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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 allgemein 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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Mikromechanische Bauelemente, wie beispielsweise Inertialsensoren, werden bevorzugt durch einen Waferbondprozess hermetisch verschlossen, um die Sensoren vor Umwelteinflüssen (Staub, Feuchtigkeit, Gas) zu schützen bzw. gezielt bestimmte Gase oder Vakuum einzuschließen. Beispiele an Verfahren für den hermetischen Verschluss von mikromechanischen Inertialsensoren auf Waferebene sind: eutektisches Bonden, Glasfritt-Bonden und Thermokompressionsbonden. Bisher wird auf Waferebene ein definierter Druck (z.B. Vakuum um 1 mbar, mittlerer Druck um einige 100 mbar oder Überdruck bis 2000 mbar) bzw. ein bestimmtes Gas (z.B. Stickstoff oder Neon) eingestellt. Im Allgemeinen wird bei Drehratensensoren ein niedriger Innendruck eingestellt (Hochgütesysteme) und bei Beschleunigungssensoren ein hoher Innendruck eingestellt (hohe Dämpfung), was durch Evakuieren oder über die gezielte Zufuhr eines Gases während des Waferbondprozesses erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne auf gegenüber dem Stand der Technik einfache, ressourcensparende und kostengünstige Weise bereitzustellen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck und in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck einstellbar ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
- -- in einem zweiten Teilschritt
- -- ein zweiter Druck und/oder eine zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden und
- -- die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung derart miteinander verbunden werden, dass eine gegenüber der Umgebung des mikromechanischen Bauelements und gegenüber der ersten Kaverne, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne gebildet wird, wobei in der zweiten Kaverne der zweite Druck herrscht und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingeschlossen ist.
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Dadurch, dass die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung in einem ersten Teilschritt und in einem zweiten Teilschritt miteinander verbunden werden, wobei in dem ersten Teilschritt die erste Kaverne gebildet wird und in dem zweiten Teilschritt die zweite Kaverne gebildet wird, ist es vorteilhaft möglich, dass in einem gestaffelten Bondprozess zuerst der erste Druck in der ersten Kaverne eingestellt werden kann und anschließend innerhalb desselben Bondprozesses der zweite Druck in der zweiten Kaverne eingestellt werden kann.
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Durch die Kombination des ersten Teilschritts mit dem zweiten Teilschritt in einem gestaffelten Prozess ist es auf vorteilhafte Weise möglich auf zwei vollständige Bondprozesse zu verzichten und somit die Prozesszeit gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu reduzieren. Außerdem ist es insbesondere aufgrund der Kombination des Vorbereitungsschritts mit dem ersten Teilschritt und dem zweiten Teilschritt vorteilhaft möglich ein kleineres Chipmaß („Footprint“) zu realisieren und somit die Materialkosten pro mikromechanisches Bauelement zu reduzieren sowie die Anzahl der mikromechanischen Bauelemente pro Wafer zu erhöhen, wodurch das mikromechanische Bauelement bzw. der das mikromechanische Bauelement umfassende Chip kostengünstiger herstellbar ist.
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Insbesondere ist es mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglich, die Einstellung von zwei Druckwerten auf Waferebene in einem Chip, bestehend aus Beschleunigungssensor und Drehratensensor, zu realisieren. Hierbei ist es insbesondere durch Nutzung von gezielt eingestellten Topographien und durch eine Kombination von Mechanismen der Waferbondverfahren möglich, innerhalb eines Prozesses unterschiedliche Innendrücke in Chips auf Waferebene einzustellen.
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Somit wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne auf gegenüber dem Stand der Technik einfache, ressourcensparende und kostengünstige Weise bereitgestellt, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck und in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck einstellbar ist.
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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 zwei Kaverne vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auch für ein mikromechanisches Bauelement mit drei Kavernen oder mit mehr als drei, d.h. vier, fünf, sechs oder mehr als sechs, Kavernen vorgesehen.
