CN102009942A - 微系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微系统，该微系统具有与周围环境隔开的第一腔和与周围环境隔开的第二腔。该第一腔通过第一接合连接限界并且第二腔通过第二接合连接限界。在此，第一接合连接或者第二接合连接是共晶接合连接或者扩散钎焊连接。

Description

微系统
技术领域
本发明涉及一种微系统以及一种用于制造微系统的方法。
背景技术
由现有技术已知微机械的传感器结构。用于检测绕着一个或者多个轴的转速的微机械转速传感器例如在车辆领域中和在娱乐电子装置中被用于导航、图像稳定和运动检测。这样的转速传感器具有被包围在腔中的运动的微机械元件。为了实现小的缓冲以及因此高的机械品质，该微机械元件典型地在非常小的气体压力、例如在1至5毫巴下被包围。微机械的加速度传感器用于检测在一个或者多个空间方向上作用的加速度并且例如用于电子稳定程序，用于气囊激活或者位置检测。这样的加速度传感器同样具有被包围在腔中的运动的微机械元件。为了实现临界缓冲以及由此实现运动元件的快速振动，该微机械元件典型地被包围在具有相对高的气体压力、例如800毫巴的腔中。同样已知，多个转速传感器和加速度传感器被组合在一个惯性导航系统中，该导航系统通过单个信号的时间积分使得能够跟踪位置和方向。
通过晶片级封装、例如通过密封玻璃接合或者共晶接合将微机械元件包围在腔中。在此，在接合时使用的压力被包围在腔的内部空间中。如果在一个芯片上实现多个传感器，那么所有的内封腔具有相同的内压力。在使用密封玻璃接合时，该接合压力附加地由于来自密封玻璃的溶剂的放气而提高。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种具有第一腔和第二腔的微系统，这些腔通过不同的接合连接封闭。该任务通过根据本发明的微系统解决。本发明的另一任务是给出一种用于制造这样的微系统的方法。该任务通过根据本发明的方法解决。优选的扩展构造在下面说明。
根据本发明的微系统具有与周围环境隔开的第一腔和与周围环境隔开的第二腔。在此，该第一腔通过第一接合连接限界并且该第二腔通过第二接合连接限界，其中，第一接合连接或者第二接合连接是共晶接合连接或者扩散钎焊连接。有利的是，可以在该微系统的这些腔中实现不同的内压力。这允许在芯片上集成不同的微机械传感器。由此使得能够实现更高度集成的微机械的传感器系统，这些传感器系统是位置节省的并且是成本有利的。
优选在第一腔中存在第一压力并且在第二腔中存在第二压力，其中，第一压力和第二压力具有不同的数值。优选的是，在这些腔中允许设置不同的传感器，其中在每个腔中确保对各自传感器的运行最优的内压力。
在一种实施方式中，第一接合连接具有铝和金并且第二接合连接具有铝和硅。优选第一接合连接然后可以通过在低温度下的热压接合被封闭，而第二接合连接可以通过在较高温度下的共熔接合被封闭。在可选的实施方式中该第一接合连接具有铜并且第二接合连接具有铜和锡。有利的是，这两个接合连接也可以在不同的温度和压力下被封闭。
优选在第一腔中安置第一传感器结构并且在第二腔中安置第二传感器结构。由此优选使得实现具有多个功能的高度集成的传感器构件。
在根据本发明的用于制造微系统的方法中，衬底与罩晶片通过接合相互连接。在此在第一方法步骤中，在第一温度和第一周围环境压力下该衬底和罩晶片在第一区域中通过第一接合方法相互连接，并且在另一方法步骤中，在第二温度和第二周围环境压力下该衬底和罩晶片在第二区域中通过第二接合方法相互连接，其中，第一接合方法或者第二接合方法是共晶接合方法或者扩散钎焊。该方法有利地允许不同地选择第一周围环境压力和第二周围环境压力。
在该方法的扩展构造中，提前附加地实施以下方法步骤：提供具有第一表面的衬底，在该第一表面上设有第一接合框和第二接合框，提供具有第二表面的罩晶片，在该第二表面上设有另一第一接合框和另一第二接合框，其中，该第二接合框和/或该另一第二接合框通过至少一个中断部通穿，并且这样安置衬底和罩晶片，使得第一表面面向第二表面，第一接合框与另一第一接合框接触以及第二接合框与另一第二接合框接触。有利地，在罩晶片和衬底在第二区域中通过共晶接合方法或者扩散钎焊相互连接之前，第二接合框或者另一第二接合框中的至少一个中断部允许第二区域中的压力适配于第二周围环境压力。
符合目的地，第二接合框和/或另一第二接合框在共晶接合或者扩散钎焊中短时间地熔化，其中，在第二接合框中和/或在另一第二接合框中的所述至少一个中断部被封闭。有利地，然后在通过共晶接合方法封闭的区域中包围该第二周围环境压力。
符合目的地，第一温度比第二温度低。有利地由此确保这些接合连接可以相继地制成。
优选第一接合框具有铝，第二接合框具有硅并且另一第一和第二接合框具有金。在此，该第一温度高于300℃并且低于363℃并且该第二温度高于或者位于363℃。
附图说明
现在根据附图详细地解释本发明。在此，对于相同的或者相同作用的元件使用一致的附图标记。附图示出：
