WO2014184025A1 - Integrierter drehraten- und beschleunigungssensor und verfahren zur herstellung eines integrierten drehraten- und beschleunigungssensor - Google Patents

Integrierter drehraten- und beschleunigungssensor und verfahren zur herstellung eines integrierten drehraten- und beschleunigungssensor Download PDF

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WO2014184025A1
WO2014184025A1 PCT/EP2014/059060 EP2014059060W WO2014184025A1 WO 2014184025 A1 WO2014184025 A1 WO 2014184025A1 EP 2014059060 W EP2014059060 W EP 2014059060W WO 2014184025 A1 WO2014184025 A1 WO 2014184025A1
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WO
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wafer
sensor
evaluation
cavity
micromechanical device
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PCT/EP2014/059060
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Johannes Classen
Jochen Reinmuth
Arnd Kaelberer
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical device comprising at least two
  • Sensor elements an evaluation wafer and at least two cavities with
  • Sensor systems usually an acceleration sensor and a rotation rate sensor, arranged in different cavities and comprise a sensor element, preferably a seismic mass.
  • Sensor systems usually an acceleration sensor and a rotation rate sensor, arranged in different cavities and comprise a sensor element, preferably a seismic mass.
  • the different sensor systems simultaneously, d. H. in one
  • Process step to produce on a substrate, whereby in a single
  • micromechanical device particularly small and inexpensive combinations of different sensor systems can be realized.
  • micromechanical device particularly small and inexpensive combinations of different sensor systems can be realized.
  • Micromechanical devices involves the technical challenge of operating the sensor systems under the gas pressure that is provided for them in each case and mostly. While, for example, for a rotation rate sensor the lowest possible gas pressure (about 1 mbar) is desirable so that the resonantly driven seismic mass of the rotation rate sensor experiences only a slight damping, acceleration sensors are preferably operated at an approximately 500 times greater gas pressure.
  • the prior art typically uses getter materials to adjust the desired gas pressure from cavity to cavity. This getter material, for example, is introduced into the cavity for which a low pressure is provided, and in an activated state is able to capture gas molecules, thereby reducing the gas pressure in the cavity. Typically, the getter material is activated by the temperature exceeding a threshold.
  • Micromechanical device to provide, in which the sensor system is connected to the evaluation circuit via a very short, electrically conductive signal path.
  • micromechanical device having a sensor wafer, at least one intermediate wafer and an evaluation wafer, wherein the
  • micromechanical device has a main extension plane, wherein the
  • Sensor wafer, the intermediate wafer and the evaluation wafer are arranged one above the other, that the intermediate wafer between the sensor wafer and the evaluation wafer is arranged.
  • a plurality of such micromechanical devices are manufactured in a common production process, with intermediate wafers, sensor wafers and evaluation wafers extending over all the micromechanical devices to be produced during the production process.
  • the evaluation wafer is an ASIC wafer, i. H. the evaluation wafer has an application-specific integrated circuit, which is provided to process or relay the information originating from the sensor wafer in the form of electrical signals.
  • first sensor element preferably a first seismic mass of an acceleration sensor or a rotation rate sensor
  • second sensor element spatially separated from the first sensor element, preferably a second seismic mass of an acceleration sensor or a rotation rate sensor.
  • the first sensor element is located in a first cavity or cavity, which passes through the intermediate wafer and the
  • Sensor wafer is formed, and the second sensor element is located in a second cavity or cavity, which is formed by the intermediate wafer and the sensor wafer.
  • the sensor element or the first seismic mass and the second seismic mass comprise electrodes which cooperate with one or more further electrodes mounted on the intermediate wafer and / or sensor wafer and thus a sensor system or a yaw rate sensor or
  • a first gas pressure in the first cavity differs from a second gas pressure in the second cavity
  • the intermediate wafer has at least one opening. It is provided that this opening is then part of a gap, which is limited by both the intermediate wafer and the evaluation wafer and the sensor wafer. Such an opening can for example release the view from the evaluation wafer to the sensor wafer in a direction perpendicular to the main extension plane.
  • Embodiment the opening but also the view from the evaluation wafer for
  • Main extension plane extending direction is inclined, wherein the angle is less than 90 °.
  • the intended opening of the intermediate wafer is able to delimit individual subregions of the intermediate wafer from one another.
  • Micromechanical device proves to be advantageous over those of the prior art in that the micromechanical device has no getter material and therefore the additional costs arising from the getter material are avoided.
  • the micromechanical device has a plurality of intermediate wafers.
  • the evaluation wafer has a thickness of 30-150 ⁇ m.
  • the intermediate wafer consists of an electrically conductive material, preferably a single crystal silicon wafer with high doping (boron, phosphorus, arsenic or antimony).
  • the intermediate wafer comprises one or more coatings.
  • the signal path between the evaluation wafer and the sensor wafer is short in comparison to those known from the prior art for micromechanical devices.
  • an electrically suffering signal path is realized in a particularly advantageous manner, which is less susceptible to interference from electromagnetic radiation and parasitic capacitances in comparison to such micromechanical devices in which the electrical signals are transmitted over a longer signal path.
  • the short signal paths contribute to the fact that the micromechanical device can be dimensioned as small as possible.
  • a first atmosphere or a first gas or a first gas mixture in the first cavity differs from a second atmosphere or a second gas or a second gas mixture.
  • the first sensor element is part or component of an acceleration sensor and the second sensor element is part or component of a rotation rate sensor.
  • first sensor element be part or component of a rotation rate sensor and the second sensor element to be part or component of an acceleration sensor.
  • the sensor means may comprise a further sensor element or passive elements, such. B. a capacitance, coil or diode include.
  • passive components are provided there, which are to be protected from influences such as moisture and / or electric fields.
  • the sensor means is a magnetic field sensor which is arranged on the intermediate wafer. This results in the advantage for the micromechanical device to include even more components for which otherwise a separate device would be needed. This can be z. Place on a
  • one or more stops are provided in the first and / or the second cavity.
  • Such stops which are preferably arranged at defined locations above the sensor element, allow the freedom of movement of the first and / or the second advantageously
  • Sensor element (in particular the first and / or the second seismic mass) restrict, for example, to avoid spring breakage of the sensor element in case of overload.
  • the first and / or the second sensor element has a Antiklebe Anlagen, in particular an organic Antiklebe lambda. Such a layer advantageously prevents this
  • first and / or second cavity to have both a stop and an anticorrosive layer.
  • the sensor wafer and / or evaluation wafer comprises conductor tracks, wherein the sensor wafer has one or more first conductor tracks and the evaluation wafer has one or more second conductor tracks.
  • the micromechanical device is able to integrate electrical signals directly from the sensor wafer sensor system to the integrated one
  • Circuit of the evaluation wafer or vice versa to send wherein the intermediate wafer ensures that at least one first conductor of the sensor wafer is electrically connected to at least one second conductor of the evaluation wafer.
  • Evaluation wafer is arranged.
  • Such an electrical connection is intended to connect the micromechanical device to the printed circuit board or the chip carrier. If the connection is in particular on the side pointing away from the intermediate wafer, it is possible to use the micromechanical device preferably in a bare-die configuration. With the bare-die assembly, the micromechanical device can be soldered directly onto the printed circuit board, which advantageously makes it possible to dispense with further packaging (such as a mold package) of the micromechanical device which is associated therewith.
  • Another object of the present invention is a method for producing a micromechanical device having a sensor wafer, an intermediate wafer and an evaluation wafer, wherein the micromechanical device has a main extension plane, wherein the sensor wafer, the intermediate wafer and the evaluation wafer are arranged one above the other, that the intermediate wafer between the sensor wafer and the evaluation wafer is arranged, wherein the evaluation wafer has at least one application-specific integrated circuit, and wherein the sensor wafer and / or the intermediate wafer, a first sensor element and the sensor wafer and / or
  • Intermediate wafer comprises a second sensor element spatially separated from the first sensor element, wherein the first sensor element is located in a first cavity, which is formed by the intermediate wafer and the sensor wafer, and the second sensor element is located in a second cavity, through the intermediate wafer and the sensor wafer is formed, wherein a first gas pressure in the first cavity differs from a second gas pressure in the second cavity, and the intermediate wafer in a direction perpendicular to
  • Main extension plane lying at least one opening, wherein the sensor wafer and the intermediate wafer are joined together by a first connecting step and the intermediate wafer and the evaluation wafer are joined together by a second connecting step, wherein during the first
  • the method according to the invention has the advantage over those known from the prior art that it dispenses with getter materials in order to realize a second gas pressure in the second cavity, which differs from the first gas pressure in the first cavity.