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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 der erste Druck höher als der zweite Druck ist, wobei in der ersten Kaverne eine erste Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung und in der zweiten Kaverne eine zweite Sensoreinheit zur Drehratenmessung angeordnet ist. 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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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Substratvorrichtung einen ersten Substratrahmen und einen zweiten Substratrahmen umfasst, wobei der erste Substratrahmen und der zweite Substratrahmen derart ausgebildet werden, dass vor dem ersten Teilschritt eine Erstreckung des ersten Substratrahmens senkrecht zu einer Substrat-Haupterstreckungsebene der Substratvorrichtung größer als eine Erstreckung des zweiten Substratrahmens senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass mithilfe der Ausbildung des ersten Substratrahmens und des zweiten Substratrahmens in dem ersten Teilschritt die, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne und in dem zweiten Teilschritt die, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne gebildet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappenvorrichtung einen ersten Kappenrahmen und einen zweiten Kappenrahmen umfasst, wobei der erste Kappenrahmen und der zweite Kappenrahmen derart ausgebildet werden, dass vor dem ersten Teilschritt eine Erstreckung des ersten Kappenrahmens senkrecht zu einer Kappen-Haupterstreckungsebene der Kappenvorrichtung größer als eine Erstreckung des zweiten Kappenrahmens senkrecht zu der Kappen-Haupterstreckungsebene ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass mithilfe der Ausbildung des ersten Kappenrahmens und des zweiten Kappenrahmens in dem ersten Teilschritt die, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne und in dem zweiten Teilschritt die, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne gebildet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Substratvorrichtung einen ersten Substratrahmen und einen zweiten Substratrahmen umfasst, wobei vor dem ersten Teilschritt der zweite Substratrahmen derart strukturiert wird, dass während des ersten Teilschritts eine Zugangsöffnung zwischen der zweiten Kaverne und der Umgebung gebildet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass selbst bei gleicher Erstreckung des ersten Substratrahmens und des zweiten Substratrahmens senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene mithilfe der Strukturierung des zweiten Substratrahmens in dem ersten Teilschritt die zweite Kaverne noch nicht geschlossen, insbesondere noch nicht hermetisch geschlossen, wird und in dem zweiten Teilschritt die zweite Kaverne, insbesondere hermetisch, geschlossen werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappenvorrichtung einen ersten Kappenrahmen und einen zweiten Kappenrahmen umfasst, wobei vor dem ersten Teilschritt der zweite Kappenrahmen derart strukturiert wird, dass während des ersten Teilschritts eine Zugangsöffnung zwischen der zweiten Kaverne und der Umgebung gebildet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass selbst bei gleicher Erstreckung des ersten Kappenrahmens und des zweiten Kappenrahmens senkrecht zu der Kappen-Haupterstreckungsebene mithilfe der Strukturierung des zweiten Kappenrahmens in dem ersten Teilschritt die zweite Kaverne noch nicht geschlossen, insbesondere noch nicht hermetisch geschlossen, wird und in dem zweiten Teilschritt die zweite Kaverne, insbesondere hermetisch, geschlossen werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Teilschritt und der zweite Teilschritt in einem Bondprozess durchgeführt werden. Insbesondere wird hierdurch vorteilhaft ermöglicht, dass auf zwei vollständige Bondprozesse verzichtet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung in dem ersten Teilschritt derart miteinander verbunden werden, dass der erste Substratrahmen und/oder der erste Kappenrahmen die, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne umschließt, wobei die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung in dem zweiten Teilschritt derart miteinander verbunden werden, dass der zweite Substratrahmen und/oder der zweite Kappenrahmen die, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne umschließt. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass mithilfe des ersten Substratrahmens und/oder des ersten Kappenrahmens der erste Druck in der ersten Kaverne einstellbar ist und mithilfe des zweiten Substratrahmens und/oder des zweiten Kappenrahmens der zweite Druck in der zweiten Kaverne einstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem ersten Teilschritt die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung mittels Thermokompressionsbonden miteinander verbunden werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem ersten Teilschritt die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung mittels Sealglasbonden miteinander verbunden werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem ersten Teilschritt die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung mittels eutektischem Bonden miteinander verbunden werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Teilschritt die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung mittels eutektischem Bonden miteinander verbunden werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Teilschritt die Substratvorrichtung und die Kappenvorrichtung mittels Sealglasbonden miteinander verbunden werden. Hierdurch werden vorteilhafte Möglichkeiten bereitgestellt um unterschiedliche Bondmechanismen in einen Bondprozess zu integrieren.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 bis 7 zeigen in schematischen Darstellungen mikromechanische Bauelemente während Verfahren gemäß beispielhafter Ausführungsformen 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 ist eine schematische Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Außerdem sind in 2 bis 7 schematische Darstellungen mikromechanischer Bauelemente 1 während Verfahren gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement 1 eine Substratvorrichtung 3 und eine Kappenvorrichtung 5 umfasst. Bevorzugt erstreckt sich die Substratvorrichtung 3 entlang einer Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und die Kappenvorrichtung 5 entlang einer Kappen-Haupterstreckungsebene 101. Außerdem umfasst die Substratvorrichtung 3 bevorzugt zumindest einen Teil eines Substratwafers 30 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt zumindest einen Teil eines Kappenwafers 50. Bevorzugt umfasst der Substratwafer 30 einen Funktionswafer. Des Weiteren umfasst die Substratvorrichtung 3 bevorzugt einen ersten Substratrahmen 31 und einen zweiten Substratrahmen 32 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt einen ersten Kappenrahmen 51 und einen zweiten Kappenrahmen 52. Außerdem umfasst der erste Substratrahmen 31 zumindest einen Teil einer auf dem Substratwafer 30 angeordneten strukturierten Schicht und der zweite Substratrahmen 32 zumindest einen weiteren Teil der auf dem Substratwafer 30 angeordneten strukturierten Schicht. Ferner umfasst der erste Kappenrahmen 51 zumindest einen Teil einer auf dem Kappenwafer 50 angeordneten strukturierten Schicht und der zweite Kappenrahmen 52 zumindest einen weiteren Teil der auf dem Kappenwafer 50 angeordneten strukturierten Schicht.
