CN105314589A

CN105314589A - 微机械构件及其制造方法

Info

Publication number: CN105314589A
Application number: CN201510328917.9A
Authority: CN
Inventors: J·赖因穆特; J·克拉森
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: TW201607881A; DE102014211333A1; US20150360937A1; US9751751B2; CN105314589B; TWI670225B

Abstract

一种微机械构件包括传感器芯片和与所述传感器芯片连接的盖芯片。在所述传感器芯片和所述盖芯片之间构造空腔。所述传感器芯片具有布置在所述空腔中的活动元件。所述盖芯片具有布线层，所述布线层具有导电电极。所述盖芯片具有布置在所述空腔中的吸气元件。

Description

微机械构件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的微机械构件以及一种根据权利要求8所述的用于制造微机械构件的方法。

背景技术

由现有技术已知用于测量加速度和转速的微机械传感器。同样已知的是，加速度传感器和转速传感器构造为集成在一个共同的芯片上的构件。已知的加速传感器和转速传感器具有包含在至少部分真空的空洞中的活动元件。在此，在转速传感器中尤其期望低的空洞压力。已知的是，转速传感器的空洞设置有吸气元件(Getterelementen)，以便实现并且在传感器元件的使用寿命上维持低的空洞压力。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种微机械构件。所述任务通过具有权利要求1的特征的微机械构件来解决。本发明的另一任务在于，说明一种用于制造微机械构件的方法。所述任务通过具有权利要求8的特征的方法来解决。在从属权利要求中说明不同的扩展方案。

微机械构件包括传感器芯片和与所述传感器芯片连接的盖芯片。在传感器芯片和盖芯片之间构造空腔。传感器芯片具有布置在所述空腔中的活动元件。盖芯片具有布线层，所述布线层具有导电电极。盖芯片具有布置在所述空腔中的吸气元件。有利地，吸气元件可以在所述微机械构件中至少部分地绑定存在于空腔中的空气并且由此保证空腔中的低压力。所述微机械构件的盖芯片的布线层可以有利地用于传感器芯片的电接通和控制。

在所述微机械构件的一种实施方式中，吸气元件与电极导电连接。由此能够有利地实现，吸气元件处于限定的电势上。由此，有利地降低或者避免吸气元件和传感器芯片的活动元件之间的不可控制的相互作用。由此，吸气元件甚至可以用作用于控制和/或探测传感器芯片的活动元件的反向电极。

在所述微机械构件的一种实施方式中，吸气元件具有第一区段和对第一区段绝缘的第二区段。在此，第一区段与电极导电连接。第二区段与另一电极导电连接。由此有利地，能够实现吸气元件和活动元件之间的相互作用的特别灵活的控制。此外有利地，可以特别靠近活动元件地布置吸气元件。

在所述微机械构件的一种实施方式中，吸气元件与活动元件至少部分相对置地布置在空腔中。由此，可以有利地以大面积构造吸气元件，这能够实现吸气元件的高的吸附性能(Sorptionsleistung)。

在所述微机械构件的一种实施方式中，盖芯片具有止挡元件。在此，吸气元件比止挡元件更远地与活动元件间隔开。由此，可以防止活动元件与吸气元件的碰撞。

在所述微机械构件的一种实施方式中，止挡元件构造在至少部分遮盖布线层的绝缘体层中。由此有利地，得到微机械构件的一种特别简单的实施。

在所述微机械构件的一种实施方式中，止挡元件是导电的。由此有利地，止挡元件可以施加有与活动元件相同的电势，由此能够实现活动元件与止挡元件的无力的碰撞。

用于制造微机械构件的方法包括用于提供具有活动元件的传感器芯片的步骤；用于提供具有布线层的盖芯片的步骤，所述布线层具有导电电极；用于在盖芯片上布置吸气元件的步骤以及用于将传感器芯片与盖芯片如此连接的步骤，使得在传感器芯片和盖芯片之间形成空腔，在所述空腔中布置活动元件和吸气元件。有利地，在通过所述方法得到的微机械构件中，吸气元件可以引起并且维持空腔中的低压力。盖芯片的布线层可以有利地用于通过所述方法得到的微机械构件的传感器芯片的电接通和控制。