图1示出衬底上的俯视图；
图2示出罩晶片上的俯视图；
图3示出在第一处理状态中的微系统的剖面图；
图4示出在第二处理状态中的微系统的剖面图；
图5示出在第三处理状态中的微系统的剖面图。
具体实施方式
图1以示意图示出衬底110上的俯视图。该衬底110可以例如是硅衬底。该衬底110可以是完整的晶片或者晶片的一部分。在该衬底110上安置第一传感器结构200和第二传感器结构300。这些传感器结构200，300可以是微机械的传感器结构，例如是转速传感器或者加速度传感器。例如该第一传感器结构200可以是转速传感器，而第二传感器结构300可以是加速度传感器。
第一传感器结构200通过安置在衬底110的表面上的第一下部接合框220限界。在图1的例子中，该第一下部接合框220具有大致正方形框的形状。但该第一下部接合框220也可以具有圆环的形状或者任意其它封闭的、包围第一传感器结构200的形状。该第一下部接合框220可以例如由沉积在衬底110的表面上的铝制成。在此，第一下部接合框220垂直于衬底110表面的高度可以例如位于1/2μm和10μm之间。第一下部接合框220平行于衬底110表面的宽度可以例如位于10μm和500μm之间、优选100μm的大小。
该第二传感器结构300通过第二下部接合框320环绕地限界。在此，该第二下部接合框320具有四个中断部325，该第二下部接合框320在这些中断部处被穿通。也可以设有少于或者多于四个中断部325、但至少设有一个中断部325。该第二下部接合框320在示出的例子中同样具有大致正方形框的形状。但该第二下部接合框320的形状也可以如第一下部接合框220的形状一样不同地选择。该第二下部接合框320的大小尺寸大致相应于第一下部接合框220的大小尺寸。该第二下部接合框320可以例如由硅制成。
图2以示意图示出罩晶片120的俯视图。该罩晶片120用于罩住安置在衬底110上的传感器结构200，300。该罩晶片120可以例如由硅或者由玻璃制成。该罩晶片120可以是完整的晶片或者是晶片的一部分。在罩晶片120的表面上安置第一上部接合框230和第二上部接合框330。如此选择第一上部接合框230以及第二上部接合框330的位置和大小，使得第一上部接合框230与在衬底110上的第一下部接合框220能够盖合以及第二上部接合框330与在衬底110上的第二下部接合框320能够盖合。第一上部接合框230和第二上部接合框330可以例如由金制成，该金被沉积在罩晶片120上。第二上部接合框330如第二下部接合框320一样具有中断部，该第二上部接合框330在这些中断部处被穿通。如果第二上部接合框330具有这样的中断部，那么可以选择地去除第二下部接合框320中的中断部325。
衬底110和罩晶片120可以相互连接，以便包围或者罩住第一传感器结构200和第二传感器结构300。为此，第一下部接合框220与第一上部接合框230必须连接，并且第二下部接合框320与第二上部接合框330必须连接。在此，第一传感器结构200被包围在第一腔210中，第二传感器结构300被包围在第二腔310中。如果第一传感器结构200和第二传感器结构300对周围环境压力提出了不同的要求，那么必须在第一腔210中和第二腔310中包围不同的内压力。图3至5示出用于在衬底110和罩晶片120之间建立这种连接的不同处理步骤。
图3以剖面图示出，衬底110的具有下部接合框220，320的表面和罩晶片120的具有上部接合框230，330的表面首先相互如此面对地设置，使得第一下部接合框220与第一上部接合框230相对置并且第二下部接合框320与第二上部接合框330相对置。衬底110和罩晶片120现在在第一压力215下在接合装置中相互接触。该第一压力215可以视在接合装置中可达到的压力例如处于10-3毫巴到超过1000毫巴之间。
紧接着进行接合过程的在图4中示意地示出的第一阶段。接合装置中的周围环境温度被提高到第一温度，在该第一温度下第一下部结合框220与第一上部接合框230通过热压接合相互连接。在此，该第一温度典型方式地超过300℃并且小于363℃。优选该第一温度位于大约350℃。在第一下部接合框220和第一上部接合框230通过热压接合相互连接期间，形成第一接合连接240，该第一接合连接围住一围绕第一传感器结构200的第一腔210。在此，第一压力215被包围在第一腔210中。该第一腔210也被衬底110、罩晶片120和第一接合连接240围住并且是如此密封的，使得在第一腔210中保持存在第一压力215。