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Bevorzugt umfasst der erste Substratrahmen 31 Aluminium. Außerdem umfasst der zweite Substratrahmen 32 bevorzugt Aluminium. Des Weiteren umfasst der erste Kappenrahmen 51 bevorzugt Germanium. Ferner umfasst der zweite Kappenrahmen 52 bevorzugt Germanium. Besonders bevorzugt umfasst der erste Kappenrahmen 51 Germanium und Siliziumoxid. Außerdem umfasst der Substratwafer 30 bevorzugt einen Siliziumwafer und/oder der Kappenwafer 50 bevorzugt einen weiteren Siliziumwafer.
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Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass -- in einem Vorbereitungsschritt 200 die Substratvorrichtung 3 und/oder die Kappenvorrichtung 5 strukturiert werden. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass durch Abscheiden und/oder Aufwachsen und Strukturieren von weiteren Schichten auf dem Teil des Substratwafers 30 und/oder auf dem Teil des Kappenwafers 50 und/oder auf den noch nicht Strukturierten Schichten des ersten Substratrahmens 31 und/oder des zweiten Substratrahmen 32 und/oder des ersten Kappenrahmens 51 und/oder des zweiten Kappenrahmens 52, der Teil des Substratwafers 30 und/oder der Teil des Kappenwafers 50 und/oder die jeweiligen Schichten des ersten Substratrahmens 31 und/oder des zweiten Substratrahmens 32 und/oder des ersten Kappenrahmens 51 und/oder des zweiten Kappenrahmens 52, bevorzugt während des Vorbereitungsschritts 200, strukturiert werden. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Substratvorrichtung 3 mittels Oberflächenmikrobearbeitung (surface micromachining) strukturiert wird. Außerdem wird die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels Vollmaterialmikrobearbeitung (bulk micromachining) strukturiert wird.
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Bevorzugt werden vor dem ersten Teilschritt 201, insbesondere in dem Vorbereitungsschritt 200, der erste Substratrahmen 31 und der zweite Substratrahmen 32 derart ausgebildet, dass vor dem ersten Teilschritt 201, besonders bevorzugt auch vor dem zweiten Teilschritt 202, eine Erstreckung des ersten Substratrahmens 31 senkrecht zu einer Substrat-Haupterstreckungsebene 100 der Substratvorrichtung 3 größer als eine Erstreckung des zweiten Substratrahmens 32 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 ist. Außerdem werden vor dem ersten Teilschritt 201, insbesondere in dem Vorbereitungsschritt 200, bevorzugt der erste Kappenrahmen 51 und der zweite Kappenrahmen 52 derart ausgebildet, dass vor dem ersten Teilschritt 201, besonders bevorzugt auch vor dem zweiten Teilschritt 202, eine Erstreckung des ersten Kappenrahmens 51 senkrecht zu einer Kappen-Haupterstreckungsebene 101 der Kappenvorrichtung 5 größer als eine Erstreckung des zweiten Kappenrahmens 52 senkrecht zu der Kappen-Haupterstreckungsebene 101 ist.
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Ferner werden nach dem Vorbereitungsschritt 200 und vor dem ersten Teilschritt 201 bevorzugt die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 derart zueinander angeordnet, dass die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und die Kappen-Haupterstreckungsebene 101 parallel zueinander angeordnet sind. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 derart zueinander angeordnet werden, dass der erste Substratrahmen 31 und der zweite Substratrahmen 32 der Kappenvorrichtung 5 zugewandt sind. Außerdem werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt derart zueinander angeordnet, dass der erste Kappenrahmen 51 und der zweite Kappenrahmen 52 der Substratvorrichtung 3 zugewandt sind.
