen“ beispielsweise so zu verstehen, dass die Einfangrate größer als eine Abgaberate ist bzw. dass eine erste Summe aus Adsorptionsrate und Absorptionsrate größer als eine Desorptionsrate ist. Erfindungsgemäß ist „im Wesentlichen loslassen bzw. abgeben“ beispielsweise so zu verstehen, dass die Einfangrate kleiner als die Abgaberate ist bzw. dass die erste Summe kleiner als die Desorptionsrate ist. Unter Adsorptionsrate ist hierbei beispielsweise eine Anzahl von an der Oberfläche des Getter-Materials eingefangenen Gasmolekülen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, zu verstehen. Unter Absorptionsrate ist hierbei beispielsweise eine Anzahl von in der Oberfläche des Getter-Materials bzw. im Volumen des Getter-Materials eingefangener Gasmolekülen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, zu verstehen. Unter Abgaberate bzw. Desorptionsrate ist hierbei beispielsweise eine Anzahl von aus oder von der Oberfläche des Getter-Materials losgelassenen bzw. abgegebenen Gasmolekülen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, zu verstehen. Erfindungsgemäß ist ein reversibler Getter im Wesentlichen regenerierbar bzw. in einen Ausgangszustand mit hoher Absorptionsbereitschaft und/oder Adsorptionsbereitschaft versetzbar. Erfindungsgemäß ist unter Absorptionsbereitschaft bzw. Adsorptionsbereitschaft das Bereitstellen einer hohen Absorptionsrate bzw. Adsorptionsrate bei Vorhandensein entsprechender Gasmoleküle zu verstehen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist unter einem Partikel ein Atom oder eine Ansammlung von Atomen, wie beispielsweise ein Molekül oder mehrere Moleküle, zu verstehen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung befindet sich das Partikel in einem gasförmigen, flüssigen oder festen Aggregatzustand bzw. ist Teil einer gasförmigen, flüssigen oder festen Phase und umfasst zumindest eine Phasengrenzfläche zu seiner Umgebung. Insbesondere ist erfindungsgemäß unter Partikel ein im Maßstab des mikromechanischen Bauelements kleiner Körper zu verstehen, d.h. ein Körper, welcher maximal eine Erstreckung von 1/10 einer maximalen Erstreckung des mikromechanischen Bauelements aufweist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „mikromechanisches Bauelement“ so zu verstehen, dass der Begriff sowohl mikromechanische Bauelemente als auch mikroelektromechanische Bauelemente umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt für die Herstellung eines bzw. für ein mikromechanisches Bauelement mit einer Kaverne vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auch für ein mikromechanisches Bauelement mit zwei Kavernen oder mit mehr als zwei, d.h. drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs, Kavernen vorgesehen.
Bevorzugt wird die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen diese Energie oder diese Wärme absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen. Hierbei wird bevorzugt Energie bzw. Wärme in jeweils den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen, welche beispielsweise auf einem Wafer gemeinsam hergestellt werden, zeitlich nacheinander eingebracht. Es ist jedoch alternativ auch ein zeitlich paralleles Einbringen der Energie bzw. Wärme in den jeweiligen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, beispielsweise unter Verwendung von mehreren Laserstrahlen bzw. Laservorrichtungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappe mit dem Substrat eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem vierten Verfahrensschritt das Substrat mit der Kappe derart verbunden wird, dass die Kaverne von der Umgebung hermetisch getrennt ist, wobei der vierte Verfahrensschritt vor oder nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Somit wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Zugangsöffnung entweder bevor oder nachdem das Substrat mit der Kappe verbunden wird ausgebildet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt ein Pumpschritt und/oder ein Heizschritt und/oder ein Spülschritt und/oder ein Reinigungsschritt durchgeführt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ein Entfernen von Gasen und/oder Partikeln aus der ersten Kaverne und in die Umgebung des mikromechanischen Bauelements und/oder eine gezielte Oberflächenkonditionierung der der ersten Kaverne zugewandten Oberflächen des Substrats und/oder der Kappe ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der fünfte Verfahrensschritt zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt und zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass nicht nur Gase und/oder Partikel welche aufgrund des Bondvorgangs in die erste Kaverne gelangt sind sondern auch Gase und/oder Partikel welche durch das Ausbilden der Zugangsöffnung in die erste Kaverne gelangt sind aus der ersten Kaverne entfernt und in die Umgebung des mikromechanischen Bauelements gebracht werden können.