第二下部接合框320和第二上部接合框330同样位于相互接触，但还没有相互连接。通过在第二下部接合框320中和/或在第二上部接合框330中的中断部325可以在围绕第二传感器结构300的区域与衬底110和罩晶片120的周围环境之间实现压力平衡。接下来将接合装置中的周围环境压力改变到第二压力315。该第二压力315可以高于或低于第一压力215并且同样与接合装置的能力有关地处于10-3毫巴到超过1000毫巴之间。通过中断部325也在第二传感器结构300周围环境中调节出第二压力315。接着将接合装置中的温度提高到第二温度，该第二温度优选大于或者等于363℃。第一接合连接240不会被用于建立第二接合连接340的温度提高所损害。在363℃的温度下在第二下部接合框320与第二上部接合框330之间产生共晶接合过程。在此，第二下部接合框320的硅与第二上部接合框330的金相互连接并且短时间地熔化，由此产生第二接合连接340。在熔化期间，在第二下部接合框320中和/或在第二上部接合框330中的中断部325被封闭。由此在第二传感器结构300的周围环境中的产生第二腔310，该第二腔被衬底110、罩晶片120和第二接合连接340限界并且第二压力315被包围在该第二腔中。第二腔310也是如此密封的，使得第二压力315被保持。图5以示意的剖视图示出最终形成的微系统100。
替代所述的用于下部接合框220，320和上部接合框230，330的材料系统，也可以使用其它的接合材料。重要的只是：与第二接合连接340相比，第一接合连接240在更低的温度下产生，并且第二接合连接340是共晶连接或者其它的连接，在建立第二接合的过程中产生接合材料的短时间的液化，该液化导致流入中断部325。作为可选的材料系统，第一下部接合框220和第一上部接合框230例如可以两者都具有铜，而第二下部接合框320和第二上部接合框330可以具有铜和锡。在这种情况下，通过所谓的固液交互扩散接合方法(SLID)产生由锡和铜组成的第二接合连接。该方法也被称为扩散钎焊。在此也产生接合材料的短时间的液化。

Claims (10)

1.微系统(100)，具有一与周围环境隔开的第一腔(210)和一与周围环境隔开的第二腔(310)，其中，所述第一腔(210)通过第一接合连接(240)限界并且所述第二腔(310)通过第二接合连接(340)限界，其特征在于，所述第一接合连接(240)或者所述第二接合连接(340)是共晶接合连接或者扩散钎焊连接。
2.根据权利要求1的微系统(100)，其特征在于，在所述第一腔(210)中存在第一压力(215)，并且在所述第二腔(310)中存在第二压力(315)，其中，所述第一压力(215)和所述第二压力(315)具有不同的数值。
3.根据权利要求1或2的微系统(100)，其特征在于，所述第一接合连接(240)具有铝和金并且所述第二接合连接(340)具有铝和硅。
4.根据权利要求1或2的微系统(100)，其特征在于，所述第一接合连接(240)具有铜并且所述第二接合连接(340)具有铜和锡。
5.根据前述权利要求之一的微系统(100)，其特征在于，在所述第一腔(210)中设有第一传感器结构(200)，并且在所述第二腔(310)中设有第二传感器结构(300)。
6.用于制造微系统(100)的方法，其中，一衬底(110)与一罩晶片(120)通过接合相互连接，其特征在于，在一个方法步骤中，在第一温度和第一周围环境压力下通过第一接合方法使所述衬底(110)和所述罩晶片(120)在第一区域中相互连接，并且在另一方法步骤中，在第二温度和第二周围环境压力下通过第二接合方法使所述衬底(110)和所述罩晶片(120)在第二区域中相互连接，其中，所述第一接合方法或者所述第二接合方法是共晶接合方法或者扩散钎焊。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，提前附加地实施以下方法步骤：
提供具有第一表面的衬底(110)，在该第一表面上设有第一接合框(220)和第二接合框(320)，
提供具有第二表面的罩晶片(120)，在该第二表面上设有另一第一接合框(230)和另一第二接合框(330)，
其中，所述第二接合框(320)和/或所述另一第二接合框(330)通过至少一个中断部(325)穿通；
这样安置所述衬底(110)和所述罩晶片(120)，使得所述第一表面面向所述第二表面，并且所述第一接合框(220)与所述另一第一接合框(230)接触并且所述第二接合框(320)与所述另一第二接合框(330)接触。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述第二接合框(320)和/或所述另一第二接合框(330)在共晶接合或者扩散钎焊期间短时间地熔化，其中，在所述第二接合框(320)中和/或在所述另一第二接合框(330)中的所述至少一个中断部(325)被封闭。
9.根据权利要求6至8之一的方法，其特征在于，所述第一温度比所述第二温度低。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述第一接合框(220)具有铝并且所述第二接合框(320)具有硅；所述另一第一接合框(230)和所述另一第二接合框(330)具有金，所述第一温度高于300℃并且低于363℃，所述第二温度大于或者等于363℃。
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