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Des Weiteren werden erfindungsgemäß
- -- in einem, bevorzugt nach dem Vorbereitungsschritt 200 durchgeführten, ersten Teilschritt 201
- -- ein erster Druck und/oder eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt und
- -- die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 derart miteinander verbunden, dass eine gegenüber einer Umgebung 7 des mikromechanischen Bauelements 1, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne 11 gebildet wird, wobei in der ersten Kaverne 11 der erster Druck herrscht und/oder die erste chemische Zusammensetzung eingeschlossen ist. Bevorzugt umfasst die erste chemische Zusammensetzung Stickstoff. Außerdem umfasst die erste chemische Zusammensetzung bevorzugt einen Volumenanteil von mindestens 90 %, besonders bevorzugt von mindestens 99 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 99,9 % Stickstoff. Ferner umfasst die erste chemische Zusammensetzung bevorzugt Neon. Außerdem umfasst die erste chemische Zusammensetzung bevorzugt einen Volumenanteil von mindestens 90 %, besonders bevorzugt von mindestens 99 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 99,9 % Neon.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass, besonders bevorzugt vor dem Einstellen des ersten Drucks und/oder der ersten chemischen Zusammensetzung, die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 voneinander beabstandet angeordnet werden. Außerdem werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt derart zueinander angeordnet, dass eine Projektion des ersten Substratrahmens 31 auf die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und eine Projektion des ersten Kappenrahmens 51 auf die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 überlappen. Ferner werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt derart zueinander angeordnet, dass eine Projektion des zweiten Substratrahmens 32 auf die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und eine Projektion des zweiten Kappenrahmens 52 auf die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 überlappen. Derart angeordnete Substratvorrichtungen 3 und Kappenvorrichtungen 5 von beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen sind in 3 bis 6 dargestellt.
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Nachdem die Substratvorrichtungen 3 und Kappenvorrichtungen 5 beispielsweise wie in 3 bis 6 dargestellt angeordnet wurden, wird der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung eingestellt. Bevorzugt wird der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der Umgebung 7 eingestellt und herrscht somit auch räumlich zwischen der Substratvorrichtung 3 und der Kappenvorrichtung 5, insbesondere in der noch nicht geschlossenen, insbesondere in der noch nicht hermetisch geschlossenen, ersten Kaverne 11 und in der noch nicht geschlossenen, insbesondere noch nicht hermetisch geschlossenen, zweiten Kaverne 12.
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Erfindungsgemäß bevorzugt wird, besonders bevorzugt während und/oder nachdem der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden, der Abstand zwischen der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und der Kappen-Haupterstreckungsebene 101 bzw. zwischen der Substratvorrichtung 3 und der Kappenvorrichtung 5 in einem Bewegungsschritt verringert. Mit anderen Worten wird die Substratvorrichtung 3 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und in Richtung der Kappenvorrichtung 5 bewegt und/oder die Kappenvorrichtung 5 senkrecht zu der Kappen-Haupterstreckungsebene 101 und in Richtung der Substratvorrichtung 3 bewegt.
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In den in 3, 4 und 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen, berühren sich bevorzugt zuerst der erste Substratrahmen 31 und der erste Kappenrahmen 51 dadurch, dass der Bewegungsschritt durgeführt wird. Bevorzugt berühren sich in dem in 7 beispielhaft dargestellten Ausführungsbespiel bevorzugt sowohl der erste Substratrahmen 31 und der erste Kappenrahmen 51 als auch der zweite Substratrahmen 32 und der zweiten Kappenrahmen 52 dadurch, dass der Bewegungsschritt durgeführt wird.
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Außerdem wird vor dem ersten Teilschritt 201, insbesondere in dem Vorbereitungsschritt 200, der zweite Substratrahmen 32 derart strukturiert bzw. ausgebildet, dass während des ersten Teilschritts 201 eine Zugangsöffnung 40 zwischen der, insbesondere noch nicht hermetisch geschlossenen, zweiten Kaverne 12 und der Umgebung 7 gebildet wird. Ferner wird vor dem ersten Teilschritt 201, insbesondere in dem Vorbereitungsschritt 200, der zweite Kappenrahmen 52 derart strukturiert bzw. ausgebildet, dass während des ersten Teilschritts 201 eine Zugangsöffnung bzw. eine weitere Zugangsöffnung zwischen der, insbesondere noch nicht geschlossenen, insbesondere noch nicht hermetisch geschlossenen, zweiten Kaverne 12 und der Umgebung 7 gebildet wird. Mit anderen Worten umfasst das mikromechanische Bauelement 1 nach dem ersten Teilschritt 201 und vor dem zweiten Teilschritt 202 eine gegenüber der Umgebung 7, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne 11 und eine gegenüber der Umgebung 7 nicht geschlossene, insbesondere nicht hermetisch geschlossene, zweite Kaverne 12.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- -- in einem, bevorzugt nach dem ersten Teilschritt 201 durchgeführten, zweiten Teilschritt 202
- -- ein zweiter Druck und/oder eine zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden und
- -- die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 derart miteinander verbunden werden, dass eine gegenüber der Umgebung 7 des mikromechanischen Bauelements 1 und gegenüber der ersten Kaverne 11, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne 12 gebildet wird, wobei in der zweiten Kaverne 12 der zweite Druck herrscht und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingeschlossen ist.