  • the first connection step in a first atmosphere which comprises the first gas pressure and the first gas or gas mixture, and the second
  • the first gas or gas mixture corresponds to the second gas or gas mixture.
  • a connection is used for the first connection step and / or the second connection step, which realizes an electrical contact between intermediate wafer and evaluation wafer or sensor wafer.
  • Evaluation wafer (preferably for evaluation of the signals from the sensor system) or the evaluation wafer via the electrical contact to the sensor wafer (for example, to drive the seismic mass) are transmitted. This results in that the
  • Signal path between evaluation wafer and sensor wafer is short in comparison to those known from the prior art for micromechanical devices.
  • an electrically suffering signal path is realized, which in a particularly advantageous manner is less susceptible to interference from electromagnetic radiation and parasitic capacitances in comparison with micromechanical devices in which the electrical signals are transmitted over a longer signal path.
  • the short signal paths contribute to not enlarging the micromechanical device.
  • the electrical contact between intermediate wafer and evaluation wafer or sensor wafer is a eutectic AIGe compound.
  • a eutectic AIGe compound it is provided that an aluminum (Al) layer or a layer which essentially comprises aluminum is arranged on the sensor wafer and / or the evaluation wafer on the sides facing the intermediate wafer, wherein the latter the sensor wafer or Evaluation wafer applied layer has the advantage of being compatible with known Koch Anlagentician compiler (HF gas phase etching) and methods for depositing Antiklebe harshen.
  • the aluminum layer can fulfill the task of an etching stop layer.
  • a germanium (Ge) layer is placed on the intermediate wafer for the eutectic AIGe compound, the Ge layer being deposited, annealed, cleaned and conditioned at higher temperatures on the intermediate wafer to improve the bonding properties, without the sensitive ones
  • the Ge or Al layer is deposited on a silicon (Si) sublayer, whereby silicon may diffuse into the eutectic AIGe compound during the first and / or second bonding step and increase the melting temperature.
  • Si silicon
  • the Si layer under the Ge layer is made thinner in the second compound step to keep the melting temperature for the second compound step lower than that for the first compound step, thereby advantageously avoiding the AIGe compound of the first compound step of the second connection step is remelted and thus a weakening or a shift of the AIGe connection of the first connecting step is caused.
  • the intermediate wafer has a pre-patterning, i. H. the intermediate wafer already points before the first one
  • Evaluation Wafer facing side and are arranged on the side facing the sensor wafer and after the first connection step are part of the first cavity and / or the second cavity.
  • bulges or recesses in the region of the first and / or the second cavity ensure that the sensor element is guaranteed or made available for a certain freedom of movement.
  • the internal pressure in the first and / or in the second cavity can be reliably adjusted by means of the recesses or bulges, even if outgassing occurs during the first connecting step and / or the second connecting step.
  • the intermediate wafer is patterned after the first joining step and before the second joining step.
  • This structuring preferably realizes with simple means the opening in the intermediate layer, which is responsible for a small access to the second cavity.
  • this structuring has the advantage that parts of the intermediate wafer can be isolated from each other in a simple manner, whereby conduction paths form after the second connection step.
  • the AIGe connection which implements the electrical contact between sensor wafer and intermediate wafer, is smaller than the mechanical connection of the sensor wafer to a sensor system comprising the sensor element. This has the advantage of reducing the stresses of mechanical stress emanating from the AIGe connection or the stamp after the intermediate wafers, evaluation wafers and sensor wafers have been stacked on top of each other.
  • the expansion of the micromechanical device can be further reduced by, after the second method step, the thin wafer is thinly ground on the evaluation wafer on the opposite side of the intermediate wafer.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a micromechanical device according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a micromechanical device according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a micromechanical device according to a third embodiment
  • FIGS. 4 to 7 show a method for producing a micromechanical device
  • FIG. 1 shows a first embodiment according to the invention of a micromechanical device 100. It comprises an intermediate wafer 1, an evaluation wafer 11 and a sensor wafer 5, which have a common main extension plane and are arranged one above the other, the intermediate wafer 1 between evaluation wafer 11 and
  • Sensor wafer 5 is arranged.
  • Sensor element 3 to seismic masses which are each part of a sensor system, such a micromechanical device 100 may include a plurality (two in this embodiment) of sensor elements 3.
  • the first sensor element 2 is part of an acceleration sensor and the second sensor element 3 is part of a
  • a first cavity 120 which contains the first sensor element 2 has a different pressure than a second cavity 130, which contains the second sensor element 3.
  • a first atmosphere in the first cavity 120 may also differ from a second atmosphere in the second cavity 130.
  • the first and / or the second cavity 120 and / or 130 comprises one or more stops 16, the z. B. are provided to avoid spring breaks of the seismic mass overload.
  • the intermediate wafer 1 comprises openings or
  • Interrupts 140 which are arranged to be part of the second cavity 130 among other things.
  • mutually insulated connecting pieces 6 can form through the openings or interruptions 140, which connect evaluation wafer 11 and sensor wafer 5.
  • the connectors can also be within the second Cavity be arranged. If the intermediate wafer 1 consists of an electrically conductive material, these connecting pieces 6 form line paths, via which evaluation wafers 11 and sensor wafers 5 are electrically conductively connected, provided that an electrical contact 27 for an electrical connection between the intermediate wafer 1 and the
  • Evaluation wafer 11 and the sensor wafer 5 is provided.
  • the line paths 6 can also electrically conductively connect to one another in the evaluation wafer 11 or sensor wafer 5, wherein one or more line paths 23 in the sensor wafer 5 are electrically connected to the sensor system and one or more line paths 23 in the evaluation wafer 11 are electrically conductive an application-specific integrated circuit which is part of the evaluation wafer 11.
  • micromechanical devices according to a second and third embodiment of the present invention shown in FIG. 2 and FIG. 3 have substantially the same features as the micromechanical device according to the first one
  • FIG. 2 shows a second embodiment according to the invention of a micromechanical device 100.
  • a sensor means 13 is arranged on the intermediate wafer on the side facing the evaluation wafer.
  • the sensor means 13 may be a further sensor system, in particular a sensor means 13, or a passive component.
  • the sensor means 13 is a magnetic field sensor.
  • the micromechanical device 100 has an etching stop layer 18 which is provided on the sensor wafer 5 in order to avoid etching of the sensor wafer 5 in the production process of the micromechanical device 100.
  • this is a layer comprising aluminum.
  • FIG. 3 shows a second embodiment according to the invention of a micromechanical device 100.
  • the electrical connection which is the
  • Micromechanical device 100 for example, electrically conductive with a printed circuit board connects, a solder ball 34, on the side facing away from the intermediate wafer 1 on
  • Evaluation wafer 11 is arranged. To the solder ball 34 electrically conductive with the
  • one or more silicon plated-through holes (TSV) 32 are provided in the evaluation wafer 11, which are connected via a wiring level 33 with the solder ball 34.
  • TSV silicon plated-through holes
  • This embodiment has the advantage that the micromechanical device 100 can be arranged directly in the sense of a bare die construction on the printed circuit board, whereby packaging of the micromechanical device 100 associated with additional costs can be dispensed with.
  • the plated-through holes 32 are preferably filled or partially filled with metal and insulated from the silicon of the evaluation wafer by an insulating layer.
  • FIGS. 4 to 7 show individual production steps for producing a
  • the sensor wafer 5 comprises a first sensor element 2 and a second sensor element 3.
  • the sensor wafer 5 has a line path 23 which is electrically conductively connected to a sensor system, wherein the sensor system comprises the first sensor element 2 or the third sensor element 3. It is provided that the electrical signal from the sensor system via the line 23 is passed to an electrical contact, which is to connect the intermediate wafer 1 with the sensor wafer 5 electrically conductive.
  • the sensor wafer 5 preferably has a first aluminum (Al) layer 17 at the locations provided for the electrical contact.
  • the sensor wafer 5 is preferably provided with a first Al layer 17 at such locations, at which a further possibly purely mechanical connection between intermediate wafer 1 and sensor wafer 5 is planned, for. B. for
  • a first coating pattern is formed on the sensor wafer 5 on the side facing the intermediate wafer 1.