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei das Substrat oder die Kappe eine verschlossene Zugangsöffnung umfasst, wobei das mikromechanische Bauelement einen in der ersten Kaverne angeordneten und zumindest teilweise durch während eines Verschließens der Zugangsöffnung erzeugte Laserstrahlung aktivierten Getter umfasst. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein kompaktes, mechanisch robustes und kostengünstiges mikromechanisches Bauelement mit eingestelltem ersten Druck bereitgestellt. Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der aktivierte Getter derart angeordnet ist, dass eine erste Projektion des aktivierten Getters auf eine Haupterstreckungsebene des mikromechanischen Bauelements und eine zweite Projektion der Zugangsöffnung auf die Haupterstreckungsebene zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Getter zumindest teilweise von einer im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene und durch die Zugangsöffnung einfallenden Laserstrahlung aktiviert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Kappe Silizium umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das mikromechanische Bauelement mit aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren der Schichttechnologie hergestellt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der aktivierte Getter ein irreversibles Getter-Material und/oder ein reversibles Getter-Material umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Getter aufgenommene Partikel nicht wieder in die Kaverne frei gibt und/oder gezielt aufgenommen Partikel zumindest teilweise wieder in die Kaverne frei gibt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, da aufgrund der Verwendung eines reversiblen Getters der reversible Getter vor dem Verkappen bzw. vor dem Bondprozess nicht in einem chemisch inerten Zustand vorliegen muss. Mit anderen Worten muss der reversible Getter vor dem Bondprozess nicht in einem inaktivierten Zustand sein, sondern kann bereits vor dem Bondprozess in einem aktivierten Zustand sein. Somit muss gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens der Getter nicht nach der Verkapselung bzw. nach dem Bondprozess in einem gesonderten Temperaturschritt aktiviert werden. Vielmehr ist es möglich, dass der reversible Getter sofort nach der Abscheidung des reversiblen Getters aktiv ist. Hierdurch wird beispielsweise die Verwendung von Materialien als Getter-Materialien ermöglicht, welche bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren keine Verwendung finden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappe mit dem Substrat eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein kompaktes, mechanisch robustes und kostengünstiges mikromechanisches Bauelement mit eingestelltem ersten Druck und zweiten Druck bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Druck geringer als der zweite Druck ist, wobei in der ersten Kaverne eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement für Drehratenmessung und Beschleunigungsmessung mit sowohl für die erste Sensoreinheit und für die zweite Sensoreinheit optimalen Betriebsbedingungen bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement mit geöffneter Zugangsöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung das mikromechanische Bauelement gemäß 1 mit verschlossener Zugangsöffnung.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4, 5 und 6 zeigen in schematischen Darstellungen ein mikromechanisches Bauelement zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer weiteren beispielshaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen 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 und 2 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 mit geöffneter Zugangsöffnung 11 in 1 und mit verschlossener Zugangsöffnung 11 in 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfasst das mikromechanische Bauelement 1 ein Substrat 3 und eine Kappe 7. Das Substrat 3 und die Kappe 7 sind miteinander, bevorzugt hermetisch, verbunden und umschließen gemeinsam eine erste Kaverne 5. Beispielsweise ist das mikromechanische Bauelement 1 derart ausgebildet, dass das Substrat 3 und die Kappe 7 zusätzlich gemeinsam eine zweite Kaverne umschließen. Die zweite Kaverne ist in 1 und in 2 jedoch nicht dargestellt.
