CN103420323A - 微机械元件和微机械元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械元件，尤其是一个微机械传感器，包括一个承载衬底和一个罩形衬底，以及涉及一种制造方法，其中，承载衬底和罩形衬底借助共晶的键合或金属焊接或玻璃焊接(例如，玻璃烧结)相互连接，其中，在承载衬底和罩形衬底的一个边缘区城中，通过连接区制造承载衬底和罩形衬底之间的连接，并且在边缘区内的边界区中设置一个截止槽或一个截止凸起，或既设置一个截止槽也设置一个截止凸起。

Description

微机械元件和微机械元件的制造方法

背景技术

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的微机械元件。

这种微机械元件已经广为人知。例如，从文献DE102007044806A1已公开了一种包括一个第一晶片和一个第二晶片的微机械元件，其中，第一晶片具有至少一个结构元件和第二晶片具有至少一个对应的结构元件，其中，第一晶片和/或第二晶片具有一个功能区，所述功能区由一个密封区包围。

在共晶的键合时，通常是使两种在其相图上具有一个最低熔点，即，所谓的共晶点的材料接触。在相应的温度和相应的混合条件时这两种材料熔化并且形成一个共晶体。在此，材料的熔化在低于各键合材料的熔化温度之下进行。

因为用于共晶的键合的两种材料必须直接接触，因此，各个层、即一个承载衬底和一个罩形衬底所处的晶片被在压力下压并且被施加一定的温度。通常，各个层在事先已被结构化，目的在于，只有一个晶片上的确定的区域，即，典型地包围晶片或者说承载衬底或罩形衬底的内部的结构区的边缘区才相互连接。当加热到共晶点并且达到液相时，在这一时刻发生共晶体的局部流动，所述流动不受控地也可以在承载衬底或罩形衬底的边缘区之外扩展。如果这时发生液相或共晶体进入承载衬底或罩形衬底的结构区中，这会导致，例如，本来是可运动的传感器结构、例如加速度传感器或转速传感器的可运的质量局部地被固定，这样一个微机械元件以后不再能够使用，由此造成废品率以及制造成本的提高。

发明内容

按照本发明的微机械元件和按照并列独立权利要求所述的制造微机械元件的按照本发明的方法与现有技术相比，其优点在于，通过合适的截止结构避免了共晶体(或焊料)流入承载衬底和/或罩形衬底的待保护的区域，尤其是，承载衬底和/或罩形衬底的结构区——例如，避免共晶体流入传感器核心，例如，加速度传感器或转速传感器的核心。按照本发明，这是通过下述方式解决，即，在第一边界区内或第二边界区内设置一个截止槽。这样的一个截止槽既可以设置在(承载衬底的)第一边界区内也可以设置在(罩形衬底的)第二边界区内。作为设置一个或多个截止槽的替换方案，按照本发明也可以规定，在第一或第二边界区内设置一个截止凸起，即，例如一种所谓的隔板结构。作为其替换方案，在这里按照本发明也可以规定，在第一边界区内设置一个截止凸起和在第二边界区内设置另一个截止凸起。此外，按照本发明同样可以规定，在第一边界区内或第二边界区内既设置一个截止槽又设置一个截止凸起。在这里，或是在第一边界区内设置所述截止凸起和在第二边界区内设置所述截止槽，或者反过来设置，或者在第一边界区内或者第二边界区内既设置截止槽又设置截止凸起，或者无论是在第一边界区内还是在第二边界区内都是既设置有截止槽又设置有截止凸起。通过这种方式有利地和以简单的方式，可以有效地避免共晶体或液相侵入、尤其是侵入承载衬底和/或罩形衬底的结构区，例如，在为加速度传感器或转速传感器或显微镜时。此外，在使用截止凸起或所谓的隔板结构时还有利的是，可以使共晶体的挤压高度、即在承载衬底的第一连接区内的以及罩形衬底的第二连接区内的或者说在第一连接区与第二连接区之间的所述一个连接层或多个连接层均匀化，即，不仅在一个单个的微机械元件的整个连接区上使它们更加均匀地构型，而且还能够在多个微机械元件身上可复现地和以微小的挤压高度的分散实现承载衬底和罩形衬底的连接的制造过程。