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Bevorzugt wird der zweite Druck und/oder die zweite chemische Zusammensetzung in der Umgebung 7 eingestellt und herrscht somit auch räumlich zwischen der Substratvorrichtung 3 und der Kappenvorrichtung 5, insbesondere in der noch nicht, insbesondere hermetisch, geschlossenen zweiten Kaverne 12.
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Erfindungsgemäß bevorzugt wird, besonders bevorzugt während und/oder nachdem der zweite Druck und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden, der Abstand zwischen der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und der Kappen-Haupterstreckungsebene 101 in einem weiteren Bewegungsschritt weiter verringert. Mit anderen Worten wird die Substratvorrichtung 3 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und in Richtung der Kappenvorrichtung 5 bewegt und/oder die Kappenvorrichtung 5 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und in Richtung der Substratvorrichtung 3 bewegt. Hierbei werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt derart bewegt, dass bevorzugt zu jedem Zeitpunkt die Substrat-Haupterstreckungsebene 100 und die Kappen-Haupterstreckungsebene 101 parallel zueinander angeordnet sind. Bevorzugt werden in den in 3, 4, 6 und 7 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen der erste Substratrahmen 31 und/oder der erste Kappenrahmen 51 bevorzugt mithilfe von mechanischem Druck und/oder Temperatur plastisch verformt und/oder in einen flüssigen Aggregatzustand überführt. Bevorzugt werden in dem in 7 beispielhaft dargestellten Ausführungsbespiel sowohl der erste Substratrahmen 31 und/oder der erste Kappenrahmen 51 als auch der zweiten Substratrahmen 32 und/oder der zweiten Kappenrahmen 52 bevorzugt mithilfe von mechanischem Druck und/oder Temperatur plastisch verformt und/oder in einen flüssigen Aggregatzustand überführt.
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In den in 3, 4 und 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen, berühren sich bevorzugt der zweiten Substratrahmen 32 und der zweiten Kappenrahmen 52 dadurch, dass der weitere Bewegungsschritt durgeführt wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass während des weiteren Bewegungsschritts die erste Kaverne 11 gegenüber der Umgebung 7 des mikromechanischen Bauelements 1, insbesondere hermetisch, geschlossene bleibt. Außerdem verringert sich das Volumen der ersten Kaverne 11 während des zweiten Teilschritts 202 bevorzugt maximal um 10%, besonders bevorzugt maximal um 1 %, ganz besonders bevorzugt maximal um 0,1 %. Des Weiteren ist der erste Druck nach dem zweiten Teilschritt 202 bevorzugt maximal 10% höher, besonders bevorzugt maximal 1 % höher, ganz besonders bevorzugt maximal 0,1 % höher, als der erste Druck vor dem zweiten Teilschritt 202. Außerdem bleibt die erste chemische Zusammensetzung während des zweiten Teilschritts 202 bevorzugt im Wesentlichen konstant.
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Des Weiteren werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 in dem ersten Teilschritt 201 bevorzugt derart miteinander verbunden, dass der erste Substratrahmen 31 und/oder der erste Kappenrahmen 51 die, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne 11 umschließt, wobei die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 in dem zweiten Teilschritt 202 derart miteinander verbunden werden, dass der zweite Substratrahmen 32 und/oder der zweite Kappenrahmen 52 die, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne 12 umschließt.
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Erfindungsgemäß ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem ersten Teilschritt 201 und in dem zweiten Teilschritt 202 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 durch Bonden miteinander verbunden werden. Außerdem werden in dem ersten Teilschritt 201 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels Thermokompressionsbonden miteinander verbunden. Ferner werden in dem ersten Teilschritt 201 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels Sealglasbonden miteinander verbunden. Des Weiteren werden in dem ersten Teilschritt 201 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels eutektischem Bonden miteinander verbunden. Außerdem werden in dem zweiten Teilschritt 202 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels eutektischem Bonden miteinander verbunden. Des Weiteren werden in dem zweiten Teilschritt 202 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt mittels Sealglasbonden miteinander verbunden.