在所述方法的一种实施方式中，如此布置吸气元件，使得所述吸气元件与电极导电连接。由此能够有利地实现，在通过所述方法得到的微机械构件中吸气元件处于限定的电势上，由此可以避免吸气元件和传感器芯片的活动元件之间的不可控制的电方面的相互作用。

在所述方法的一种实施方式中，所述方法包括用于去除盖芯片的上侧上的另一布线层和/或绝缘体层的一部分以便形成凹部的步骤。在此，吸气元件布置在所述凹部中。由此能够有利地实现，以与活动元件较大间距地布置吸气元件。在此，能够有利地附加地在另一布线层和/或绝缘体层中构造止挡元件，在通过所述方法得到的微机械构件中所述止挡元件有利地防止活动元件与吸气元件的碰撞。

附图说明

现在根据附图详细地阐述本发明。在此，附图示出：

图1：微机械构件的侧剖图；

图2：第一微机械构件的一部分；

图3：第二微机械构件的一部分；

图4：第三微机械构件的一部分；

图5：第四微机械构件的一部分；

图6：第五微机械构件的一部分。

具体实施方式

图1示出微机械构件10的示意性侧剖图。所述微机械构件10是用于测量物理参量、尤其用于测量加速度和/或转速的传感器元件。所述微机械构件10是集成的微机械构件，其中第一传感器200和第二传感器300集成在共同的微机械构件10中。微机械构件10的传感器200、300中的每一个具有微机械的活动元件。

微机械构件10包括微机械的传感器芯片(MEMS芯片)100和盖芯片400。

传感器芯片100具有上侧101和与上侧101相对置的背侧102。传感器芯片100具有衬底110，所述衬底优选构造为硅衬底并且构成传感器芯片100的背侧102。在所述衬底110上布置有彼此交替的多个导电层和绝缘体层，它们部分地结构化并且彼此连接。在图1的经简化的示图中，存在两个绝缘体层120、导电的布线层130和导电的功能层140。功能层140构成传感器芯片100的上侧101。绝缘体层120例如可以构造为氧化物层。导电层130、140例如可以构造为多晶体硅层。

盖芯片400具有上侧401和与上侧401相对置的背侧402。盖芯片400具有至少一个布线层并且例如可以构造为应用特定的集成电路(ASIC)。在这种情形中，盖芯片400优选根据CMOS过程来制造。

盖芯片400具有衬底410，所述衬底优选构造为硅衬底。在所述衬底410上布置具有多个彼此交替的导电层和绝缘体层的金属氧化物堆叠，所述金属氧化物堆叠构成盖芯片400的上侧401。在盖芯片400的相对置的背侧402上布置有用于微机械构件10的电接通的接触元件420。接触元件420例如可以构造为焊球。接触元件420通过穿过衬底410延伸的贯通接触(Durchkontakt)421与在图1中没有详细示出的开关回路导电连接，所述开关回路集成在盖芯片400中。

传感器芯片100和盖芯片400通过连接部150相互连接。在此，盖芯片400的上侧401面向传感器芯片100的上侧101。所述连接部150例如可以构造为金属的晶片键合连接。连接部150例如尤其可以构造为共晶的键合连接、例如构造为铝连同锗的共晶的键合连接。所述连接部150例如也可以是共晶的铜锡键合连接或者热压连接。

连接部150建立盖芯片400和传感器芯片100之间的导电连接，所述导电连接能够实现第一传感器200和第二传感器300通过集成在盖芯片400中的电开关回路的控制和读取。此外，连接部150密封地封闭在传感器芯片100的上侧101和盖芯片400的上侧401之间构造的空腔。

第一传感器200例如可以构造为转速传感器。所述第一传感器200具有构造在传感器芯片100的上侧101和盖芯片400的上侧401之间的空腔210。在空腔210中，低的压力优选占主要。构造在传感器芯片100的功能层140中的活动元件220活动地布置在第一传感器200的空腔210中。

第二传感器300例如可以构造为加速度传感器300。所述第二传感器300具有构造在传感器芯片100的上侧101和盖芯片400的上侧401之间的空腔310。在第二传感器300的空腔310中，低的压力优选也占主要。然而，第二传感器300的空腔310中的压力可以大于第一传感器200的空腔210中的压力。第二传感器300包括构造在传感器芯片100的功能层140中的运动元件320，所述运动元件运动地布置在第二传感器300的空腔310中。