按照本发明，设置尤其是由一种热氧化物材料构成的截止凸起。尤其是按照本发明以有利的方式优选规定，截止凸起是一种施加到承载衬底的材料上和/或罩形衬底的材料上的或者说形成在承载衬底或罩形衬底的表面区域内的材料，尤其是结构化的层的形式，尤其是由一种氧化物材料构成，优选由热氧化物材料构成。这尤其是因此有利，因为——尤其是与以下述方式进行的截止凸起的结构化相反，即，由承载衬底的材料和/或罩形衬底的材料选择性地蚀刻承载衬底的材料和/或罩形衬底的材料，其典型结果是导致在一个晶片的整个表面具有相对差的蚀刻均匀性(Uniformity of etching)，大约为+/-5％的精度范围——在这里可以沉积或形成一个一种氧化物材料(尤其是氧化硅，和尤其是热氧化物(硅)材料)的层，并且在一个晶片的整个表面上具有相对好的层厚均匀性(Uniformity)，例如，层厚均匀性处于沉积的氧化物层的层厚的+/-1％的范围中(例如，氧化物层在其形成之后随即被蚀刻(尤其是在BOE中)，这可以选择硅)，其中，热氧化物层的层厚例如在0.5-2.5微米这一量级。

原则上对于隔片厚度的设计适用这样的要求，即连接材料在连接区内到处都可被置于相互接触和通过隔片厚度和隔片与连接区之间的距离形成的容积能够可靠地接收流动的共晶体。

优选，承载衬底和/或罩形衬底包括一种半导体材料，尤其是硅，所述材料被相应地结构化，用于形成传感器结构，尤其是一种可运动的质量或者说耦合弹簧。其中，优选，结构化是采用光刻技术方法步骤和/或蚀刻方法步骤和/或沉积方法步骤进行。

本发明的优选的结构形式和改进方案可以参看从属的权利要求以及附图说明。

按照一个优选的实施形式规定，第一边界区设置在第一连接区与第一结构区之间和第二边界区设置在第二连接区与第二结构区之间。借此，按照本发明能够以有利的方式，在接合承载衬底与罩形衬底时有效避免共晶体的液相侵入承载衬底和罩形衬底的结构区，因为在这里相对于共晶体的液相的位于第一和第二连接区中的材料，承载衬底的第一边界区或罩形衬底的第二边界区形成一个边界和以这种方式阻止共晶体的液相侵入承载衬底或罩形衬底的结构区。

此外，按照本发明优选，第一边缘区除第一边界区之外还有一个第三边界区和第二边缘区除第二边界区之外还有一个第四边界区，其中，第一连接区位于(承载衬底的)第一与第三边界区之间，第二连接区位于(罩形衬底的)第二与第四边界区之间。由此，按照本发明能够以特殊的方式有利地实现，将用于形成共晶的键合的材料尤其是在连接承载衬底与罩形衬底时其液相期间限定于承载衬底和罩形衬底的第一和第二连接区的区域上并且借此不仅可以避免共晶体的液相侵入承载衬底或罩形衬底的第一和第二结构区而且还可以避免共晶体的液相从第一和第二连接区的区域向外逸出。

此外，按照本发明优选，第一边缘区将位于第一连接侧的第一结构区完全包围和第二边缘区将位于第二连接侧的第二结构区完全包围。借此，按照本发明能够有利地完全密封结构区内的气氛，尤其是可实现承载衬底与罩形衬底之间的结构区中的气氛的超压或负压的形成或调节。

此外，按照本发明也优选，共晶的键合通过一个第一键合配偶和一个第二键合配偶实现，其中，第一键合配偶设置在第一连接区内和第二键合配偶设置在第二连接区内。借此可以特别高效地实现共晶的键合。优选，接合合金是由下述混合组成：Au-Si，Al-Ge，Al-Cu-Ge，Cu-Sn，Au-Sn，Au-In，Al-Ge-Si，Al-Cu-Ge-Si，Au-Ge。原则上也可以考虑使用所有可应用于微机械的合金配元。特别优选的是相图中设置有共晶合金的合金配元。一个示范性的合金是Al-Ge。这两种键合材料的熔点温度分别是，纯铝，660℃，纯锗，938℃，共熔点熔化温度为420℃。在共晶的键合时，键合所需的临界键合温度取决于所使用的材料的混合与互扩散。在理想的情况下在熔化温度下在共晶点形成液相。在Al-Ge一合金的范例中实际的键合温度通常在范围220℃～450℃中。

本发明的另一个主题涉及微机械元件的制造方法。按照本发明，在一个第一制造步骤一方面制造具有微机械结构的承载衬底和另一方面制造罩形衬底，在一个第二步骤中，通过连接第一连接侧与第二连接侧而使承载衬底和罩形衬底连接。因此，在这里能够以有利的方式制造比现有技术更紧凑的微机械元件，而且能够在承载衬底与罩形衬底之间实现更可靠的连接。