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Des Weiteren wird der zweite Teilschritt 202 bevorzugt derart durchgeführt, dass nach dem zweiten Teilschritt 202 eine Erstreckung des ersten Substratrahmens 31 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 der Substratvorrichtung 3 im Wesentlichen gleich einer Erstreckung des zweiten Substratrahmens 32 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 ist. Außerdem wird der zweite Teilschritt 202 bevorzugt derart durchgeführt, dass eine Erstreckung des ersten Kappenrahmens 51 senkrecht zu einer Kappen-Haupterstreckungsebene 101 der Kappenvorrichtung 5 gleich einer Erstreckung des zweiten Kappenrahmens 52 senkrecht zu der Kappen-Haupterstreckungsebene 101 ist. Ferner wird der zweite Teilschritt 202 bevorzugt derart durchgeführt, dass nach dem zweiten Teilschritt 202 eine Erstreckung des ersten Substratrahmens 31 und des ersten Kappenrahmens 51 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen gleich einer Erstreckung des zweiten Substratrahmens 32 und des zweiten Kappenrahmens 52 senkrecht zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 ist.
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Bevorzugt wird bei den in 3 bis 5 in dem ersten Teilschritt 201 die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 mittels Thermokompression und im zweiten Teilschritt 202 mittels eutektischem Bonden miteinander verbunden.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird vor dem ersten Teilschritt 201, bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, eine Bondrahmentopographie mit einem Oxidrahmen 151, bevorzugt mit einem Siliziumoxidrahmen, unter Germanium 251 hergestellt. Mit anderen Worten umfasst der ersten Kappenrahmen 51 einen Oxidrahmen 151, wobei der Oxidrahmen 151 bevorzugt Siliziumoxid umfasst, und einen Germaniumrahmen 251 bzw. einen Germaniumbondrahmen 251. Bevorzugt wird in dem Vorbereitungsschritt 200 zuerst der Oxidrahmen 151 auf dem, besonders bevorzugt vorstrukturieren, Teil des Kappenwafers 50 abgeschieden bzw. aufgewachsen und strukturiert und anschließend der Germaniumrahmen 251 auf dem Oxidrahmen 151 abgeschieden. Wie in 3 beispielhaft dargestellt, sind die Chips, die den ersten Druck einschließen sollen bzw. die nach dem ersten Teilschritt 201 und nach dem zweiten Teilschritt 202 die erste Kaverne 11 umfassen, auf der Kappenseite von einem (oder mehreren) schmalen Rahmen 151, 151' aus Siliziumoxid, bevorzugt in einer Ebene parallel zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100, umgeben, wobei der eine (oder die mehreren) schmalen Rahmen 151, 151' aus Siliziumoxid unter dem Germanium des Bondrahmens bzw. dem Germaniumbondrahmen 251 liegt (bzw. liegen) und eine Erhöhung des Bondrahmens bzw. des Germaniumbondrahmens 251 bewirkt. Diese Chips werden im ersten Teil des Bondprozesses bzw. im ersten Teilschritt 201 bei dem ersten Druck und einer Temperatur unterhalb der eutektischen Temperatur durch einen Thermokompressionsbond abgedichtet. Die Bondrahmen derjenigen Chips, die den zweiten Druck einschließen sollen bzw. die die zweite Kaverne 12 umschließen, haben dagegen keine Erhöhung im Bondrahmen, sodass sie nach dem Verschließen der ersten Chips bzw. nach dem ersten Teilschritt 201 noch geöffnet sind. Sie werden erst im zweiten Teil des Bondprozesses bzw. im zweiten Teilschritt 202 nach einem Druckwechsel in der Umgebung 7 bzw. in einer Bondkammer, mit dem zweiten Druck verschlossen. Der zweite Verschluss erfolgt oberhalb der eutektischen Temperatur, sodass sämtliche Chips, auch die zuerst verschlossenen, eutektisch gebondet werden. Besonders bevorzugt wird durch eine erhöhte Topographie durch den Oxidrahmen 151 unter dem Germaniumrahmen 251 eines Beschleunigungssensors zunächst durch einen Thermokompressionsbond, bevorzugt im ersten Teilschritt 201, Stickstoff unter höherem Druck eingeschlossen und dann bei Weiterführung des Bondprozesses unter Vakuum, bevorzugt im zweiten Teilschritt 202, der Drehratensensor eutektisch gebondet, wobei der Beschleunigungssensor auch eutektisch durchreagiert.