  • the intermediate wafer 1 has a second coating pattern, which is arranged on the side facing the sensor wafer 5 congruent or approximately congruent to the first coating pattern and preferably consists of first germanium (Ge) layers 19.
  • the intermediate wafer 1 it is possible for the intermediate wafer 1 to be structured, wherein the structuring corresponds to the second coating pattern and consists of elevations of the intermediate wafer pointing toward the sensor wafer 5.
  • the intermediate wafer 1 in addition to the second
  • FIG. 5 shows how the intermediate wafer 1 and the evaluation wafer 5 are connected to one another via a first AIGe connection 4 after a first connection step, wherein the connections are to be found at the points where the first one connects
  • Coating pattern with the second coating pattern covers. Does the
  • Increased first type 14 All further structuring on the side facing the sensor wafer side of the intermediate wafer are hereinafter referred to as an increase of the second type and usually form stops 16, which are preferably provided to avoid spring breakage of the seismic mass in case of overload.
  • the first connection step forms a first cavity 120 and a second cavity 130, both of which have a first gas pressure.
  • FIG. 6 shows an evaluation wafer 11 and an intermediate wafer sensor wafer stack 10 before a second connection step.
  • the inter-wafer sensor wafer stack 10 includes the intermediate wafer 1 and the sensor wafer 5 after being patterned (i.e., the inter-wafer sensor wafer stack 10).
  • an anisotropic etching process is provided for structuring, which in the intermediate wafer openings or
  • Interruptions causing the intermediate wafer isolated single points, d. H. Stick / stamp, which are linked via the AIGe connection 4 with the sensor wafer 5.
  • the anisotropic etch process also etches into the sensor wafer, thereby exposing traces that may be present in the sensor wafer
  • Sensor wafer are arranged. According to the invention, moreover, it is provided that one of the z. B. caused by the etching process openings or interruptions forms a small access 7. A second gas pressure in the second cavity will then generally no longer correspond to the first gas pressure in the first cavity, for which no small access is provided.
  • the intermediate wafer 1 can be structured on its side facing the evaluation wafer 11, whereby z. B. depressions 20 arise.
  • a sensor means could be arranged.
  • the intermediate wafer has a third coating pattern on the side facing away from the sensor wafer 5, which preferably consists of a second germanium (Ge) layer 29.
  • a Ge layer 29 is to be found on each of the rods of the intermediate wafer.
  • the third coating pattern coincides or approximately coincides with a fourth coating pattern attached to the evaluation wafer, wherein the coating pattern consists of second aluminum (Al) - Layers exists.
  • the evaluation wafer 11 additionally comprises a bonding pad 30, via which the micromechanical device can preferably make electrical contact with a printed circuit board.
  • FIG. 7 shows a micromechanical device after the second connecting step, wherein the intermediate wafer 1 and the evaluation wafer 11 are connected to one another via a second AIGe connection 9.
  • the gas pressure in the second cavity is usually different from that in the first cavity, because the second cavity during the second
  • Connecting step via the small access could take the gas pressure of the environment.
  • the second cavity occupies a second one
  • Atmosphere (with a second type of gas or a second gas mixture) during the first connecting step, which differs from a first atmosphere (with a first type of gas or a first gas mixture), during the first
  • Connecting step was taken from the first cavity.
  • Embodiment a Ge etch 31 of the intermediate wafer, whereby a cavity is formed over the bonding pad 30.

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Abstract

Es wird ein Mikromechanische Vorrichtung mit einem Sensorwafer, einem Zwischenwafer und einem Auswertungswafer vorgeschlagen, wobei die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Sensorwafer, der Zwischenwafer und der Auswertungswafer so übereinander angeordnet sind, dass der Zwischenwafer zwischen dem Sensorwafer und dem Auswertungswafer angeordnet ist, wobei der Auswertungswafer mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung aufweist, und wobei der Sensorwafer und/oder der Zwischenwafer ein erstes Sensorelement und der Sensorwafer und/oder der Zwischenwafer ein vom ersten Sensorelement räumlich getrenntes zweites Sensorelement umfasst, wobei sich das erste Sensorelement in einer ersten Kavität befindet, die durch den Zwischenwafer und den Sensorwafer gebildet wird, und sich das zweite Sensorelement in einer zweiten Kavität befindet, die durch den Zwischenwafer und den Sensorwafer gebildet wird, wobei ein erster Gasdruck in der ersten Kavität sich unterscheidet von einem zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität, und der Zwischenwafer mindestens an einer Stelle eine Öffnung in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung aufweist.

Description

Beschreibung:
Titel: Integrierter Drehraten- und Beschleunigungssensor und Verfahren zur
Herstellung eines integrierten Drehraten- und Beschleunigungssensor
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, die mindestens zwei
Sensorelemente, einen Auswertungswafer und mindestens zwei Kavitäten mit
unterschiedlichen Gasdrücken umfasst.
Stand der Technik Eine solche mikromechanische Vorrichtung ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE102006016260 AI bekannt und erlaubt es, mehrere unterschiedliche Sensorsysteme mit unterschiedlichen Anforderungen an die sie umgebende Atmosphäre in einer
mikromechanischen Vorrichtung zu vereinen. Dabei sind die unterschiedlichen
Sensorsysteme, üblicherweise ein Beschleunigungssensor und ein Drehratensensor, in unterschiedlichen Kavitäten angeordnet und umfassen ein Sensorelement, vorzugsweise eine seismische Masse. Für derartige mikromechanische Vorrichtungen ist es in der Regel vorgesehen, die unterschiedlichen Sensorsysteme gleichzeitig, d. h. in einem
Verfahrensschritt, auf einem Substrat herzustellen, wodurch in einer einzelnen
mikromechanischen Vorrichtung besonders kleine und kostengünstige Kombinationen von unterschiedlichen Sensorsystemen realisierbar sind. Für die betreffenden
mikromechanischen Vorrichtungen besteht dabei die technische Herausforderung, die Sensorsysteme unter dem für sie jeweils vorgesehenen und zumeist unterschiedlichen Gasdruck zu betreiben. Während nämlich beispielsweise für einen Drehratensensor ein möglichst geringer Gasdruck (ca. 1 mbar) wünschenswert ist, damit die resonant angetriebene seismische Masse des Drehratensensor nur eine geringfügige Dämpfung erfährt, werden Beschleunigungssensoren vorzugsweise bei einem ungefähr 500 mal größeren Gasdruck betrieben. Der Stand der Technik nutzt üblicherweise Getter- Materialien zur Einstellung des gewünschten, von Kavität zu Kavität unterschiedlichen Gasdrucks. Dieses Getter- Material wird beispielsweise in die Kavität eingebracht, für die ein niedriger Druck vorgesehen ist, und ist in einem aktivierten Zustand in der Lage, Gasmoleküle einzufangen, wodurch sich der Gasdruck in der Kavität verringert. Üblicherweise wird das Getter- Material aktiviert, indem die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet. Der Einsatz von zusätzlichen und damit mit Mehrkosten verbundenen Getter- Materialien bei der Produktion der mikromechanischen Vorrichtung erweist sich dabei als Nachteil. Außerdem ist es wünschenswert, die elektrische Verbindung zwischen dem Sensorsystem und der Auswerteschaltung so zu dimensionieren, dass die mikromechanische Vorrichtung nicht weiter vergrößert wird und der elektrische Signalweg zwischen Sensorsystem und Auswerteschaltung möglichst kurz ist. Wird die betreffende elektrische Verbindung zu groß gewählt, ist damit zu rechnen, dass Störeinflüsse von außen auf den Signalpfad wirken können und das Signal-zu- Rausch- Verhältnis verschlechtern. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikromechanische Vorrichtung bzw. ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, wobei die mikromechanische Vorrichtung mindestens zwei Kavitäten mit unterschiedlichen Gasdrücken aufweist. Die vorliegende Erfindung zielt außerdem darauf ab, eine
mikromechanische Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der das Sensorsystem mit der Auswerteschaltung über einen sehr kurzen, elektrisch leitenden Signalpfad verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Sensorwafer, mindestens einem Zwischenwafer und einem Auswertungswafer, wobei die
mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der
Sensorwafer, der Zwischenwafer und der Auswertungswafer so übereinander angeordnet sind, dass der Zwischenwafer zwischen dem Sensorwafer und dem Auswertungswafer angeordnet ist. In der Regel werden mehrere solche mikromechanischen Vorrichtungen in einem gemeinsamen Herstellungsprozess gefertigt, wobei sich Zwischenwafer, Sensorwafer und Auswertungswafer während des Herstellungsprozess über alle zu erzeugenden mikromechanischen Vorrichtungen erstrecken.
