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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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Die Güte von Drehratensensoren hängt äußerst empfindlich von dem Kaverneninnendruck ab. Ferner ist für eine hohe Offsetperformance von Drehratensensoren über ihre Lebensdauer eine möglichst stabile Güte nötig, da eine Abweichung der Güte von dem Wert, der beim Abgleich in die Abgleichparameter eingeflossen ist, zu einem Offset des Drehratensensors führt. Um eine möglichst hohe und stabile Güte über die Lebenszeit der Drehratensensoren zu erreichen, ist es daher essenziell, den Innendruck der Drehratensensorkaverne über die Lebensdauer der Drehratensensoren zu stabilisieren bzw. konstant zu halten. Bei Drehratensensoren mit hoher Güte (d. h. geringem Kaverneninnendruck) ist häufig nach HT Lagerungen (Lagerungszeiträume mit vergleichsweise hoher Temperatur) ein Anstieg des Innendrucks zu beobachten, der durch Ausgasungen bzw. durch Gasdiffusion in die Kaverne entsteht.
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Weitere Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements sind aus
US 8,546,928 B2 ,
US 2015/0158720 A1 und
US 8,513,747 B1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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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. Beispielsweise sind hierbei die erste Kaverne und die zweite Kaverne lediglich durch einen Bondsteg voneinander getrennt. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Hohe Güte über die Lebenszeit des mikromechanischen Bauelements zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
- – in einem vierten Verfahrensschritt der erste Druck in der ersten Kaverne weiter eingestellt wird, wobei ein mechanisches Anschlagen zwischen einer ersten Struktur des mikromechanischen Bauelements und einer zweiten Struktur des mikromechanischen Bauelements herbeigeführt wird, wobei mithilfe des mechanischen Anschlagens die Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur vergrößert wird und/oder die Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur vergrößert wird, wobei mithilfe der vergrößerten Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur und/oder mithilfe der vergrößerten Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur der erste Druck reduziert wird.
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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 die vergrößerte Oberfläche bzw. durch die zusätzlich zur Verfügung gestellte Oberfläche bzw. durch das zusätzlich in die Kaverne eingebrachte Material gebunden werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein mikromechanisches Bauelement mit einer gezielt eingestellten Güte, insbesondere mit einer im Vergleich zum Stand der Technik hohen Güte, bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Hochgütesystem bereitgestellt werden. Insbesondere wird durch mehrmaliges „in den Anschlag fahren” der ersten Struktur und der zweiten Struktur eine im Vergleich zum Stand der Technik signifikant gesteigerte Güte von Drehratensensoren ermöglicht.
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Auf vorteilhafte Weise lässt sich mithilfe der in der ersten Kaverne angeordneten ersten Struktur und mithilfe der in der ersten Kaverne angeordneten zweiten Struktur der Innendruck in der Kaverne auf einfache und kostengünstige Weise, insbesondere auch zeitlich nach dem Bondvorgang zwischen Substratwafer und Kappenwafer, bauteilindividuell gezielt einstellen. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit auch einer Erhöhung des Innendrucks aufgrund von Ausgasungen nach dem Bondvorgang durch gezielte zusätzliche Vergrößerung der Oberfläche der ersten Struktur und/oder der zweiten Struktur entgegengewirkt werden kann. Des Weiteren ist es somit vorteilhaft möglich mithilfe des gezielten Einstellens des ersten Drucks, d. h. der gezielten Reduktion des ersten Drucks, in der ersten Kaverne eine gewünschte Schwingungsgüte, d. h. eine erhöhte Schwingungsgüte, bauteilindividuell zu erreichten. Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement auf vorteilhafte Weise möglich durch geregelte Reduktion der Innendrücke in den Kavernen mehrerer erfindungsgemäßer mikromechanischer Bauelemente eine Druckvariation zwischen mehreren erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementen auszugleichen bzw. zu reduzieren. Somit wird eine deutliche Reduzierung der Gütevariationen zwischen den verschiedenen mikromechanischen Bauelementen eines Wafers und somit eine Reduzierung von ungewollten Schwankungen der Systemparameter der mikromechanischen Bauelemente bzw. eine Reduzierung des Effekts von unerwünschter Prozessstreuung möglich.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist unter Vergrößerung der Oberfläche zumindest eines Teils einer Struktur ein Abtrennen zumindest eines Teils der Struktur von der Struktur zu verstehen. Allerdings auch ein nur teilweises Abtrennen zumindest eines Teils der Struktur von der Struktur oder auch ein Aufrauen der Oberfläche der Struktur ist im Sinn der vorliegenden Erfindung unter Vergrößerung der Oberfläche zu verstehen.