为了能够实现第一传感器200的空腔210中的低压力的构造和维持，盖芯片400具有布置在空腔210中的吸气元件，其在图1中没有示出。随后，借助图2至6示出构造并且布置吸气元件的不同可能性。在任何情况下，所述吸气元件用于捕捉位于第一传感器200的空腔210中的气体分子，例如通过直接的化学化合或者通过吸附。

图2示出微机械构件11的一部分的示意性侧剖图。所述微机械构件11如图1的微机械构件11那样地构造。在图2中，仅仅示出所述微机械构件11在第一传感器200的区域中的一部分。此外，图2示出第一传感器200的活动元件220的、传感器芯片100和盖芯片400之间的连接部150中的一个的以及盖芯片400的金属氧化物堆叠430的在图1中不能识别的细节，随后阐述以上所述。

第一传感器200的活动元件220包括质量块(seismischeMasse)223，所述质量块相对于传感器芯片100的其余部分并且相对于盖芯片400活动地布置在空腔210中。在此，质量块223例如可以在垂直于传感器芯片100的上侧101并且垂直于盖芯片400的上侧401的运动方向224上活动。然而也可能的是，如此构造活动元件220，使得所述质量块223在另一方向上、例如在平行于传感器芯片100的上侧101并且平行于盖芯片400的上侧401的方向上活动。所述质量块223通过至少一个弹簧元件222与固定件221弹性连接，所述固定件建立质量块223和传感器芯片100的其余部分之间的连接。

盖芯片400的金属氧化物堆叠430包括多个分层布置的、通过绝缘体层彼此间隔开的布线层。在盖芯片400的上侧401上布置有最上方布线层440。所述最上方布线层440例如可以是金属氧化物堆叠430的第六布线层。所述最上方布线层440通过最上方绝缘体层450相对金属氧化物堆叠430的第二上方布线层460绝缘。所述第二上方布线层460例如可以是金属氧化物堆叠430的第五布线层。金属氧化物堆叠430的布线层440，460可以分别结构化并且细分成单独的横向区段。各个布线层440、460的各个区段可以通过穿过位于中间的绝缘体层450延伸的贯通接触470彼此导电连接。

在图2中可看出的在传感器芯片100和盖芯片400之间的连接部150包括构造在传感器芯片100上的间距保持元件151以及构造在所述间距保持元件151上的第一金属化部152和构造在盖芯片400的上侧401上的、最上方布线层440中的第二金属化部443之间的共晶连接。所述第一金属化部152例如可以具有锗。所述第二金属化部443例如可以具有铝或者铝铜合金。

在盖芯片400的上侧401上在最上方布线层440中构造第一电极440。所述第一电极441如此布置，使得其在垂直于传感器芯片100的上侧101并且垂直于盖芯片400的上侧401的方向上与第一传感器200的活动元件220的质量块223基本上相对置。第一电极441例如可以用作用于第一传感器200的活动元件220的控制电极和/或读取电极。

此外，在所述微机械构件10中，盖芯片400在其上侧401上具有布置在第一传感器200的空腔210中的吸气元件480。所述吸气元件480布置在盖芯片400的上侧401上的横向区域中，在所述横向区域中去除最上方布线层440。因此，吸气元件480布置在最上方绝缘体层450上在第一电极441旁。所述吸气元件480相对第一电极441和最上方布线层440的所有其它区段电绝缘。

图3示出微机械构件12的一部分的示意性侧剖图，所述微机械构件如图1的微机械构件10那样地构造。图3仅仅示出微机械构件12在第一传感器200的区域中的一部分。

图3的微机械构件12与图2的微机械构件11区别如下：在盖芯片400的上侧401上布置有构造在最上方布线层440中的第二电极442。所述第二电极442布置在盖芯片400的上侧401的横向区域中，所述横向区域与第一传感器200的活动元件220的固定件221大约相对置。在图3的微机械构件12中不存在图2的微机械构件11的第一电极441。在所述微机械构件12中，在盖芯片400的上侧401的与第一传感器200的活动元件220的质量块223相对置的横向区段中去除盖芯片400的最上方布线层440。