Es ist darüber hinaus erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Auswertungswafer ein ASIC- Wafer ist , d. h. der Auswertungswafer weist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung auf, die dazu vorgesehen ist, die von dem Sensorwafer in Form von elektrischen Signalen ausgehenden Informationen zu verarbeiten bzw. weiterzuleiten.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensorwafer und/oder der
Zwischenwafer ein erstes Sensorelement, vorzugsweise eine erste seismische Masse eines Beschleunigungssensors oder eines Drehratensensor, und der Sensorwafer und/oder der Zwischenwafer ein vom ersten Sensorelement räumlich getrenntes zweites Sensorelement, vorzugsweise eine zweite seismische Masse eines Beschleunigungssensors oder eines Drehratensensors, umfasst. Dabei ist es vorgesehen, dass sich das erste Sensorelement in einer ersten Kavität bzw. Kaverne befindet, die durch den Zwischenwafer und den
Sensorwafer gebildet wird, und sich das zweite Sensorelement in einer zweiten Kavität bzw. Kaverne befindet, die durch den Zwischenwafer und den Sensorwafer gebildet wird.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Sensorelement bzw. die erste seismische Masse und die zweite seismische Masse Elektroden umfassen, die zusammen mit einer oder mehreren am Zwischenwafer und/oder Sensorwafer angebrachten weiteren Elektroden zusammenwirken und damit ein Sensorsystem bzw. einen Drehratensensor oder
Beschleunigungssensor bilden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster Gasdruck in der ersten Kavität sich unterscheidet von einem zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität, und der Zwischenwafer mindestens eine Öffnung aufweist. Es ist dabei vorgesehen, dass diese Öffnung dann Bestandteil eines Zwischenraums ist, der sowohl vom Zwischenwafer als auch vom Auswertungswafer als auch vom Sensorwafer begrenzt wird. Eine solche Öffnung kann beispielsweise in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung den Blick vom Auswertungswafer zum Sensorwafer freigeben. In einer alternativen
Ausführungsform kann die Öffnung aber auch den Blick vom Auswertungswafer zum
Sensorwafer freigeben, wenn die Blickrichtung nicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft, sondern um einen Winkel dazu (d. h. Winkel zur senkrecht zur
Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung) geneigt ist, wobei der Winkel weniger als 90° beträgt. Insbesondere ist die vorgesehene Öffnung des Zwischenwafers in der Lage, einzelne Teilbereiche des Zwischenwafers untereinander abzugrenzen. Die
erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung erweist sich gegenüber denen aus dem Stand der Technik dadurch als vorteilhaft, dass die mikromechanische Vorrichtung kein Getter- Material aufweist und daher die durch das Getter- Material entstehenden Zusatzkosten vermieden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zwischenwafer auf der dem Sensorwafer zugewandten Seite Ausbuchtungen im Bereich der ersten und/oder der zweiten Kavität auf, um dem Sensorelement eine gewisse Bewegungsfreiheit zu garantieren bzw. zur Verfügung zu stellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mikromechanische Vorrichtung mehrere Zwischenwafer aufweist. Darüber hinaus ist es für eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Auswertungswafer eine Dicke von 30 - 150 μηι aufweist. Mit einem so dünnen Auswertungswafer ist es möglich, den Sensorwafer so dick auszugestalten, dass in vorteilhafter Weise auftretende mechanische Spannungen (z. B. hervorgerufen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen der mikromechanischen Vorrichtung und einer Leiterplatte, auf der die mikromechanische Vorrichtung angeordnet ist) sich nicht auf das Sensorelement auswirken, weil das Sensorelement im dicken (150 - 1000 μηι) und stabilen Sensorwafer verankert ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass mindestens eine Öffnung des Zwischenwafers zwischen dem Auswertungswafer und der zweiten Kavität angeordnet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zwischenwafer aus einem elektrisch leitenden Material besteht, vorzugsweise ein einkristalliner Siliziumwafer mit hoher Dotierung (Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon) ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Zwischenwafer eine oder mehrere Beschichtungen umfasst. Mit einem solchen leitenden Zwischenwafer für die mikromechanische Vorrichtung ergibt sich voreilhaft, dass die mikromechanische Vorrichtung dank der Öffnungen im Zwischenwafer voneinander unabhängige Signalpfade, d. h. elektrisch leitende Verbindungsstücke, aufweist. Dabei können die Signalpfade auch teilweise durch die zweite Kavität verlaufen. Mit Hilfe der Signalpfade können elektrische Signale vom Sensorwafer zum Auswertungswafer (vorzugsweise zur Auswertung der
Signale vom Sensorsystem) oder vom Auswertungswafer zum Sensorwafer (beispielsweise um die seismische Masse anzutreiben) übertragen werden. Dadurch ergibt sich, dass der Signalpfad zwischen Auswertungswafer und Sensorwafer kurz ist im Vergleich zu denen, die aus dem Stand der Technik für mikromechanische Vorrichtungen bekannt sind. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise ein elektrisch leidender Signalpfad realisiert, der weniger störanfällig ist gegenüber elektromagnetischer Strahlung und Parasitärkapazitäten im Vergleich zu solchen mikromechanischen Vorrichtungen, bei denen die elektrischen Signale über einen längeren Signalpfad gesendet werden. Außerdem tragen die kurzen Signalpfade dazu bei, dass die mikromechanische Vorrichtung möglichst klein dimensioniert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich eine erste Atmosphäre bzw. ein erstes Gas oder ein erstes Gasgemisch in der ersten Kavität von einer zweiten Atmosphäre bzw. einem zweiten Gas oder einem zweiten Gasgemisch unterscheidet. Dadurch ergibt sich für die mikromechanische Vorrichtung der Vorteil, dass die für das erste und/oder zweite Sensorelement vorgesehenen optimalen
Betriebsbedingungen nicht nur über den ersten und /oder den zweiten Gasdruck, sondern auch durch das in der ersten und zweiten Kavität befindliche erste und/oder zweite Gas oder Gasgemisch eingestellt werden kann. Dies könnte sich insbesondere dann als vorteilhaft erweisen, wenn sich herausstellt, dass das für den Betrieb des ersten Sensorelements optimale bzw. vorgesehene Gas oder Gasgemisch in der ersten Kavität für den Betrieb des zweiten Sensorelements in der zweiten Kammer nachteilig ist (weil es z. B. eine ungünstige Viskosität für das zweite Sensorelement in der zweiten Kammer hat).