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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.
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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.
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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. Alternativ ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die Zugangsöffnung mithilfe eines Oxid Reseal Verfahrens bzw. eines Oxid Wiederverschluss Verfahrens verschlossen wird. Hierbei handelt es sich bei dem Oxid Reseal Verfahren bzw. bei dem Oxid Wiederverschluss Verfahren beispielsweise um ein zum Laser Reseal Verfahren bzw. zum Laser Wiederverschluss Verfahren alternatives Verschlussverfahren, bei dem die nachträgliche Öffnung der Kaverne mit einem Oxiddeckel hermetisch verschlossen wird, welcher bei geringem Umgebungsdruck aufgewachsen wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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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.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der vierte Verfahrensschritt zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Somit wird vorteilhaft ermöglicht, dass der erste Druck nach dem Bondvorgang eingestellt bzw. weiter eingestellt bzw. reduziert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mechanische Anschlagen dadurch erreich wird, dass an einer dritten Struktur des mikromechanischen Bauelements ein sich von einem an der ersten Struktur angelegten ersten elektrischen Potential und sich von einem an der zweiten Struktur angelegten zweiten elektrischen Potential unterscheidendes drittes Potential angelegt wird, wobei zwischen dem ersten elektrischen Potential und dem zweiten elektrischen Potential eine erste Potentialdifferenz bereitgestellt wird, wobei die erste Potentialdifferenz im Wesentlichen gleich Null ist, wobei zwischen dem zweiten elektrischen Potential und dem dritten elektrischen Potential eine zweite Potentialdifferenz bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft das mechanische Anschlagen zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur ermöglicht, wobei zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur im Wesentlichen keine elektrostatischen Kräfte wirken. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die erste Struktur und die zweite Struktur aneinander schlagen können ohne aneinander haften zu bleiben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mechanische Anschlagen dadurch erreicht wird, dass an der ersten Struktur ein erstes elektrisches Potential und an der zweiten Struktur ein zweites elektrisches Potential angelegt wird, wobei zwischen dem ersten elektrischen Potential und dem zweiten elektrischen Potential eine dritte Potentialdifferenz bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das mechanische Anschlagen mithilfe von auf die erste Struktur und auf die zweite Struktur wirkender elektrostatischer Kräfte ermöglicht wird und so vorteilhaft in aus im Stand der Technik bekannte mikromechanische Bauelemente und deren Ansteuerungs- bzw. Betriebsverfahren integrierbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste elektrische Potential zeitlich variierbar und/oder das zweite elektrische Potential zeitlich variierbar bereitgestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste elektrische Potential zeitlich konstant und/oder das zweite elektrische Potential zeitlich konstant bereitgestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Potentialdifferenz zeitlich variierbar beireitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die auf die erste Struktur und auf die zweite Struktur wirkenden elektrostatischen Kräfte zeitlich konstant und/oder zeitlich variierbar sind. Außerdem ist vorteilhaft möglich, dass das erste elektrische Potential und das zweite elektrische Potential im Vergleich zu weiteren elektrischen Potentialen einstellbar sind. Des Weiteren ist somit vorteilhaft möglich, dass die zweite Struktur resonant antreibbar bzw. in eine resonante Schwingung versetzbar ist. Hierdurch wird das mechanische Anschlagen besonders einfach ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch das mechanische Anschlagen Silizium freigelegt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass kein zusätzliches Material in die erste Kaverne eingebracht werden muss, sondern dass beispielsweise das Sensormaterial Silizium durch Freilegen nicht oxidierter Siliziumoberflächen durch Gegeneinanderschlagen oxidierter Siliziumflächen wie eine Art Getter genutzt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt ein erstes Material der ersten Struktur und/oder ein zweites Material der zweiten Struktur und/oder ein drittes Material der dritten Struktur auf dem Substrat oder auf der Kappe abgeschieden wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das erste Material der ersten Struktur und/oder das zweite Material der zweiten Struktur und/oder das dritte Material der dritten Struktur zeitlich parallel zu einem weiteren Material für eine weitere Struktur auf dem Substrat oder der Kappe abgeschieden werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der fünfte Verfahrensschritt zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das erste Material der ersten Struktur und das zweite Material der zweiten Struktur und/oder das dritte Material der dritten Struktur zeitlich vor dem Bonden des Substrats mit der Kappe abgeschieden werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material und/oder das weitere Material Germanium ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das erste Material der ersten Struktur und/oder das zweite Material der zweiten Struktur und/oder das dritte Material der dritten Struktur bei der Verwendung von Germanium für das Bondverfahren, beispielsweise als Bondrahmen, zusammen mit dem Germanium für das Bondverfahren abgeschieden und strukturiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material und/oder das dritte Material zusammen mit dem weiteren Material abgeschieden und strukturiert werden. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Abscheiden und Strukturieren des ersten Materials und des zweiten Materials und/oder des dritten Materials in ein bereits existierendes Herstellungsverfahren einfach und kostengünstig integriert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material und/oder das dritte Material zeitlich nach dem weiteren Material abgeschieden werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Strukturieren eines das erste Material umfassenden ersten Bereichs und ein Strukturieren eines das zweite Material umfassenden zweiten Bereichs und/oder ein Strukturieren eines das dritte Material umfassenden dritten Bereichs vermieden werden.