以下借助附图及其说明对本发明的实施例进行更详细的说明。

附图简介

图1一个按照本发明的、在罩形衬底内具有两个截止槽的微机械元件的部分的示意性剖视图

图2一个按照本发明的微机械元件在承载衬底和罩形衬底连接之前的承载衬底和罩形衬底的示意性俯视图

图3按照本发明的微机械元件的部分的示意性剖视图，其中，在承载衬底的边缘区中构造了两个截止槽

图4微机械元件的在承载衬底和罩形衬底连接之前的部分的示意性剖视图，其中，在罩形衬底的边缘区中设置了两个截止凸起

图5按照图4的视图，然而承载衬底和罩形衬底已经连接

图6按照本发明的微机械元件的部分的示意性剖视图，其中，在承载衬底的边缘区中设置了两个截止槽和两个截止凸起

图7按照本发明的微机械元件的部分的示意性剖视图，其中，在罩形衬底内设置两个截止槽和在罩形衬底内或在承载衬底内设置两个截止凸起

具体实施方式

在不同的附图中，相同的附图标记表示相同的元件，因此通常分别只命名或提及一次。

图1，3，4，5，6和7分别在一个示意性剖视图中示出一个按照本发明的微机械元件10的部分，其中，微机械元件10包括一个承载衬底20和一个罩形衬底30。承载衬底20具有一个第一连接侧21，罩形衬底30具有一个第二连接侧31，其中，承载衬底和罩形衬底20，30通过它们各自的连接侧21，31相互朝向地连接，其中，按照本发明，在承载衬底和罩形衬底20，30的边缘区城中设置了共晶的键合(或焊接)。承载衬底20具有一个第一结构区22和一个第一边缘区23，其中，按照本发明，第一边缘区23至少具有一个第一连接区24和一个第一边界区25。罩形衬底30具有一个第二结构区32，在微机械元件10的组装状态，所述第二结构区32设置在承载衬底20的第一结构区22的对面。此外，罩形衬底30还具有一个第二边缘区33，其中，第二边缘区33具有一个第二连接区34和一个第二边界区35。按照本发明，第一边缘区23面对第二边缘区33，并且这些边缘区至少部分地、优选完全地包围相应的结构区22，32，以至于在承载衬底和罩形衬底20，30连接时结构区22，32通过边缘区23，33(以后也称作微机械元件10的边缘区)被完全包围。承载衬底和罩形衬底20，30之间的通过第一和第二边缘区23，33的连接通过在第一和第二连接区24，34中的共晶的键合(或通过焊接连接)实现，其中，第一和第二连接区相对地设置。第一和第二边界区25，35同样是相对地设置。按照本发明的一个优选的实施形式，如果在承载衬底20的第一边缘区23中(除了第一边界区25)也设置一个第三边界区26，并且在罩形衬底30的第二边缘区33中(除了第二边界区35)也设置一个第四边界区36，如图1和图3-7所示，第三边界区26也位于第四边界区36的对面。

图2示意性示出承载衬底20和罩形衬底30的俯视图，其中，示出了在承载衬底20的第一连接侧21和罩形衬底30的第二连接侧31上的示图，为了制造微机械元件10，所述两侧在第一和第二边缘区23，33中，即，在第一和第二连接区24，34中相互面对地相互连接。由图2可以看出，第一和第二边缘区23，33分别完全包围第一和第二结构区22，32区。作为该结构形式的替代方案，也可以设置，第一和/或第二边缘区23，33不完全包围相应的结构区22，32，但这在图2中没有示出。