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Sensorelement Teil bzw. Bestandteil eines Beschleunigungssensors und das zweite Sensorelement Teil bzw. Bestandteil eines Drehratensensors ist. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, einen Sensor, der eine Translationsbewegung analysiert, und einen Sensor, der eine Rotationsbewegung analysiert, in einer einzigen
mikromechanischen Vorrichtung zu vereinen. Genauso ist es auch möglich, dass das erste Sensorelement Teil bzw. Bestandteil eines Drehratensensors und das zweite Sensorelement Teil bzw. Bestandteil eines Beschleunigungssensors ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass auf dem Zwischenwafer, d. h. zwischen Auswertungswafer und Sensorwafer, ein oder mehrere Sensormittel vorgesehen sind. Das Sensormittel kann ein weiteres Sensorelement oder passive Elemente, wie z. B. eine Kapazität, Spule oder Diode, umfassen. Insbesondere sind solche passive Bauelemente dort vorgesehen, die vor Einflüssen wie Feuchtigkeit und/oder elektrischen Feldern zu schützen sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Sensormittel um einen Magnetfeldsensor, der auf dem Zwischenwafer angeordnet ist. Dadurch ergibt sich für die mikromechanische Vorrichtung der Vorteil, noch mehr Bausteine zu umfassen, für die andernfalls eine eigenständige Vorrichtung benötigt würde. Dadurch lässt sich z. B. Platz auf einem
Chipträger bzw. einer Leiterplatte sparen, auf dem die mikromechanische Vorrichtung zusammen mit anderen Bausteinen angeordnet ist. Darüber hinaus erweist es sich als Vorteil, dass das Sensormittel durch die Anordnung zwischen Auswertungswafer und Zwischenwafer vor Feuchtigkeit und elektrischen Feldern geschützt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in der ersten und/oder der zweiten Kavität ein oder mehrere Anschläge vorgesehen. Solche Anschläge, die vorzugsweise an definierten Stellen über dem Sensorelement angeordnet sind, erlauben es in vorteilhafter Weise, die Bewegungsfreiheit des ersten und/oder des zweiten
Sensorelements (insbesondere der ersten und/oder der zweiten seismische Masse) einzuschränken, um beispielsweise Federbrüche des Sensorelements bei Überlast zu vermeiden. In einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Sensorelement eine Antiklebeschicht, insbesondere eine organische Antiklebeschicht aufweist. Eine solche Schicht verhindert in vorteilhafter Weise das
Aneinanderkleben des Sensorelements bei Überlast. Darüber hinaus ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, dass die erste und oder zweite Kavität sowohl einen Anschlag als auch eine Antiklebeschicht aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Sensorwafer und/oder Auswertungswafer Leiterbahnen umfasst, wobei der Sensorwafer eine oder mehrere erste Leiterbahnen aufweist und der Auswertungswafer eine oder mehrere zweite Leiterbahnen aufweist. Zusammen mit den Signalpfaden, die der Zwischenwafer zur Verfügung stellt, ist die mikromechanische Vorrichtung in vorteilhafter Weise in der Lage, elektrische Signale direkt von dem Sensorsystem des Sensorwafer zur integrierten
Schaltung des Auswertungswafers oder andersherum zu schicken, wobei der Zwischenwafer dafür sorgt, dass mindestens eine erste Leiterbahn des Sensorwafer mit mindestens einer zweiten Leiterbahn des Auswertungswafers elektrisch leitend verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es
vorgesehen, dass auf dem Auswertungswafer ein elektrischer Anschluss auf der zum
Zwischenwafer zeigenden oder der vom Zwischenwafer wegzeigenden Seite des
Auswertungswafers angeordnet ist. Ein solcher elektrischer Anschluss ist dazu vorgesehen, die mikromechanische Vorrichtung an die Leiterplatte bzw. den Chipträger anzuschließen. Liegt der Anschluss insbesondere auf der vom Zwischenwafer wegzeigenden Seite, ist es möglich, die mikromechanische Vorrichtung bevorzugt in einem Bare-Die-Aufbau zu verwenden. Beim Bare-Die-Aufbau kann die mikromechanische Vorrichtung direkt auf der Leiterplatte aufgelötet werden, wodurch auf eine weitere und damit Mehrkosten verbundene Verpackung (wie z. B. eine Moldverpackung) der mikromechanischen Vorrichtung in vorteilhafter Weise verzichtet werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Sensorwafer, einem Zwischenwafer und einem Auswertungswafer, wobei die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Sensorwafer, der Zwischenwafer und der Auswertungswafer so übereinander angeordnet sind, dass der Zwischenwafer zwischen dem Sensorwafer und dem Auswertungswafer angeordnet ist, wobei der Auswertungswafer mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung aufweist, und wobei der Sensorwafer und/oder der Zwischenwafer ein erstes Sensorelement und der Sensorwafer und/oder der
Zwischenwafer ein vom ersten Sensorelement räumlich getrenntes zweites Sensorelement umfasst, wobei sich das erste Sensorelement in einer ersten Kavität befindet, die durch den Zwischenwafer und den Sensorwafer gebildet wird, und sich das zweite Sensorelement in einer zweiten Kavität befindet, die durch den Zwischenwafer und den Sensorwafer gebildet wird, wobei ein erster Gasdruck in der ersten Kavität sich unterscheidet von einem zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität, und der Zwischenwafer in einer senkrecht zur
Haupterstreckungsebene liegenden Richtung mindestens eine Öffnung aufweist, wobei der Sensorwafer und der Zwischenwafer durch einen ersten Verbindungsschritt miteinander verbunden werden und der Zwischenwafer und der Auswertungswafer durch einen zweiten Verbindungsschritt miteinander verbunden werden, wobei während des ersten
Verbindungsschritts der erste Gasdruck eines ersten Gases oder ersten Gasgemischs in der ersten Kavität und während des zweiten Verbindungsschritts der zweite Gasdruck eines zweiten Gases oder zweiten Gasgemischs in der zweiten Kavität eingestellt wird, wobei der erste Verbindungsschritt zeitlich vor dem zweiten Verbindungsschritt erfolgt. Das
erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil gegenüber denen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, dass es auf Getter- Materialien verzichtet, um einen zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität zu realisieren, der sich vom ersten Gasdruck in der ersten Kavität unterscheidet. Dabei wird der erste Verbindungsschritt in einer ersten Atmosphäre, die den ersten Gasdruck und das erste Gas bzw. Gasgemisch umfasst, und der zweite
Verbindungsschritt in einer zweiten Atmosphäre realisiert, die den zweiten Gasdruck und das zweite Gas bzw. Gasgemisch umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das erste Gas bzw. Gasgemisch dem zweiten Gas bzw. Gasgemisch. Neben den eingesparten Kosten (durch den Verzicht auf Getter- Materialien) erweist es sich als weiterer Vorteil des erfindungsmäßen Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanische Vorrichtung, dass es nicht nötig ist, die mikromechanische Vorrichtung zu erhitzen, um das Getter- Material zu aktivieren, wodurch die Gefahr einer temperaturbedingten irreversiblen Schädigung eines der Bestandteile der mikromechanischen Vorrichtung wegfällt.
In einer alternativen Ausführungsform wird für den ersten Verbindungsschritt und/oder den zweiten Verbindungsschritt eine Verbindung verwendet, die einen elektrischen Kontakt zwischen Zwischenwafer und Auswertungswafer bzw. Sensorwafer realisiert. Mit Hilfe der Kontakte und einem elektrisch leitenden Signalpfad, den der Zwischenwafer aufweist, können elektrische Signale vom Sensorwafer über den elektrischen Kontakt zum
Auswertungswafer (vorzugsweise zur Auswertung der Signale vom Sensorsystem) oder vom Auswertungswafer über den elektrischen Kontakt zum Sensorwafer (beispielsweise um die seismische Masse anzutreiben) übertragen werden. Dadurch ergibt sich, dass der
Signalpfad zwischen Auswertungswafer und Sensorwafer kurz ist im Vergleich zu denen, die aus dem Stand der Technik für mikromechanische Vorrichtungen bekannt sind. Dadurch wird ein elektrisch leidender Signalpfad realisiert, der in besonders vorteilhafter Weise weniger störanfällig ist gegenüber elektromagnetischer Strahlung und Parasitärkapazitäten im Vergleich zu solchen mikromechanischen Vorrichtungen, bei denen die elektrischen Signale über einen längeren Signalpfad gesendet werden. Außerdem tragen die kurzen Signalpfade dazu bei, dass die mikromechanische Vorrichtung nicht vergrößert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem elektrischen Kontakt zwischen Zwischenwafer und Auswertungswafer bzw. Sensorwafer um eine eutektische AIGe-Verbindung. Für eine solche eutektische AIGe-Verbindung ist es vorgesehen, dass eine Aluminium (Al)-Schicht bzw. eine Schicht, die im Wesentlichen Aluminium umfasst, auf dem Sensorwafer und/oder dem Auswertungswafer auf den dem Zwischenwafer zugewandten Seiten angeordnet ist, wobei diese auf dem Sensorwafer bzw. Auswertungswafer aufgetragene Schicht den Vorteil mit sich bringt, kompatibel mit bekannten Opferschichtätzverfahren (HF-Gasphasenätzen) bzw. Verfahren zur Abscheidung von Antiklebeschichten zu sein. Darüber hinaus kann die Aluminiumschicht die Aufgabe einer Ätzstoppschicht erfüllen. Auf dem Zwischenwafer wird für die eutektische AIGe- Verbindung eine Germanium (Ge)-Schicht angeordnet, wobei die Ge-Schicht bei höheren Temperaturen auf dem Zwischenwafer abgeschieden, getempert, gereinigt und konditioniert wird, um die Verbindungseigenschaften zu verbessern, ohne die empfindlichen