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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 eine in der ersten Kaverne angeordnete erste Struktur und eine in der ersten Kaverne angeordnete zweite Struktur zur Herbeiführung eines mechanischen Anschlagens zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur zur Vergrößerung der Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur und/oder zur Vergrößerung der Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur zur Reduzierung des ersten Drucks 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.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die vergrößerte Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur und/oder die vergrößerte Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur zumindest teilweise Silizium umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass kein zusätzliches Material in die erste Kaverne eingebracht werden muss, sondern dass beispielsweise das Sensormaterial Silizium durch Freilegen nicht oxidierter Siliziumoberflächen durch Gegeneinanderschlagen oxidierter Siliziumflächen wie eine Art Getter genutzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement eine gegenüber dem Substrat oder gegenüber der Kappe starre und in der ersten Kaverne angeordnete dritte Struktur umfasst.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Struktur und/oder die zweite Struktur und/oder die dritte Struktur Silizium und/oder Germanium umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die erste Struktur und die zweite Struktur mit Standardverfahren der Halbleiterschichttechnologie herstellbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Struktur starr und die zweite Struktur beweglich gegenüber dem Substrat oder gegenüber der Kappe angeordnet sind oder die erste Struktur beweglich und die zweite Struktur beweglich gegenüber dem Substrat oder gegenüber der Kappe angeordnet sind. Somit sind die erste Struktur und die zweite Struktur besonders vorteilhaft in unterschiedlichen Ausführungsformen von mikromechanischen Bauelementen realisierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Struktur und einem in der ersten Kaverne angeordneten Sensorkern sowie zwischen der zweiten Struktur und dem Sensorkern eine Schutzstruktur angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass durch das mechanische Anschlagen von der ersten Struktur und/oder von der zweiten Struktur abgetrennte Partikel von dem Sensorkern ferngehalten werden können und somit die Wahrscheinlichkeit von durch die Partikel ausgelösten Kurzschlüssen im Bereich des Sensorkerns reduziert werden kann.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement mit geöffneter Zugangsöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung das mikromechanische Bauelement gemäß 1 mit verschlossener Zugangsöffnung.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie in 3 beispielhaft dargestellt, wird zusätzlich
- – in einem vierten Verfahrensschritt 104 der erste Druck in der ersten Kaverne 5 weiter eingestellt, wobei ein mechanisches Anschlagen zwischen einer ersten Struktur des mikromechanischen Bauelements 1 und einer zweiten Struktur des mikromechanischen Bauelements 1 herbeigeführt wird. Hierbei wird beispielsweise mithilfe des mechanischen Anschlagens die Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur vergrößert und/oder die Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur vergrößert. Somit wird beispielswese mithilfe der vergrößerten Oberfläche zumindest eines Teils der ersten Struktur und/oder mithilfe der vergrößerten Oberfläche zumindest eines Teils der zweiten Struktur der erste Druck reduziert.
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Beispielsweise werden mithilfe des mechanischen Anschlagens Silizium Oberflächen freigelegt. Dies ist beispielsweise wie folgt vorgesehen:
- – Die erste Struktur umfasst einen ersten Anschlag und die zweite Struktur umfasst einen zweiten Anschlag, wobei der erste Anschlag und der zweite Anschlag derart ausgebildet sind, dass die erste Struktur und die zweite Struktur nicht aneinander haften. Mit anderen Worten sind der erste Anschlag und der zweite Anschlag derart ausgebildet, dass der erste Anschlag und der zweite Anschlag als „reguläre” Anschläge fungieren und ein Festkleben der ersten Struktur an der zweiten Struktur, beispielsweise der beweglichen Struktur, verhindern. Hierbei haben beispielsweise der erste Anschlag und der zweite Anschlag zusätzlich die Funktion, als Getter freigesetzte Gasmengen zu binden. Hierbei sind beispielsweise Schutzstrukturen sinnvoll, die verhindern, dass Partikel, die beim Anschlagen von der ersten Struktur und/oder von der zweiten Struktur abgelöst werden bzw. generiert werden, im Sensorkern zu Kurzschlüssen führen.