按照微机械元件10的一个第一方案，如图1所示，一个第一截止槽41设置在第四边界区36中和一个第二截止槽42设置在第二边界区35中。按照图3中的实施方案，一个第三截止槽43设置在承载衬底20的第一边缘区23的第三边界区26中，并且一个第四截止槽44设置在承载衬底20的第一边界区25中。因为在共晶的键合时，在高于共晶点的温度下会发生形成液相，因而存在一种风险，即所述液相会尤其是也通过待连接的承载衬底和罩形衬底20，30的受压而进入结构区22，32。然后在那里造成可运动的传感器结构粘接，其结果会导致微机械结构29报废。为了避免上述情形的发生，按照本发明，在边界区25，26，35，36的一个中构造至少一个截止槽41，42，43，44。与图1所示的或者在罩形衬底30内构造两个截止槽或如图3所示的在承载衬底20中构造两个截止槽相比，也可以分别只设置一个截止槽，尤其是在第一或第二边界区25，35中，或也可以不仅在承载衬底20中而且在罩形衬底30中设置一个或设置两个截止槽。当压承载衬底和罩形衬底20，30时，这些基片之间的缝隙逐渐变小，共晶体被挤压并且液相在旁侧从连接区被压出。通过设置至少一个截止槽，共晶体的液相可减压进入截止槽。下述事实也有利于上述情形，即，在一个窄的缝隙中共晶体很难扩散，例如该窄的缝隙还存在于从第一和第二连接区24，34位置看、在位于第一边界区和第二边界区25，35中的第二或第四截止槽42，44的向结构区22，32方向的那一侧。因此，按照本发明重要的是，在截止槽与结构区22，32之间的区域中，在承载衬底和罩形衬底20，30之间设置一个尽可能窄的缝隙，就是说，按照微机械元件10的全部的方案，以这样的方式给第一和第二边界区25，26设置一个或多个截止槽，即，在微机械元件10已经组装完毕的状态下，在截止槽与第一和第二结构区23，33之间，在罩形衬底和传感器衬底30，20之间构造了所述尽可能窄的缝隙。按照本发明，通过这种方式不仅可以保护结构区22，32，而且还可以保护其它的区域，例如，焊盘区28(尤其是借助第三和第四边界区26，36)免于遭受共晶体的侵入。按照本发明，如果使用一个闭环的键合框，即，边缘区23，33是环绕的，以便例如能够在传感器结构29的区域中调节出一个确定的压力，有利的是，环绕着所述结构区或沿着所述边缘区23，33(以下也被称作键合框)设置内截止槽，即第二或第四截止槽42，44。按照本发明，同样可以完全环绕地设置第一和第三截止槽41，43，但是，经常足够的是，只要能够保护焊盘区避免接触被挤压的共晶体，以便能够保证借助丝焊法键合的传感器芯片的无问题的电接触即可。因为在正常情况下这些截止槽是与空穴或微机械结构29(就是说，与结构区22，32的元件或区域)一同制造，这些截止槽也具有与空穴或微机械结构29几乎相同的深度。为了针对后续的模制步骤提高罩形衬底的稳定性，按照本发明有利的是，在制造承载衬底20或制造罩形衬底30时也可以通过使用一个附加的掩模使截止槽的深度比空穴或微机械结构29的深度浅。

图4示出了承载衬底和罩形衬底20，30在连接成微机械元件10之前的剖视图的部分。可以看出承载衬底上的第一连接材料11和罩形衬底30上的第二连接材料12，所述连接材料在连接区24，34中共同形成共晶的键合。在图5中示出了处于已经组装的微机械元件10，即，承载衬底和罩形衬底20，30已连接的状态。在按照图4和图5的实施方案中，在罩形衬底30上设置有一个第一截止凸起51和一个第二截止凸起52，其中，第一截止凸起51设置在第四边界区36中，第二截止凸起52设置在第二边界区35中。作为替换方案，也可以在承载衬底的第一或第三边界区设置相应的截止凸起，但是，它没有被显示在图中。所述截止凸起——也像截止槽一样——至少部分地围绕结构区22，32呈环形轮廓地位于第一或第二边缘区23，33中(即，在键合框内)。与罩形衬底30和/或承载衬底20中的截止槽相反，截止凸起具有双重功能：一方面它们应把对共晶体的挤压限制在一个最小值上和另一方面限制共晶体的侧向流动。共晶体的液相的挤压程度因此取决于承载衬底20和罩形衬底30彼此摞在一起运动的程度。如果在这两个承载衬底20和罩形衬底30的至少一个上竖直地(即，与承载衬底和罩形衬底的主伸展平面垂直)设置截止凸起，尤其是以所谓的隔片的形式，承载衬底和罩形衬底只能被挤压到这些截止凸起接触各自的相对的晶片(或各自相对的衬底)为止。按照本发明，通过这种方式能够有利地不仅在所述微机械元件的围绕结构区的边缘区的整个延伸上，而且在大量的借助连接两个晶片(即，多个单个的承载衬底和多个单个的罩形衬底)制造的微机械元件上实现一个统一的共晶键合高度并且也对受挤压的共晶体的量进行控制。为此，截止凸起的层高度必须与第一或第二连接材料11，12的高度(也就是说，与键合配偶的高度)相匹配。按照本发明，在这里应该是截止凸起的高度低于所述两种键合材料11，12的原始高度，以便在键合过程中或在连接过程中保证键合材料的接触和小的挤压。如果想阻止共晶体进入传感器结构，即，结构区22，32中，优选，截止凸起的结构是完全闭环地围绕结构区22，32。在键合过程中，这样一种环形延伸的截止凸起被压到相对的衬底的表面上(就是说，如果截止凸起位于承载衬底上，则被压到罩形衬底上，反之，如果截止凸起位于罩形衬底上，则被压到承载衬底上)并且以这样的方式密封内部空间。可以在边缘区23，33的外围区域设置另一个截止凸起，所述截止凸起或是仅保护焊盘区28防止遭受受挤压的共晶体或是同样是轮廓环绕地沿着边缘区设置。