在所述微机械构件12中，吸气元件480延伸穿过盖芯片400的上侧401的横向区段，在所述横向区段中最上方布线层440被去除并且在所述区域中与最上方绝缘体层450邻接。此外，在所述微机械构件12中，吸气元件480延伸穿过第二电极442的至少一部分。由此，吸气元件480与第二电极442导电连接。这能够实现，吸气元件480通过第二电极442处于限定的电势上。由此，吸气元件480自身可以用作电极，例如用于激励和/或探测第一传感器200的活动元件220的活动。替代地，吸气元件480可以施加有与第一传感器200的活动元件220相同的电势，以便最小化吸气元件480和第一传感器200的活动元件220之间的电方面的相互作用。图3的微机械构件12的吸气元件480的布置的另一优点在于：可以以非常大的面积构造吸气元件480，这能够实现吸气元件480的好的泵浦性能。

图4示出微机械构件13的一部分的示意性侧剖图，所述微机械构件如图1的微机械构件10那样地构造。图4仅仅示出微机械构件13的围绕第一传感器200的区域。

在图4的微机械构件13中，在盖芯片400的最上方布线层440中不仅构造第一电极441而且第二电极442。所述第一电极441布置在盖芯片400的上侧401上的与第一传感器200的活动元件220的质量块223相对置的横向区段中。所述第二电极442布置在盖芯片400的上侧401的与第一传感器200的活动元件220的固定件221相对置的横向区域中。所述第一电极441和所述第二电极442彼此电绝缘。

在图4的微机械构件13中，吸气元件480具有第一区段481和第二区段482。所述第一区段481布置在第一电极441上并且与所述第一电极441导电连接。吸气元件480的第二区段482布置在第二电极442上并且与第二电极442导电连接。

在所述微机械构件13中，吸气元件480的两个区段481、482通过第一电极441和第二电极442彼此分离地施加有电势。这又能够实现，建立第一传感器200的活动元件220和吸气元件480的两个区段481、482之间的力自由度()，或者将吸气元件480的两个区段481、482用作用于控制和/或读取第一传感器200的活动元件220的电极。在此，在所述微机械构件13中，吸气元件480的两个区段481、482与第一传感器200的活动元件220具有特别小的间距，由此可以得到吸气元件480的两个区段481、482和第一传感器200的活动元件220之间的强烈的相互作用并且因此可以得到高的敏感度。所述微机械构件13的吸气元件480的另一优点在于：可以以大的面积构造吸气元件480，这能够实现吸气元件480的好的泵浦功率。

图5示出微机械构件14的示意性侧剖图，所述微机械构件如图1的微机械构件10那样地构造。图5仅仅示出微机械构件14在第一传感器200的区域中的一部分。

在所述微机械构件14中，在盖芯片400的上侧401上除最上方布线层440的一部分以外也去除最上方绝缘体层450的一部分，使得第二上方布线层460的一部分暴露并且构成第三电极461。通过最上方绝缘体层450的一部分的去除，在盖芯片400的上侧401上构成凹部490。第二上方布线层460中的第三电极461布置在所述凹部490的基础上。

在图5的微机械构件14中，吸气元件480布置在第三电极461上的凹部490中并且与第三电极461导电连接。所述第三电极461能够实现，以限定的电势施加所述吸气元件480。

吸气元件480在垂直于盖芯片400的上侧401的方向上具有比最上方绝缘体层450更小的厚度。由此，所述吸气元件480完全地布置在凹部490内并且没有突出最上方绝缘体层450的限界凹部490的区段。因此，最上方绝缘体层450的所述限界凹部490的区段构成止挡元件500。不仅吸气元件480而且止挡元件500在垂直于传感器芯片100的上侧101并且垂直于盖芯片400的上侧401的方向上至少部分地与第一传感器200的活动元件220的质量块223相对置地布置。在此，质量块223和止挡元件500之间的在垂直于传感器芯片100的上侧101的方向上的间距小于质量块223和吸气元件480之间的间距。由此有利地，防止质量块223与吸气元件480的无意碰撞。在发生质量块223与吸气元件480的碰撞之前，质量块223已经贴靠在止挡元件500上。

在所述微机械构件14中，吸气元件480比在图4的微机械构件13中具有与第一传感器200的活动元件220更大的间距。由此，在所述微机械构件14中，在吸气元件480和第一传感器200的活动元件220之间存在更小的相互作用。