Beispielsweise herrscht in der ersten Kaverne 5, insbesondere bei wie in 2 dargestellter verschlossener Zugangsöffnung 11, ein erster Druck. Außerdem ist ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingeschlossen. Des Weiteren herrscht beispielsweise in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck und es ist ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung in der zweiten Kaverne eingeschlossen. Bevorzugt ist die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 angeordnet. Bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zugangsöffnung 11 beispielhaft in der Kappe 7 angeordnet. Erfindungsgemäß kann es jedoch alternativ hierzu auch vorgesehen sein, dass die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 angeordnet ist.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der erste Druck in der ersten Kaverne 5 geringer ist als der zweite Druck in der zweiten Kaverne. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass in der ersten Kaverne 5 eine in 1 und 2 nicht dargestellte erste mikromechanische Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine in 1 und 2 nicht dargestellte zweite mikromechanische Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet sind.
In 3 ist in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei wird

– in einem ersten Verfahrensschritt 101 die die erste Kaverne 5 mit einer Umgebung 9 des mikromechanischen Bauelements 1 verbindende, insbesondere schmale, Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 ausgebildet. 1 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem ersten Verfahrensschritt 101. Außerdem wird
– in einem zweiten Verfahrensschritt 102 der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingestellt bzw. die erste Kaverne 5 mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Ferner wird beispielsweise
– in einem dritten Verfahrensschritt 103 die Zugangsöffnung 11 durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats 3 oder der Kappe 7 mithilfe eines Lasers verschlossen. Es ist beispielsweise alternativ auch vorgesehen, dass
– in dem dritten Verfahrensschritt 103 der Bereich um den Zugangskanal lediglich bevorzugt durch einen Laser lokal erhitzt wird und der Zugangskanal hermetisch verschlossen wird. Somit ist es vorteilhaft möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Energiequellen als mit einem Laser zum Verschließen der Zugangsöffnung 11 vorzusehen. 2 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem dritten Verfahrensschritt 103.

Zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt 103 können in einem in 2 beispielhaft dargestellten lateralen Bereich 15 an einer der Kaverne 5 abgewandten Oberfläche der Kappe 7 sowie in der Tiefe senkrecht zu einer Projektion des lateralen Bereichs 15 auf die Oberfläche, d.h. entlang der Zugangsöffnung 11 und in Richtung der ersten Kaverne 5, des mikromechanischen Bauelements 1 mechanische Spannungen auftreten. Diese mechanischen Spannungen, insbesondere lokale mechanischen Spannungen, herrschen insbesondere an und in der Nähe einer Grenzfläche zwischen einem im dritten Verfahrensschritt 103 in einen flüssigen Aggregatzustand übergehenden und nach dem dritten Verfahrensschritt 103 in einen festen Aggregatzustand übergehenden und die Zugangsöffnung 11 verschließenden Materialbereich 13 der Kappe 7 und einem während dem dritten Verfahrensschritt 103 in einem festen Aggregatzustand verbleibenden Restbereich der Kappe 7. Hierbei ist in 2 der die Zugangsöffnung 11 verschließende Materialbereich 13 der Kappe 7 lediglich als schematisch anzusehen bzw. schematisch dargestellt, insbesondere hinsichtlich seiner lateralen, insbesondere parallel zu der Oberfläche verlaufenden, Erstreckung bzw. Formgebung und insbesondere hinsichtlich seiner senkrecht zur lateralen Erstreckung, insbesondere senkrecht zu der Oberfläche verlaufenden, Ausdehnung bzw. Konfiguration.
Beispielsweise wird zusätzlich ein vor dem in 3 dargestellten dritten Verfahrensschritt 103 in die erste Kaverne 5 eingebrachter Getter 503 mithilfe von durch den Laser erzeugter Laserstrahlung 505 zumindest teilweise während des dritten Verfahrensschritts 103 aktiviert. Mit anderen Worten wird das Zugangsloch 11 durch Laserbestrahlung 505 verschlossen, wobei bis zum Verschluss bzw. zeitlich bevor das Zugangsloch 11 verschlossen ist eine definierte Atmosphäre beispielsweise in der ersten Kaverne 5 und/oder in der Umgebung 9 aufrechterhalten wird. Hierbei wird zu Beginn des Verschlussprozesses das Adsorptionsmaterial 503 durch die durch das Zugangsloch 11 in die erste Kaverne 5 fallende Laserstrahlung 507 aktiviert 509, bevor beispielsweise das Kappenmaterial 7 bzw. das Silizium aufgeschmolzen wird und sich das Zugangsloch 11 verschließt.