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Des Weiteren wird bei dem in 4 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel vor dem ersten Teilschritt 201, bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, eine Bondrahmentopographie mit einer Aluminiumaufdickung hergestellt. Bevorzugt entspricht das Prinzip des in 4 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem Prinzip des in 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei bei dem in 4 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel der sensorseitige Aluminiumbondrahmen durch einen schmalen Rahmen erhöht ausgebildet ist, der ebenfalls aus Aluminium besteht und unter dem Bondrahmen bzw. unter dem Aluminiumbondrahmen liegt. Mit anderen Worten wird bevorzugt vor dem ersten Teilschritt 201 eine erste Aluminiumschicht auf dem Substratwafer 30 derart abgeschieden und strukturiert, dass ein erster Aluminiumrahmen 131 auf dem Substratwafer 30 gebildet wird, und anschließend eine zweite Aluminiumschicht auf dem Substratwafer 30 und auf der strukturierten ersten Aluminiumschicht bzw. auf dem ersten Aluminiumrahmen 131 derart abgeschieden und strukturiert, dass ein zweiter Aluminiumrahmen 231 auf dem Substratwafer 30 und auf dem ersten Aluminiumrahmen 131 gebildet wird. Mit anderen Worten umfasst der in dem in 4 beispielhaft dargestellte ersten Substratrahmen 31 den ersten Aluminiumrahmen 131 und den zweiten Aluminiumrahmen 231. Die Chips mit erhöhten Bondrahmen werden bzw. die erste Kaverne 11 wird mit dem ersten Druck verschlossen, bevor in der Bondkammer bzw. in der Umgebung 7 ein Druckwechsel, bevorzugt von dem ersten Druck zu dem zweiten Druck, durchgeführt wird und die übrigen Chips mit den nicht erhöhten Bondrahmen mit dem zweiten Druck verschlossen werden bzw. die zweite Kaverne 12 mit dem zweiten Druck verschlossen wird.
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Ferner wird bei dem in 5 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel vor dem ersten Teilschritt 201, bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, eine Dichtlippe im Ritzgraben gebildet. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Substratvorrichtung 3 und/oder die Kappenvorrichtung 5 derart strukturiert werden, dass die Chips, die als erste verschlossen werden bzw. die die erste Kaverne 11 umfassen, von einer Dichtlippe 53 umgeben werden, die im Ritzgraben 54 liegt. Mit anderen Worten wird die Substratvorrichtung 3 und/oder die Kappenvorrichtung 5 bevorzugt derart strukturiert, dass die die Substratvorrichtung 3 und/oder die Kappenvorrichtung 5 eine Dichtlippe 53 umfasst, wobei die Dichtlippe 53 bevorzugt zwischen der ersten Kaverne 11 und der zweiten Kaverne 12 angeordnet ist. Außerdem wird sensorseitig der Ritzgraben 54 um den Bondrahmen herum mit Aluminium gefüllt, kappenseitig mit einer Siliziumoxidstruktur. Bevorzugt umfasst die Dichtlippe 53 Siliziumoxid bzw. eine Siliziumoxidstruktur bzw. ein Ritzgraben-Oxid. Des Weiteren wird die Substratvorrichtung 3 bevorzugt derart strukturiert, dass die Substratvorrichtung 3 eine Struktur 55 in dem Ritzgraben 54 umfasst, wobei die Struktur 55 bevorzugt Aluminium bzw. Ritzgraben-Aluminium umfasst. Beim Bonden bzw. im ersten Teilschritt 201, werden die Chips bzw. die erste Kaverne 11 durch die Dichtlippe abgedichtet, indem die Dichtlippe 53 in die Struktur 55 gedrückt wird und der erste Druck in der ersten Kaverne 11 eingeschlossen wird. Nach einem Druckwechsel bzw. nachdem der zweite Druck und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingestellt wurde, werden die übrigen Chips mit dem zweiten Druck verschlossen bzw. die zweite Kaverne 12 mit dem zweiten Druck verschlossen und sämtliche Chips bzw. die erste Kaverne 11 und die zweite Kaverne 12 werden, bevorzugt in dem zweiten Teilschritt 202 durch einen eutektischen Bond, insbesondere hermetisch, dicht verschlossen.
