CN110606465A - 用于制造包括第一和第二微机电元件的系统的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造包括第一微机电元件(10)和第二微机电元件(20)的系统(1)的方法，在第一步骤中提供基底(2)和罩元件(3)，其中，在基底(2)上在第一微机电元件的周围环境内的第一区域(11)中和/或在罩元件(3)上在第一对应区域(12)中布置吸气剂材料(4)，在第二步骤中将罩元件(3)借助晶片键合技术布置在基底(2)上，使得构成封闭的第一腔室(13)和第二腔室(23)，第一腔室包括第一微机电元件(10)以及第一区域(11)和/或第一对应区域(12)，第二腔室包括第二微机电元件(20)，在第三步骤中在第二腔室(23)中产生开口(30)，在第四步骤中在第一周围环境压力下封闭将开口(30)。本发明还涉及一种相应的系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造包括第一微机电元件和第二微机电元件的系统的方法。
背景技术
用于测量例如加速度、转速磁场或压力的微机电传感器是已知的，并且在晶片级大量制造，以用于汽车领域和消费领域中的各种应用。在该领域中的发展决定性地受到元件进一步小型化的驱动，由此可以节省空间和成本。相应地，至少两个不同的微机电系统布置在一个芯片上的系统变得越来越重要，由此可以在相同安装空间上实现更多功能，并且集成密度(即在相同安装空间上实现更多功能)得以提高。这种布置需要特殊的制造方法，其允许将类型的传感器，例如转速传感器和加速度传感器，布置在狭窄的安装空间中。然而，这种系统的问题在于，不同类型的传感器对于它们各自的最佳功能需要不同的周围环境压力。相应地，需要这样的制造方法：其能够在一个芯片上提供具有不同腔室压力的不同传感器。
从现有技术中已知各种用于对两个空腔设定不同内压力的方法。例如从EP2004542 B1中已知，两个腔中的具有微机电(MEMS)构件的第一腔设置有吸气剂材料，并且基底和罩的键合在具有可被第一吸气剂材料吸收的至少一种气体种类的气体气氛中进行。由此可以基于吸气剂材料的吸收性能在吸气剂材料激活之后在第一腔中实现比在第二腔中低的内压力。
然而，这种方法的问题在于，晶片键合工艺中经常需要高温。例如，在最常见的金属键合方法中，即在晶片与铝和锗的共晶合金键合时，需要430℃以上的温度以形成共晶相。然而，对于大多数常见的吸气剂材料，在明显低于该温度(在300℃以上的范围内)时已经开始激活。相应地发生，在吸气剂激活时，尽管在晶片上具有高的挤压力，但所形成的腔/空腔的键合框尚未完全气密地密封。因此，一方面可能发生一个传感器(例如转速传感器)的含吸气剂材料空腔与另一个传感器(例如加速度传感器)的无吸气剂材料空腔之间的气体交换。另一方面可能发生芯片相互间和芯片之间在外部晶片边缘和键合室处的气体扩散。在第一种情况下，加速度传感器的空腔会间接地并且不希望地被转速传感器空腔中的吸气剂部分抽抽空。在另一种情况下，在晶片边缘始终会有新鲜气体补充扩散进入芯片中，直到转速传感器空腔中的吸气剂的吸收能力耗尽。总之，因而可能发生加速度传感器的腔室中的内压力太小而转速传感器的腔室中的内压力太大。
从US 2012 0326248 A1中已知另一种方法。在这里，在将空腔封闭之后打开其中一个空腔，设定合适的压力并且然后再将该空腔封闭。这里的缺点是，在事后对元件施加以较高温度(例如在后续工艺步骤中，如在对晶片进行进一步处理时或者也在将各个构件焊接到应用电路板上时的回火步骤)时会从晶片的不同部分(例如从CMOS后端的氧化物层(metal-oxide stack，金属氧化物堆叠))释放出吸着的工艺气体如H2或者可能氩，这可能导致空腔内压的不期望的巨大提高。即使通过进一步使制造过程复杂化地施加附加的排气障碍(例如金属层或电介质层)，也不能在所有情况下可靠地防止这些问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于制造包括第一微机电元件和第二微机电元件的系统的方法，利用该方法可以特别鲁棒地提供用于微机电元件的内压力/运行压力。
根据本发明，提出一种用于制造包括第一微机电元件和第二微机电元件的系统的方法，该方法包括以下步骤：
-在第一步骤中，提供具有所述第一微机电元件和所述第二微机电元件的基底以及罩元件，其中，在基底上在所述第一微机电元件的周围环境内的第一区域中和/或在所述罩元件上在第一对应区域中布置吸气剂材料，
-在第二步骤中，在第一步骤之后，将罩元件借助晶片键合技术这样布置在基底上，使得构成封闭的第一腔室，所述第一腔室包括第一微机电元件以及第一区域和/或第一对应区域，其中，还构成封闭的第二腔室，所述第二腔室包括第二微机电元件，
-在第三步骤中，在第二步骤之后，在第二腔室中产生开口，