Beispielsweise wird in einem vierten Verfahrensschritt das Substrat 3 mit der Kappe 7 derart verbunden, dass die Kaverne 5 von der Umgebung 9 hermetisch getrennt ist, wobei der vierte Verfahrensschritt vor oder nach dem ersten Verfahrensschritt 101 durchgeführt wird.
In 4, 5 und 6 ist in schematischen Darstellungen ein mikromechanisches Bauelement zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer weiteren beispielshaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfasst das mikromechanische Bauelement 1 beispielhaft den in der ersten Kaverne 5 angeordneten und zumindest teilweise durch während eines Verschließens der Zugangsöffnung 11 erzeugter Laserstrahlung 505 aktivierten Getter 503. Hierbei ist der aktivierte Getter 503 beispielsweise derart angeordnet, dass eine erste Projektion des aktivierten Getters 503 auf eine Haupterstreckungsebene 100 des mikromechanischen Bauelements 1 und eine zweite Projektion der Zugangsöffnung 11 auf die Haupterstreckungsebene 100 zumindest teilweise überlappen. Außerdem umfasst der aktivierte Getter 503 beispielsweise ein irreversibles Getter-Material und/oder ein reversibles Getter-Material umfasst. In 4, 5 und 6 ist beispielhaft ein MEMS-Element 501 dargestellt. Bei dem MEMS-Element 501 handelt es sich beispielsweise um eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung. Außerdem ist in 5 ein Laserstrahlenteil 507 der Laserstrahlung 505 dargestellt, welcher durch die Zugangsöffnung 11 in die Kaverne 5 und auf den zu aktivierenden Getter 503 fällt bzw. mit dem zu aktivierenden Getter 503 wechselwirkt und den Getter 503 zu einem Übergang von einem inaktivierten Zustand in einen aktivierten Zustand anregt. Der aktivierte Getter 503 in 5 und 6 ist im Vergleich zu dem inaktivierten Getter 503 in 4 dadurch zu unterscheiden, dass der aktivierte Getter 503 mithilfe von Bezugszeichen 509 in 5 und 6 als aktiviert dargestellt ist.
Beispielsweise wird in die erste Kaverne ein Material eingebracht, welches eine Adsorptionsfähigkeit für reaktive Gase wie Sauerstoff, Wasserstoff, etc. aufweist und durch Bestrahlung mit einem Laser aktiviert werden kann. Beispielsweise wird das Material in die erste Kaverne 5 bzw. auf eine der ersten Kaverne 5 zugewandten Oberfläche des Substrats 3 oder der Kappe 7 zeitlich vor dem Bondschritt zwischen Substrat 3 und Kappe 7 eingebracht bzw. aufgebracht. Zur Einstellung des gewünschten Innendruckes bzw. des ersten Drucks in der ersten Kaverne 5 wird die Kaverne nachträglich, beispielsweise im ersten Verfahrensschritt 101, mit einer Belüftungsöffnung bzw. mit der Zugangsöffnung 11 versehen, welche eine Druckeinstellung in der ersten Kaverne 5 ermöglicht. Die Druckeinstellung erfolgt beispielsweise bzw. vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur bzw. bei einer Temperatur höher als 20°C bzw. 30°C bzw. 40°C bzw. 50°C bzw. 60°C bzw. 70°C bzw. 80°C bzw. 90°C bzw. 100°C bzw. 200°C bzw. 300°C bzw. 400°C bzw. 500°C bzw. 1000°C, welche das Abdampfen eventuell in der Kaverne vorhandener Restgase erlaubt. Beispielsweise nach dem Temperaturschritt wird das Belüftungsloch bzw. die Zugangsöffnung 11 durch einen Laser versiegelt bzw. der dritte Verfahrensschritt 103 durchgeführt und der gewünschte Innendruck eingestellt. Beispielsweise wird gleichzeitig durch die Laserstrahlung 507, welche zu Beginn des Verschlussprozesses (d.h. bevor beispielsweise das Substrat 3 bzw. die Kappe 7 bzw. das Silizium zumindest teilweise aufgeschmolzen wird) durch das Belüftungsloch bzw. die Zugangsöffnung hindurch in die Kammer bzw. erste Kaverne 5 fällt, das Adsorptionsmaterial bzw. der Getter 503 aktiviert (beispielsweise auch durch Verdampfen). Hierfür befindet sich das Adsorptionsmaterial beispielsweise wie in 5, 6 und 7 dargestellt unterhalb des Belüftungsloches bzw. der Zugangsöffnung 11 am Grund der ersten Kaverne 5. Dabei sind Material bzw. Getter 503 bzw. das Getter-Material und der Verschlussprozess derart aufeinander abgestimmt, dass die durch den Laser zu Beginn des Verschlussprozesses eingestrahlte Energiemenge ausreicht, das Material zu aktivieren bzw. den Getter in einen aktivierten Zustand zu versetzen. Zeitlich hierauf folgend nimmt das Getter-Material beispielsweise eventuell durch Leckagen eindringendes oder noch in der Kammer vorhandenes Restgas über die Lebenszeit des Bauteils auf.