图6示出微机械构件15的示意性侧剖图，所述微机械构件如图1的微机械构件10那样地构造。图6仅仅示出微机械构件15在第一传感器200的区域中的一部分。

在如在图5的微机械构件14中那样的微机械构件15中，除盖晶片200的最上方布线层440的一部分以外也去除盖芯片400的最上方绝缘体层450的一部分，由此构造凹部490。在凹部490的基础上布置有在第二上方布线层460中构成的第三电极461。吸气元件480又布置在第三电极461上的凹部490中并且与第三电极461导电连接。

与图5的微机械构件14不同，在图6的微机械构件15中吸气元件480在垂直于盖芯片400的上侧401的方向上具有大于最上方绝缘体层450的厚度的厚度。因此，吸气元件480突出最上方绝缘体层450。

在图6的微机械构件15中，在最上方绝缘体层450的限界凹部490的部分上，最上方布线层440的剩余部分构成第四电极444。所述第四电极444相对第三电极461和吸气元件480电绝缘。所述第四电极444和最上方绝缘体层450的限界凹部490的部分共同构成止挡元件500。

在所述微机械构件15中，不仅吸气元件480而且止挡元件500在垂直于传感器芯片100的上侧101并且垂直于盖芯片400的上侧401的方向上至少部分地与第一传感器200的活动元件220相对置地布置。在此，止挡元件500的第四电极444比吸气元件480具有与第一传感器200的活动元件220的质量块223更小的间距。由此，在所述微机械构件15中，防止第一传感器200的活动元件220的质量块223与吸气元件480的碰撞。

所述微机械构件15的止挡元件500的第四电极444可以施加有与第一传感器200的活动元件220相同的电势。由此，能够实现活动元件220与止挡元件500的无力的碰撞。

Claims

1.一种微机械构件(11，12，13，14，15)，其具有传感器芯片(100)和与所述传感器芯片(100)连接的盖芯片(400)，

其中，在所述传感器芯片(100)和所述盖芯片(400)之间构造空腔(210)，

其中，所述传感器芯片(100)具有布置在所述空腔(210)中的活动元件(220)，

其中，所述盖芯片(400)具有布线层(440，460)，所述布线层具有导电电极(441，442，461)，

其中，所述盖芯片(400)具有布置在所述空腔(210)中的吸气元件(480)。

2.根据权利要求1所述的微机械构件(12，13，14，15)，其中，所述吸气元件(480)与所述电极(441，442，461)导电连接。

3.根据权利要求2所述的微机械构件(13)，

其中，所述吸气元件(480)具有第一区段(481)和相对所述第一区段(481)电绝缘的第二区段(482)，

其中，所述第一区段(481)与所述电极(441)导电连接，

其中，所述第二区段(482)与另一电极(442)导电连接。

4.根据以上权利要求中任一项所述的微机械构件(12，13，14，15)，其中，所述吸气元件(480)与所述活动元件(220)至少部分相对置地布置在所述空腔(210)中。

5.根据以上权利要求中任一项所述的微机械构件(14，15)，

其中，所述盖芯片(400)具有止挡元件(500)，

其中，所述吸气元件(480)比所述止挡元件(500)更远地与所述活动元件(220)间隔开。

6.根据权利要求5所述的微机械构件(14)，其中，所述止挡元件(500)构造在至少部分遮盖所述布线层(460)的绝缘体层(450)中。

7.根据权利要求5所述的微机械构件(15)，其中，所述止挡元件(500)是导电的。

8.一种用于制造微机械构件(11，12，13，14，15)的方法，所述方法具有以下步骤：

提供具有活动元件(220)的传感器芯片(100)；

提供具有布线层(440，460)的盖芯片(400)，所述布线层具有导电电极(441，442，461)；

在所述盖芯片(400)上布置吸气元件(480)；

将所述传感器芯片(100)与所述盖芯片(400)如此连接，使得在所述传感器芯片(100)和所述盖芯片(400)之间形成空腔(210)，在所述空腔中布置所述活动元件(220)和所述吸气元件(480)。

9.根据权利8所述的方法，其中，如此布置所述吸气元件(480)，使得其与所述电极(441，442，461)导电连接。

10.根据权利8和9中任一项所述的方法，其中，所述方法具有以下另外的步骤：

去除所述盖芯片(400)的上侧(401)上的另一布线层(440)和/或绝缘体层(450)的一部分以便形成凹部(490)，其中，将所述吸气元件(480)布置在所述凹部(490)中。