在实现所述截止凸起时，按照本发明重要的是，通过截止凸起为键合材料11，12或为共晶的键合确定的容积足够大，保证能够接收被挤压的共晶体。为了保证可靠地具有必需的容积，按照本发明，按照图6和图7所示的实施方案可能并且优选的是，在这些边界区的一个或多个中既有一个截止槽(或多个截止槽)也有一个截止凸起(或多个截止凸起)。在图6中，例如，既设置有第一和第二截止凸起51，52又设置有第三和第四截止槽43，44(构造在承载衬底20内)，而按照图7所示的实施方案除了设置第一和第二截止凸起51，52外还设置了第一和第二截止槽41，42(在罩形衬底30中)。

首先考虑使用不是共晶体成分的材料作为截止凸起的材料，例如，氧化硅，氮化硅，硅或类似物质。如果截止结构(在侧向方向)与连接材料11，12之间的距离足够大，截止凸起也可以由与连接材料11，12相同的材料构成。

按照一个优选的实施形式，也还可以考虑，在进行金属焊接或玻璃焊接(例如，玻璃-烧结)时设置截止槽和截止凸起，以便能够在这里确定焊料厚度和可使用的挤压区。

Claims (9)

1.微机械元件(10)，尤其是一个微机械传感器，包括一个承载衬底(20)和一个罩形衬底(30)，其中，承载衬底(20)具有一个第一连接侧(21)和罩形衬底(30)具有一个第二连接侧(31)，其中，承载衬底(20)和罩形衬底(30)通过所述第一和第二连接侧(21，31)借助共晶的键合或金属焊接或玻璃焊接相互连接，其中，第一连接侧(21)具有一个包含一个微机械结构(29)的第一结构区(22)和一个第一边缘区(23)，其中，第一边缘区(23)至少部分地包围位于第一连接侧(21)的第一结构区(22)，其中，第二连接侧(31)具有一个位于第一结构区(22)对面的第二结构区(32)以及一个第二边缘区(33)，其中，第二边缘区(33)至少部分地包围位于第二连接侧(31)的第二结构区(32)，其特征在于，第一边缘区(23)具有一个第一连接区(24)和一个第一边界区(25)，第二边缘区(33)具有一个第二连接区(34)和一个第二边界区(35)，第一连接区(24)和第二连接区(34)相对地设置，第一边界区(25)与第二边界区(35)相对也设置，第一边界区(25)或第二边界区(35)具有：一个截止槽(41，42，43，44)或一个截止凸起(51，52)或既有一个截止槽(41，42，43，44)也有一个截止凸起(51，52)。

2.根据权利要求1所述的微机械元件(10)，其特征在于，第一边界区(25)设置在第一连接区(24)和第一结构区(22)之间和第二边界区(35)设置在第二连接区(34)和第二结构区(32)之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，第一边缘区(23)除具有第一边界区(25)之外还具有一个第三边界区(26)，第二边缘区(33)除具有第二边界区(35)之外还具有一个第四边界区(36)，其中，第一连接区(24)位于第一与第三边界区(25，26)之间和第二连接区(34)位于第二与第四边界区(35，36)之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，第一边缘区(23)完全包围位于第一连接侧(21)的第一结构区(22)和第二边缘区(33)完全包围位于第二连接侧(31)的第二结构区(32)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，共晶的键合通过一个第一键合配偶和一个第二键合配偶实现，其中，第一键合配偶设置在第一连接区(24)中和第二键合配偶设置在第二连接区(34)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，一个设置在第一边缘区(23)中的截止凸起(51，52)接触第二边缘区(33)和/或一个设置在第二边缘区(33)中的截止凸起(51，52)接触第一边缘区(23)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，微机械结构(29)是一种传感器结构或一种执行机构结构，其中，优选，微机械结构(29)包括用于测量加速度和/或转速的传感器结构。

8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)，其特征在于，在承载衬底(20)的第一结构区(22)和罩形衬底(30)的第二结构区(32)之间具有一个预先给定的气体氛围，尤其是一个预先给定的内压。

9.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的微机械元件(10)的方法，其特征在于，在一个第一步骤中一方面制造具有微机械结构(29)的承载衬底(20)和另一方面制造罩形衬底(30)和在一个第二步骤中，通过连接第一连接侧(21)与第二连接侧(31)而使承载衬底(20)和罩形衬底(30)连接。

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