Sensorelemente zu beeinflussen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ge- oder die AI-Schicht auf einer Silizium (Si)-Unterlage bzw. Schicht aufgetragen, wodurch Silizium während des ersten und/oder zweiten Verbindungschritt in die eutektische AIGe-Verbindung diffundieren kann und die Schmelztemperatur erhöht. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein sich selbst stabilisierendes System, das auch noch bei Temperaturen oberhalb der eutektischen Temperatur von AIGe stabil ist. Vorzugsweise wird die Si-Schicht unter der Ge-Schicht beim zweiten Verbindungschritt dünner gewählt, um die Schmelztemperatur für den zweiten Verbindungschritt niedriger zu halten als die für den ersten Verbindungschritt, wodurch in vorteilhafter Weise vermieden wird, dass die AIGe-Verbindung des ersten Verbindungschritts während des zweiten Verbindungschritts wieder aufgeschmolzen wird und damit eine Schwächung oder eine Verschiebung der AIGe-Verbindung des ersten Verbindungsschritts verursacht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zwischenwafer eine Vorstrukturierung auf, d. h. der Zwischenwafer weist bereits vor dem ersten
Verbindungsschritt Aussparungen bzw. Anschläge auf, die sowohl auf der zum
Auswertungswafer zeigenden Seite als auch auf der zum Sensorwafer zeigenden Seite angeordnet sind und nach dem ersten Verbindungschritt Teil der ersten Kavität und/oder der zweiten Kavität sind. Auf der einen Seite dienen Anschläge in der ersten und/oder der zweiten Kavität z. B. zur Vermeidung von Federbrüchen der seismischen Masse. Auf der anderen Seite sorgen Ausbuchtungen bzw. Aussparungen im Bereich der ersten und/oder der zweiten Kavität dafür, dass dem Sensorelement eine gewisse Bewegungsfreiheit garantiert bzw. zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass der Innendruck in der ersten und/oder in der zweiten Kavität mit Hilfe der Aussparungen bzw. Ausbuchtungen zuverlässig eingestellt werden kann, auch wenn Ausgasungen während des ersten Verbindungsschritts und/oder des zweiten Verbindungsschritts auftreten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Zwischenwafer nach dem ersten Verbindungsschritt und vor dem zweiten Verbindungsschritt strukturiert. Diese Strukturierung realisiert vorzugsweise mit einfachen Mitteln die Öffnung in der Zwischenschicht, die verantwortlich ist für einen kleinen Zugang zur zweiten Kavität. Darüber hinaus hat diese Strukturierung den Vorteil, dass auf einfache Weise Teile des Zwischenwafers voneinander isoliert werden können, wodurch sich nach dem zweiten Verbindungsschritt Leitungspfade bilden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der
Zwischenwafer mit Hilfe eines Ätzverfahrens strukturiert, vorzugsweise mit einem
anisotropen Ätzschritt bzw. einem Trench-Schritt. Dabei werden im Zwischenwafer Gräben um die elektrischen Kontakte geätzt, um einen Belüftungszugang zur zweiten Kavität zu realisieren und die elektrischen Kontakte vom Zwischenwafer zu isolieren, wodurch freistehende Stempel (bzw. Stäbchen) im Zwischenwafer entstehen, die mechanisch an den Sensorwafer gekoppelt sind. Wurde auf dem Sensorwafer eine AI-Schicht angeordnet, kann diese in vorteilhafter Weise als Ätzstoppschicht wirken und teilweise die Ätzung in den Sensorwafer vermeiden. Vorzugsweise ist die AIGe- Verbindung, die den elektrischen Kontakt zwischen Sensorwafer und Zwischenwafer realisiert, kleiner als die mechanische Verbindung des Sensorwafers mit einem Sensorsystem, das das Sensorelement umfasst. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass mechanische Spannungseinflüsse verringert werden, die von der AIGe-Verbindung oder vom Stempel ausgehen, nachdem Zwischenwafer, Auswertungswafer und Sensorwafer übereinander geschichtet wurden. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen Auswertungswafer und
Zwischenwafer Leiterbahnen, die mit Hilfe des Ätzverfahrens freigelegt werden und über die die elektrischen Signale zur Sensorstruktur geleitet werden können. Dies kann in vorteilhafter Weise zur Reduktion der auftretenden mechanischen Spannungen in der
mikromechanischen Vorrichtung beitragen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der
Zwischenwafer auf der dem Sensorwafer gegenüberliegenden Seite nach dem ersten Verbindungsschritt geschliffen, um ihn dünner zu machen. Mit einem dünnen Zwischenwafer werden in vorteilhafter Weise nicht nur der Signalpfad verkürzt, sondern es wird auch die Ausdehnung der mikromechanischen Vorrichtung in einer senkrecht zur
Haupterstreckungsebene liegenden Richtung im Vergleich zu dem Fall reduziert, in dem der Zwischenwafer nicht dünn geschliffen wird. Die Ausdehnung der mikromechanischen Vorrichtung kann weiter reduziert werden, indem nach dem zweiten Verfahrensschritt der Auswertungswafer auf der dem Zwischenwafer gegenüberliegenden Seite dünn geschliffen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, Figur 3 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform, und die Figuren 4 bis 7 ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Vorrichtung.
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.
Die Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer mikromechanischen Vorrichtung 100. Sie umfasst einen Zwischenwafer 1, einen Auswertungswafer 11 und einen Sensorwafer 5, die eine gemeinsame Haupterstreckungsebene aufweisen und übereinander angeordnet sind, wobei der Zwischenwafer 1 zwischen Auswertungswafer 11 und
Sensorwafer 5 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform sind ein erstes
Sensorelement 2 und ein zweites Sensorelement 3 Bestandteil des Sensorwafers 5.
Vorzugsweise handelt es sich beim ersten Sensorelement 2 und beim zweiten
Sensorelement 3 um seismische Massen, die jeweils Teil eines Sensorsystems sind, wobei eine solche mikromechanische Vorrichtung 100 eine Mehrzahl (in dieser Ausführungsform zwei) von Sensorelementen 3 umfassen kann. Insbesondere ist das erste Sensorelement 2 Teil eines Beschleunigungssensors und das zweite Sensorelement 3 ist Teil eines
Drehratensensors. Eine erste Kavität 120, die das erste Sensorelement 2 beinhaltet, weist erfindungsgemäß einen anderen Druck auf als eine zweite Kavität 130, die das zweite Sensorelement 3 beinhaltet. Alternativ kann sich auch eine erste Atmosphäre in der ersten Kavität 120 von einer zweiten Atmosphäre in der zweiten Kavität 130 unterscheiden.
Vorzugsweise umfasst die erste und/oder die zweite Kavität 120 und/oder 130 eine oder mehrere Anschläge 16, die z. B. zur Vermeidung von Federbrüchen der seismischen Masse bei Überlast vorgesehen sind. In der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform der mikromechanischen Vorrichtung 100 umfasst der Zwischenwafer 1 Öffnungen bzw.
Unterbrechungen 140, die so angeordnet sind, dass sie unter anderem Bestandteil der zweiten Kavität 130 sind. Zusätzlich können sich durch die Öffnungen bzw. Unterbrechungen 140 voneinander isolierte Verbindungsstücke 6 bilden, die Auswertungswafer 11 und Sensorwafer 5 verbinden. Dabei können die Verbindungsstücke auch innerhalb der zweiten Kavität angeordnet sein. Besteht der Zwischenwafer 1 aus einem elektrisch leitenden Material, bilden diese Verbindungsstücke 6 Leitungspfade, über die Auswertungswafer 11 und Sensorwafer 5 elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sofern ein elektrischer Kontakt 27 für eine elektrische Verbindung zwischen dem Zwischenwafer 1 und dem
Auswertungswafer 11 bzw. dem Sensorwafer 5 vorgesehen ist. Insbesondere können die Leitungspfade 6 auch in dem Auswertungswafer 11 bzw. Sensorwafer 5 vorgesehene Leitungsbahnen 23 elektrisch leitend miteinander verbinden, wobei eine oder mehrere Leitungsbahnen 23 im Sensorwafer 5 mit dem Sensorsystem elektrisch leitend verbunden sind und eine oder mehrere Leitungsbahnen 23 im Auswertungswafer 11 elektrisch leitend mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung verbunden sind, die Bestandteil des Auswertungswafers 11 ist.
Mit Hilfe der elektrisch leitenden Leitungspfade 6 und Leitungsbahnen 23 können elektrische Signale vom Sensorsystem zur anwendungsspezifischen integrierten Schaltung übermittelt werden. Um die mikromechanische Vorrichtung 100 mit einer Leiterplatte bzw. einem Träger für mikromechanische Vorrichtungen elektrisch leitend zu verbinden, ist auf dem
Auswertungswafer ein Bondpad 30 vorgesehen.