- – Die erste Struktur und die zweite Struktur sind räumlich von dem Sensorkern derart getrennt, dass der Sensorkern in einer ersten Unterkaverne der ersten Kaverne 5 und die erste Struktur und die zweite Struktur in einer zweiten Unterkaverne der ersten Kaverne 5 angeordnet sind. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die erste Unterkaverne und die zweite Unterkaverne durch mindestens einen Kanal, insbesondere einen dünnen Kanal, miteinander verbunden sind. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der Kanal derart ausgebildet ist, dass der Kanal eine minimale Erstreckung aufweist, wobei eine maximale Erstreckung der ersten Unterkaverne im Wesentlichen das 10- bzw. 100- bzw. 1000- bzw. 10000-fache der minimalen Erstreckung umfasst. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die erste Struktur und die zweite Struktur als „Extra” Anschläge vorgesehen sind, die z. B. bei jedem Ramp-up des Sensors kurzzeitig durch Anlegen einer Spannung zusammengeschlagen werden und die über dünne Kanäle mit dem Kavernenvolumen der ersten Kaverne 5 verbunden sind. Hierbei ist vorgesehen, dass durch den Kanal bzw. durch die Kanäle bzw. durch die dünnen Kanäle ein Gasaustausch mit der ersten Kaverne 5 bzw. mit dem Kaverneninnenvolumen möglich ist. Beispielsweise ist jedoch zusätzlich vorgesehen, dass Partikel, die sich durch das mechanische Anschlagen von der ersten Struktur und/oder von der zweiten Struktur lösen bzw. sich bilden, nicht in bzw. zu dem Sensorkern gelangen und dort zu einem Kurzschluss bzw. zu mehreren Kurzschlüssen führen. Insbesondere ist vorgesehen, dass sich durch das mechanische Anschlagen Silizium-Flächen freigelegt werden bzw. dass Silizim-Flächen umfassenden Partikel von der ersten Struktur und/oder von der zweiten Struktur gelöst werden.
- – Die erste Struktur und die zweite Struktur sind derart ausgebildet, dass eine zu dem mechanischen Anschlagen führende Bewegung im Wesentlichen senkrecht zu einer der ersten Kaverne 5 abgewandten Oberfläche des Substrats 3 oder der Kappe 7 durch die erste Struktur und/oder durch die zweite Struktur ausgeführt wird. Beispielsweise ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die erste Struktur und die zweite Struktur derart ausgebildet sind, dass eine zu dem mechanischen Anschlagen führende Bewegung im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats 3 oder der Kappe 7 durch die erste Struktur und/oder durch die zweite Struktur ausgeführt wird. Mit anderen Worten sind beispielsweise die erste Struktur und die zweite Struktur derart ausgebildet, dass das mechanische Anschlagen in z-(senkrecht zur Waferoberfläche) und/oder in x- oder y-Richtung durchgeführt wird.
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Außerdem ist beispielsweise vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt ein erstes Material der ersten Struktur und/oder ein zweites Material der zweiten Struktur und/oder ein drittes Material der dritten Struktur auf dem Substrat 3 oder auf der Kappe 7 abgeschieden wird. Hierbei wird beispielsweise das erste Material und das zweite Material und/oder das dritte Material zusammen mit einem weiteren Material abgeschieden und strukturiert. Beispielsweise umfasst das weitere Material Germanium, welches für den Bondprozess auf die Kappe 7 vor dem Trenchen der ersten Kaverne 5 aufgebracht wird.
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Beispielweise ist alternativ auch vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material und/oder das dritte Material nach dem weiteren Material, beispielsweise nach dem Abscheiden des Germanium umfassenden Bondrahmens und nach dem Trenchen der Kaverne, vollflächig auf der Kaverneninnenseite bzw. auf einer der ersten Kaverne 5 zugewandten Oberfläche des Substrats 3 und/oder auf einer der ersten Kaverne 5 zugewandten Oberfläche der Kappe 7 abgeschieden wird. Hierbei ist vorteilhaft kein weiterer Lithografieschritt zur Strukturierung des ersten Materials und des zweiten Materials und/oder des dritten Materials notwendig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/120939 A1 [0002, 0003, 0004]
- US 8546928 B2 [0006]
- US 2015/0158720 A1 [0006]
- US 8513747 B1 [0006]