Erfindungsgemäß muss das eingebrachte Material bzw. das Getter-Material bzw. der aktivierte Getter nur über eine geringe Adsorptionsfähigkeit bzw. Sorptionsfähigkeit verfügen, da es einzig und allein geringe Gasmengen aufnehmen muss, welche nach dem hermetischen Verschluss der Kaverne eindringen. Die lediglich gering benötigte Sorptionsfähigkeit wird dadurch ermöglicht, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der ersten Verfahrensschritt 101, der zweite Verfahrensschritt 102 und der dritte Verfahrensschritt 103 durchgeführt werden, und hierdurch der erste Druck zeitlich nach dem Bondprozess gezielt eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass zur Aktivierung des Materials keine zusätzlichen Prozessschritte, wie beispielsweise ein Prozessschritt mit erhöhter Temperatur, erforderlich sind. Beispielsweise wirkt der Getter hierbei einer Veränderung der Gaszusammensetzung bzw. der ersten chemischen Zusammensetzung durch dem Waferprozess zeitlich nachgelagerte Einflussfaktoren wie beispielsweise erhöhter Temperaturen während des Gebrauchs des Sensorelements entgegen.
Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt ein Pumpschritt und/oder ein Heizschritt und/oder ein Spülschritt und/oder ein Reinigungsschritt durchgeführt wird. Außerdem ist hierbei beispielsweise vorgesehen, dass der fünfte Verfahrensschritt zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt und zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt 103 durchgeführt wird.
Mit anderen Worten wird nach der Erzeugung des Zugangslochs 11 bzw. mehrerer Zugangslöcher 11 zunächst die die erste Kaverne 5 ausgepumpt um beispielsweise Edelgase aus der ersten Kaverne 5 zu entfernen. Beispielsweise werden zeitlich danach die Zugangslöcher 11 unter definierter Atmosphäre verschlossen und wiederum zeitlich danach der Getter aktiviert. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass der Getter zeitlich nach dritten Verfahrensschritt beispielsweise über einen Temperschritt bzw. einen weiteren Verfahrensschritt bei erhöhter Temperatur aktiviert wird. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass zeitlich nach dem Erzeugen der Zugangslöcher 11 Heiz-, Pump- und Spül- oder Reinigungszyklen angewendet werden. Hierdurch kann beispielsweise gezielt ein Ausgasen von nicht gewünschten Gasen oder eine gezielte Oberflächenkonditionierung eingestellt werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 gegenüber dem Stand der Technik sind wie folgt:

– Auf einem Chip können einfach verschiedene Sensorkerne mit unterschiedlichen Anforderungen an den Innendruck kombiniert werden.
– Beliebige Innendrücke, auch sehr kleine Innendrücke, können in einer MEMS-Kaverne eingestellt werden
– Nach Verschluss der Kaverne können durch Leckagen eventuell eindringende, oder in der Kaverne verbliebene Restgasmengen über Lebenszeit zuverlässig aufgefangen werden.
– Die Technik ist einfach, robust und kostengünstig.