Die in Figur 2 und Figur 3 dargestellten mikromechanischen Vorrichtungen gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie die mikromechanische Vorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform. Deshalb wird die Beschreibung der Teile vermieden oder vereinfacht dargestellt, die bereits in Figur 1 beschrieben wurden.
Die Figur 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer mikromechanischen Vorrichtung 100. Sie verfügt im Vergleich zur ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung über das Merkmal das auf dem Zwischenwafer ein Sensormittel 13 auf der dem Auswertungswafer zugewandten Seite angeordnet ist. Das Sensormittel 13 kann ein weiteres Sensorsystem, insbesondere ein Sensormittel 13, oder ein passives Bauelement sein. Vorzugsweise handelt es sich beim Sensormittel 13 um einen Magnetfeldsensor.
Unabhängig von diesem Sensormittel 13 weist die mikromechanische Vorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Ätzstoppschicht 18 auf, die auf dem Sensorwafer 5 vorgesehen ist, um beim Herstellungsprozess der mikromechanischen Vorrichtung 100 eine Ätzung des Sensorwafers 5 zu vermeiden. In der Regel handelt es sich hierbei um eine Aluminium umfassende Schicht.
Die Figur 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer mikromechanischen Vorrichtung 100. In dieser Ausführungsform ist der elektrische Anschluss, der die
mikromechanische Vorrichtung 100 beispielsweise mit einer Leiterplatte elektrisch leitend verbindet, ein Lötball 34, der auf der dem Zwischenwafer 1 abgewandten Seite am
Auswertungswafer 11 angeordnet ist. Um den Lötball 34 elektrisch leitend mit den
Leitungsbahnen 23 bzw. den auswertungsorientierten Schaltungen zu verbinden, sind im Auswertungswafer 11 eine oder mehrere Silizium-Durchkontaktierungen (TSV) 32 vorgesehen, die über eine Verdrahtungsebene 33 mit dem Lötball 34 verbunden sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die mikromechanische Vorrichtung 100 direkt im Sinne eines Bare- Die- Auf baus auf der Leiterplatte angeordnet werden kann, wobei auf mit Mehrkosten verbundene Verpackung der mikromechanische Vorrichtung 100 verzichtet werden kann. Die Durchkontaktierungen 32 sind vorzugsweise metallisch verfüllt oder teilverfüllt und durch eine Isolationsschicht vom Silizium des Auswertewafers isoliert.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen einzelne Herstellungsschritte zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung 100. Figur 4 zeigt einen Sensorwafer 5 und einen Zwischenwafer 1 bevor sie in einem ersten Verbindungsschritt miteinander verbunden werden. Dabei umfasst der Sensorwafer 5 ein erstes Sensorelement 2 und ein zweites Sensorelement 3. Darüber hinaus verfügt der Sensorwafer 5 über eine Leitungsbahn 23, die elektrisch leitend mit einem Sensorsystem verbunden ist, wobei das Sensorsystem das erstes Sensorelement 2 oder das dritte Sensorelement 3 umfasst. Es ist vorgesehen, dass das elektrische Signal vom Sensorsystem über die Leitungsbahn 23 zu einem elektrischen Kontakt geleitet wird, der den Zwischenwafer 1 mit dem Sensorwafer 5 elektrisch leitend verbinden soll. Zu diesem Zweck verfügt der Sensorwafer 5 an den für den elektrischen Kontakt vorgesehenen Stellen vorzugsweise über eine erste Aluminium (Al)- Schicht 17. Zusätzlich wird der Sensorwafer 5 an solchen Stellen vorzugsweise mit einer ersten AI-Schicht 17 ausgestattet, an denen eine weitere, möglicherweise rein mechanische Verbindung zwischen Zwischenwafer 1 und Sensorwafer 5 geplant ist, z. B. zum
hermetischen Verschluss des Zwischenwafers mit dem Sensorwafer. Damit bildet sich auf dem Sensorwafer 5 ein erstes Beschichtungsmuster auf der zum Zwischenwafer 1 zeigenden Seite aus. Der Zwischenwafer 1 weist ein zweites Beschichtungsmuster auf, das auf der zum Sensorwafer 5 zeigenden Seite deckungsgleich oder annähernd deckungsgleich zum ersten Beschichtungsmuster angeordnet ist und vorzugsweise aus ersten Germanium (Ge)-Schichten 19 besteht. Insbesondere ist es möglich, dass der Zwischenwafer 1 strukturiert ist, wobei die Strukturierung dem zweiten Beschichtungsmuster entspricht und aus zum Sensorwafer 5 zeigenden Erhöhungen des Zwischenwafers besteht. In der dargestellten Ausführungsform weist der Zwischenwafer 1 zusätzlich zum zweiten
Beschichtungsmuster weitere Erhöhungen auf. In den folgenden Figuren 5 bis 7 werden die jeweils in der vorangegangenen Figur beschriebenen Merkmale bzw. Bauteile um weitere Bauteile bzw. weitere Merkmale ergänzt. Deshalb werden bei den Figuren 5 bis 7
diejenigen Merkmale bzw. Bauteile der mikromechanischen Vorrichtung nicht nochmal detailliert beschrieben, die bereits aus der vorhergegangenen Figur bekannt sind. Figur 5 zeigt, wie der Zwischenwafer 1 und der Auswertungswafer 5 über eine erste AIGe- Verbindung 4 nach einem ersten Verbindungschritt miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungen an den Stellen vorzufinden sind, an denen sich das erste
Beschichtungsmuster mit dem zweiten Beschichtungsmuster deckt. Weist der
Zwischenwafer an diesen Stellen eine Strukturierung auf, wird sie im Folgenden als
Erhöhung erster Art 14 bezeichnet. Alle weiteren Strukturierungen auf der zum Sensorwafer zeigenden Seite des Zwischenwafers werden im Folgenden als Erhöhung zweiter Art bezeichnet und bilden in der Regel Anschläge 16, die vorzugsweise dafür vorgesehen sind, einen Federbruch der seismischen Masse bei einer Überlast zu vermeiden. Durch den ersten Verbindungsschritt bilden sich eine erste Kavität 120 und eine zweite Kavität 130, die beide einen ersten Gasdruck besitzen.
Figur 6 zeigt einen Auswertungswafer 11 und einen Zwischenwafer-Sensorwafer- Stack 10 vor einem zweiten Verbindungsschritt. Der Zwischenwafer-Sensorwafer- Stack 10 umfasst den Zwischenwafer 1 und den Sensorwafer 5, nachdem er (d. h. der Zwischenwafer- Sensorwafer- Stack 10) strukturiert wurde. In der Regel ist für die Strukturierung ein anisotropes Ätzverfahren vorgesehen, das im Zwischenwafer Öffnungen bzw.
Unterbrechungen hervorruft, wodurch der Zwischenwafer einzelne isolierte Stellen, d. h. Stäbchen/Stempel, aufweist, die über die AIGe-Verbindung 4 mit dem Sensorwafer 5 verknüpft sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ätzt das anisotrope Ätzverfahren auch in den Sensorwafer, wodurch Leiterbahnen freigelegt werden, die möglicherweise im
Sensorwafer angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus vorgesehen, dass eine der z. B. durch das Ätzverfahren verursachten Öffnungen bzw. Unterbrechungen einen kleinen Zugang 7 bildet. Ein zweiter Gasdruck in der zweiten Kavität wird dann in der Regel nicht mehr mit dem ersten Gasdruck in der ersten Kavität übereinstimmen, für die kein kleiner Zugang vorgesehen ist.
Bevor der zweite Verbindungsschritt vollzogen wird, kann der Zwischenwafer 1 auf seiner zum Auswertungswafer 11 zeigenden Seite strukturiert werden, wodurch z. B. Vertiefungen 20 entstehen. In diesen Vertiefungen könnte beispielsweise ein Sensormittel angeordnet werden.