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Bei dem in 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel wird vor dem ersten Teilschritt 201, bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, eine Topographie im Aluminiumbondrahmen hergestellt. Mit anderen Worten wird bevorzugt vor dem ersten Teilschritt 201 eine erste Aluminiumschicht auf dem Substratwafer 30 derart abgeschieden und strukturiert, dass ein erster Aluminiumrahmen 131 auf dem Substratwafer 30 gebildet wird, und anschließend eine zweite Aluminiumschicht auf dem Substratwafer 30 und auf der strukturierten ersten Aluminiumschicht bzw. auf dem ersten Aluminiumrahmen 131 derart abgeschieden und strukturiert, dass ein zweiter Aluminiumrahmen 231 auf dem Substratwafer 30 und auf dem ersten Aluminiumrahmen 131 gebildet wird. Bevorzugt wird vor dem ersten Teilschritt 201 auf der Sensorseite bzw. auf dem Substratwafer ein Aluminiumrahmen aufgebracht, der bevorzugt auf dem Substratwafer 30 und in der ersten Kaverne 11 angeordnete mikromechanischen Strukturen bevorzugt in einer parallel zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Ebene umschließt und einem kappenseitigen Sealglasbondrahmen bzw. dem ersten Kappenrahmen 51 und dem zweiten Kappenrahmen 52 gegenüberliegt, wobei der erste Kappenrahmen 51 und der zweite Kappenrahmen 52 bevorzugt jeweils einen Sealglasbondrahmen umfassen. Bei den Chips, die als erste mit dem ersten Druck verschlossen werden sollen bzw. die die erste Kaverne 11 umschließen, ist der der erste Substratrahmen 31, welcher bevorzugt einen Alurahmen umfasst, im Gegensatz zum zweiten Substratrahmen 32 erhöht. Diese Variante wird in einem zweistufigen Prozess sealglasgebondet. Mit anderen Worten wird die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 im ersten Teilschritt 201 und im zweiten Teilschritt 202 miteinander durch Sealglasbonden verbunden. Hierbei wird bevorzugt zuerst der Sealglas umfassende erste Kappenrahmen 51 und der Sealglas umfassende zweite Kappenrahmen 52 erweicht. Anschließend trifft bevorzugt im bzw. am Ende des Bewegungsschritts der ersten Kappenrahmen 51 auf den ersten Substratrahmen 31. Hierbei schließen die Chips bzw. die erste Kaverne 11 den ersten Druck ein. Nach einem Druckwechsel bzw. nachdem der zweite Druck und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingestellt wurde wird die Andruckkraft zwischen Substratvorrichtung 3 und Kappenvorrichtung 5 erhöht, sodass die übrigen Chips ohne erhöhte Alurahmen bei dem zweiten Druck gebondet werden bzw. dass die zweite Kaverne 12 gegenüber der Umgebung 7 und gegenüber der ersten Kaverne 11, insbesondere hermetisch, geschlossen wird.
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Des Weiteren wird bei dem in 7 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel ein eutektisches Bonden mit bzw. ohne offene Bereiche im Al-Bondrahmen bzw. im ersten Substratrahmen 31 und im zweiten Substratrahmen 32 durchgeführt. Bevorzugt wird hierbei vor dem ersten Teilschritt 201, besonders bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, ein in einer parallel zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Ebene 300 die erste Kaverne 11 vollständig umschließender erster Substratrahmen 31 ausgebildet. Außerdem wird bevorzugt vor dem ersten Teilschritt 201, besonders bevorzugt im Vorbereitungsschritt 200, ein in einer parallel zu der Substrat-Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Ebene 300 die zweite Kaverne 12 lediglich teilweise umschließender zweiten Substratrahmen 32 ausgebildet.
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Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Chips, die den ersten Druck einschließen sollen bzw. die erste Kaverne 11 umfassen, haben standardmäßig ausgeführte Bondrahmen. Diejenigen Chips, die erst im zweiten Schritt des Bondprozesses mit dem zweiten Druck verschlossen werden sollen bzw. die die zweite Kaverne 12 umschließen, sind mit Lücken im sensorseitigen Aluminiumbondrahmen versehen. Mit anderen Worten umfasst der zweite Substratrahmen 32 Lücken bzw. Ausnehmungen 40, 41, 42, 43. Die Lücken bzw. die Ausnehmungen 40, 41, 42, 43 schließen sich beim Bonden bzw. im ersten Teilschritt 201 nicht sofort, sodass während des Bondprozesses bzw. im zweiten Teilschritt 202 ein Druckwechsel vorgenommen werden kann bzw. der zweite Druck und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden, nachdem die Chips mit Standardbondrahmen bereits bei dem ersten Druck verschlossen wurden bzw. eine gegenüber einer Umgebung 7 des mikromechanischen Bauelements 1, insbesondere hermetisch, geschlossene erste Kaverne 11 gebildet wurde, jedoch bevor die Lücken bzw. die Ausnehmungen 40, 41, 42, 43 der übrigen Chips bzw. des zweiten Substratrahmen 32 mit verfließendem Eutektikum gefüllt werden. Somit schließen die Chips mit Lücken den zweiten Druck bzw. werden die Substratvorrichtung 3 und die Kappenvorrichtung 5 derart miteinander verbunden, dass eine gegenüber der Umgebung 7 des mikromechanischen Bauelements 1 und gegenüber der ersten Kaverne 11, insbesondere hermetisch, geschlossene zweite Kaverne 12 gebildet wird, wobei in der zweiten Kaverne 12 der zweite Druck herrscht und/oder die zweite chemische Zusammensetzung eingeschlossen ist.