– Das Herstellungsverfahren ist kompatibel mit den bekannten Herstellungsprozessen, beispielsweise auch mit Verkappungsprozessen wie beispielsweise mit dem Aluminium-Germanium-(AlGe-)eutektischen Bonden und mit dem Sealglasbonden.
– Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen über Lebensdauer besonders stabilen Verschluss der MEMS-Kaverne.
– In Kombi-Sensoren, wie beispielsweise in einem eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung umfassenden mikromechanischen Bauelement 1, können Getter-Materialien verwendet werden, die eine geringe Sorptionsfähigkeit haben, da man vor dem Verschluss über das Zugangsloch bzw. die Zugangsöffnung 11 schon einen sehr geringen Druck in der ersten Kaverne 5 des Drehratensensors vorhalten kann.
– In Kombi-Sensoren können sehr geringe Mengen an Getter-Materialien verwendet werden, da man vor dem Verschluss über das Zugangsloch schon einen sehr geringen Druck in der Kaverne des Drehratensensors vorhalten kann.
– In Kombi-Sensoren können Getter-Materialien verwendet werden, die unabhängig vom Bondverfahren durch Laserbestrahlung aktiviert werden. Es können irreversible und regenerierbare Getter-Materialien verwendet werden.
– Gase, die beim Bondprozess ausgasen, können erst durch das Zugangsloch abgepumpt werden, bevor der Getter aktiviert wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/120939 A1 [0002, 0003, 0004]
EP 2004542 B1 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (1) mit einem Substrat (3) und mit einer mit dem Substrat (3) verbundenen und mit dem Substrat (3) eine erste Kaverne (5) umschließenden Kappe (7), wobei in der ersten Kaverne (5) ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt (101) eine die erste Kaverne (5) mit einer Umgebung (9) des mikromechanischen Bauelements (1) verbindende Zugangsöffnung (11) in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt (102) der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne (5) eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt (103) die Zugangsöffnung (11) durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats (3) oder der Kappe (7) mithilfe eines Lasers verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein vor dem dritten Verfahrensschritt (103) in die erste Kaverne (5) eingebrachter Getter (503) mithilfe von durch den Laser erzeugter Laserstrahlung (505) zumindest teilweise während des dritten Verfahrensschritts (103) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem vierten Verfahrensschritt das Substrat (3) mit der Kappe (7) derart verbunden wird, dass die Kaverne (5) von der Umgebung (9) hermetisch getrennt ist, wobei der vierte Verfahrensschritt vor oder nach dem ersten Verfahrensschritt (101) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem fünften Verfahrensschritt ein Pumpschritt und/oder ein Heizschritt und/oder ein Spülschritt und/oder ein Reinigungsschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der fünfte Verfahrensschritt zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt und zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt (103) durchgeführt wird.
Mikromechanisches Bauelement (1) mit einem Substrat (3) und mit einer mit dem Substrat (3) verbundenen und mit dem Substrat (3) eine erste Kaverne (5) umschließenden Kappe (7), wobei in der ersten Kaverne (5) ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei das Substrat (3) oder die Kappe (7) eine verschlossene Zugangsöffnung (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) einen in der ersten Kaverne (5) angeordneten und zumindest teilweise durch während eines Verschließens der Zugangsöffnung (11) erzeugter Laserstrahlung (505) aktivierten Getter (503) umfasst.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, wobei der aktivierte Getter (503) derart angeordnet ist, dass eine erste Projektion des aktivierten Getters (503) auf eine Haupterstreckungsebene (100) des mikromechanischen Bauelements (1) und eine zweite Projektion der Zugangsöffnung (11) auf die Haupterstreckungsebene (100) zumindest teilweise überlappen.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Substrat (3) und/oder die Kappe (7) Silizium umfasst.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei der aktivierte Getter (503) ein irreversibles Getter-Material und/oder ein reversibles Getter-Material umfasst.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, wobei die Kappe (7) mit dem Substrat (3) eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, 6, 7, 8 oder 9, wobei der erste Druck geringer als der zweite Druck ist, wobei in der ersten Kaverne (5) eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet ist.