Um den zweiten Verbindungschritt zu vollziehen, weist der Zwischenwafer auf der vom Sensorwafer 5 wegzeigenden Seite ein drittes Beschichtungsmuster auf, das vorzugsweise aus einer zweiten Germanium (Ge)-Schicht 29 besteht. Dabei ist auf jedem der Stäbchen des Zwischenwafer eine Ge-Schicht 29 vorzufinden. Das dritte Beschichtungsmuster deckt sich oder deckt sich annähernd mit einem auf dem Auswertungswafer angebrachten vierten Beschichtungsmuster, wobei das Beschichtungsmuster aus zweiten Aluminium (AI)- Schichten besteht. Der Auswertungswafer 11 umfasst zusätzlich ein Bondpad 30, über das die mikromechanische Vorrichtung vorzugsweise den elektrischen Kontakt mit einer Leiterplatte herstellen kann.
Figur 7 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung nach dem zweiten Verbindungsschritt, wobei der Zwischenwafer 1 und der Auswertungswafer 11 über eine zweite AIGe-Verbindung 9 miteinander verbunden sind. Der Gasdruck in der zweiten Kavität unterscheidet sich in der Regel von dem in der ersten Kavität, weil die zweite Kavität während des zweiten
Verbindungsschritts über den kleinen Zugang den Gasdruck der Umgebung annehmen konnte. In einer alternativen Ausführungsform nimmt die zweite Kavität eine zweite
Atmosphäre (mit einer zweiten Gassorte bzw. einem zweiten Gasgemisch) während des ersten Verbindungsschritts auf, die sich unterscheidet von einer ersten Atmosphäre (mit einer ersten Gassorte bzw. einem ersten Gasgemisch), die während des ersten
Verbindungsschritts von der ersten Kavität aufgenommen wurde.
Zusätzlich weist die mikromechanische Vorrichtung 100 in der dargestellten
Ausführungsform eine Ge-Ätzung 31 des Zwischenwafer auf, wodurch sich ein Hohlraum über dem Bondpad 30 ausbildet. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die Bondpads 30 ohne Beschädigung während eines Sägeprozesses freizustellen.

Claims

Patentansprüche
1) Mikromechanische Vorrichtung (100) mit einem Sensorwafer (5), einem
Zwischenwafer (1) und einem Auswertungswafer (11), wobei die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Sensorwafer (5), der Zwischenwafer (1) und der Auswertungswafer (11) so übereinander angeordnet sind, dass der Zwischenwafer (1) zwischen dem Sensorwafer (5) und dem
Auswertungswafer (11) angeordnet ist, wobei der Auswertungswafer (11) mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung aufweist, und wobei der
Sensorwafer (5) und/oder der Zwischenwafer (1) ein erstes Sensorelement (2) und der Sensorwafer (5) und/oder der Zwischenwafer (1) ein vom ersten Sensorelement (2) räumlich getrenntes zweites Sensorelement (3) umfasst, wobei sich das erste Sensorelement (2) in einer ersten Kavität (120) befindet, die durch den
Zwischenwafer (1) und den Sensorwafer (5) gebildet wird, und sich das zweite Sensorelement (2) in einer zweiten Kavität (130) befindet, die durch den
Zwischenwafer (1) und den Sensorwafer (5) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Gasdruck in der ersten Kavität (120) sich unterscheidet von einem zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität (130), und der Zwischenwafer (1)
mindestens an einer Stelle eine Öffnung (140) in einer senkrecht zur
Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung aufweist.
2) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (140) zwischen der zweiten Kavität (130) und dem Auswertungswafer (11) angeordnet ist.
3) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zwischenwafer (1) elektrisch leitend ist, und der Sensorwafer (5) und der Auswertungswafer (11) über den Zwischenwafer (1) miteinander leitend verbunden sind.
4) Mikromechanisches Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erstes Gas oder ein erstes Gasgemisch in der ersten Kavität (120) von einem zweiten Gas oder einem zweiten Gasgemisch in der zweiten Kavität (130) unterscheidet. 5) Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
-- das erste Sensorelement (2) ein Teil eines Beschleunigungssensors und das zweite Sensorelement (3) Teil eines Drehratensensors ist
oder
-- das erste Sensorelement (2) ein Teil eines Drehratensensors und das zweite Sensorelement (3) Teil eines Beschleunigungssensors ist .
6) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Zwischenwafer (1) ein Sensormittel (13) vorgesehen ist, wobei das Sensormittel (13) ein Sensorelement und/oder ein passives Bauelement umfasst.
7) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kavität (120) und/oder die zweite Kavität (130) einen oder mehrere Anschläge (16) und/oder eine Antiklebeschicht umfasst.
8) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwafer (5) eine oder mehrere erste
Leiterbahnen und der Auswertungswafer (11) eine oder mehrere zweite Leiterbahnen (23) umfasst, wobei mindestens eine erste Leiterbahn des Sensorwafers (5) mit mindestens einer zweiten Leiterbahn des Auswertungswafers (11) über den
Zwischenwafer (1) miteinander leitend verbunden sind.
9) Mikromechanische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Auswertungswafer (11) ein elektrischer Anschluss (30,34) auf der zum Zwischenwafer zeigenden oder der vom
Zwischenwafer (1) wegzeigenden Seite des Auswertungswafers (11) angeordnet ist.
10) Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung (100) mit einem Sensorwafer (5), einem Zwischenwafer (1) und einem Auswertungswafer (11), wobei die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Sensorwafer (5), der Zwischenwafer (1) und der Auswertungswafer (11) so übereinander angeordnet sind, dass der Zwischenwafer (1) zwischen dem
Sensorwafer (5) und dem Auswertungswafer (11) angeordnet ist, wobei der
Auswertungswafer (11) mindestens eine anwendungsspezifische integrierte
Schaltung aufweist, und wobei der Sensorwafer (5) und/oder der Zwischenwafer (1) ein erstes Sensorelement (2) und der Sensorwafer (5) und/oder der Zwischenwafer (1) ein vom ersten Sensorelement (2) räumlich getrenntes zweites Sensorelement (3) umfasst, wobei sich das erste Sensorelement (2) in einer ersten Kavität (120) befindet, die durch den Zwischenwafer (1) und den Sensorwafer (5) gebildet wird, und sich das zweite Sensorelement (3) in einer zweiten Kavität (130) befindet, die durch den Zwischenwafer (1) und den Sensorwafer (5) gebildet wird, wobei ein erster Gasdruck in der ersten Kavität (120) sich unterscheidet von einem zweiten Gasdruck in der zweiten Kavität (130), und der Zwischenwafer (1) in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene liegenden Richtung mindestens eine Öffnung (140) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwafer (5) und der Zwischenwafer (1) durch einen ersten Verbindungsschritt miteinander verbunden werden und der Zwischenwafer (1) und der Auswertungswafer (5) durch einen zweiten
Verbindungsschritt miteinander verbunden werden, wobei während des ersten Verbindungsschritts der erste Gasdruck eines ersten Gases oder ersten
Gasgemischs in der ersten Kavität (120) und während des zweiten
Verbindungsschritts der zweite Gasdruck eines zweiten Gases oder zweiten
Gasgemischs in der zweiten Kavität (130) eingestellt wird, wobei der erste
Verbindungsschritt zeitlich vor dem zweiten Verbindungsschritt erfolgt.
1 1) Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung (100) gemäß dem Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungsschritt einen elektrischen Kontakt (27) zwischen Sensorwafer und Zwischenwafer ermöglicht und/oder der zweite Verbindungsschritt einen elektrischen Kontakt (27) zwischen dem Zwischenwafer (1) und dem Auswertungswafer (5) ermöglicht, wobei der Zwischenwafer (1) elektrisch leitend ist.
12) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des elektrischen Kontakts zwischen dem Zwischenwafer (1) und dem
Auswertungswafer (11) und/oder dem Zwischenwafer (1) und dem Sensorwafer (5) eine eutektische AIGe-Verbindung verwendet wird.
13) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-12 dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten und/oder dem zweiten Verbindungsschritt der Zwischenwafer (1) Aussparungen (15) und/oder Anschläge (16) auf der zum Sensorwafer (5) zeigenden Seite und/oder zum Auswertungsschaltungswafer (11) zeigenden Seite aufweist. 14) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwafer (5) zwischen dem ersten Verbindungsschritt und dem zweiten Verbindungsschritt strukturiert wird.
15) Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass zur Strukturierung des Zwischenwafers (1) ein Ätzverfahren vorgesehen ist und/oder das Ätzverfahren in dem Sensorwafer (5) angeordnete Leitbahnen (23) freilegt.
16) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Verbindungsschritt der Zwischenwafer (1) geschliffen und nach dem zweiten Verbindungsschritt die mikromechanische Vorrichtung (100) geschliffen wird.
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