-在第四步骤中，在第三步骤之后，在第一周围环境压力、特别是第一气体压力下，将开口封闭。
根据本发明的用于制造包括第一微机电元件和第二微机电元件的系统的方法与现有技术相比具有的优点是，可以消除例如由在晶片键合时第一和第二腔室之间尚未突显的气密密封或者由后来释放吸着的气体而产生的问题。第二步骤中的晶片键合可以在可任意确定的压力下进行，例如甚至在非常低的压力下，该压力必要时可以低于用于运行第二微机电元件的理想压力。而第二微机电元件的内压力可以有利地以后在第四步骤中才借助选择第一周围环境压力而在封闭开口时确定。因此，根据本发明，通过在第一室中布置吸气剂材料与第三和第四步骤结合能够实现，即使在晶片键合期间已经发生吸气剂材料(部分)激活的情况下，也可以有利地进行腔室压力的可靠设定，尤其因为在晶片键合期间腔室中和键合空间中的压力不必很高。因此，即使在这种情况下也可以有利地避免吸气剂材料的饱和。根据本发明也可以是，稍后释放吸着的工艺气体(例如H2)不会无意地提高第一腔室中的压力，因为布置在那里的非饱和吸气剂材料可以吸着这种气体。相应地，根据本发明可以是，确保一种特别鲁棒的方法，利用该方法能够设定腔室内的不同内压力。另一个优点是，当在第四步骤中封闭开口时，可以灵活地选择气体类型和第一周围环境压力。因此，通过选择第一周围环境压力，可以使第二腔室中的内压力适配于第二微机电元件的应用要求。根据本发明，借助于第三和第四步骤，可以在整个晶片上非常均匀地设定第二腔室中的内压力分布。
通过使用吸气剂材料以便事后降低第一腔室中的压力的已知方法不能实现这样的优点，特别是因为在这种情况下晶片键合步骤典型地在相对较高的压力下进行，以便提供足够高的第二腔室压力。
利用基于再封装技术的已知方法也不能实现本发明的优点。
进一步可以得知有利的扩展方案和实施方式。
通过第一微机电元件包括转速传感器而第二微机电元件包括加速度传感器，根据本发明的一个实施方式，有利地可以实现，在狭窄的空间中布置转速传感器和加速度传感器，其中，提供一种工艺，通过该工艺可以确保这些类型传感器的不同的理想运行压力。
通过晶片键合技术包括金属键合方法，优选铝-锗键合方法，根据本发明的一个实施方式，有利地可以实现，尽管在晶片键合期间存在对于金属键合方法而言典型的高温，仍可以确保第一和第二腔室中的期望压力。有利地，根据本发明，也可以最小化或抑制由于吸气剂材料提前激活(而第一和第二腔室在晶片键合时还未完全气密地密封)而可能出现的问题。
通过在第二步骤期间构造第一和第二腔室时第二周围环境压力、特别是第二气体压力为主，根据本发明的一个实施方式，可以实现，第二周围环境压力可以有利地适应第一微机电元件的要求。特别优选，第二周围环境压力选择的小，使得在第二步骤之后相应地在腔室中存在低的内压力。因此，即使通过潜在的工艺气体后续放气，借助吸气剂材料也可以确保，为第一微机电元件确保最佳的运行压力。其可能实现的原因优选在于，吸气剂材料在其激活后不必降低第一腔室中的内压力，因为第二周围环境压力已经可以选择得低。相应地使吸气剂材料饱和的风险最小化。通过在第二步骤期间选择低的第二周围环境压力，还得到其他优点。尤其是，吸气剂材料所需的总吸附容量小于在较高气压下将会吸着的吸气容量。因此可以减小吸气剂的层厚度，这节省了吸气剂沉积时的工艺成本。替换地或附加地，由此可以减少要用吸气剂材料覆罩的面积。这可以创造设计自由度。例如可以想到，将吸气剂材料与大多在垂直方向上可运动的MEMS结构(特别是第一微机电元件)在横向上错开地布置。以这种方式可以防止MEMS元件在机械过载时碰撞到吸气剂表面上并且发生磨损或颗粒形成。
可以想到，在第二步骤中的晶片键合期间可以设定一种(或多种)惰性气体的小分压。由此有利地可以实现，将第一微机电元件的以后的内压力特别精确地设定在第一微机电元件的期望运行压力的范围内，因为惰性气体原子不被(吸气剂材料)吸附。第一腔室以后的内压力仍然可以优选相当于在第二步骤期间(或者说晶片键合期间)设定的(惰性气体)分压。相应地，在第二步骤期间可以使用限定的气体气氛。
尤其可以想到，第二周围环境压力(或惰性气体的分压)处于第一微机电元件的理想运行压力的范围内，例如在0.1和2毫巴之间，特别是在第一微机电元件包括加速度传感器的情况下。
通过第一周围环境压力处于50和1000毫巴之间，其中，第四步骤优选在限定的气体气氛中进行，该气体气氛尤其具有氮气和/或至少一种惰性气体，根据本发明的一种实施方式可以实现，在第四步骤之后在腔室中设定的内压力处于50和1000毫巴之间并且因此适应于特定传感器类型(例如加速度传感器)的最佳运行压力。同时，这种相对高的第一周围环境压力不会不利地影响第一腔室的内压力，因为第一腔室在第三和第四步骤中有利地保持气密地封闭。例如可以是，在第四步骤期间限定的气体气氛包括氮气、氖气和/或氩气，或者由这些组分的组合组成。
通过在第三步骤中借助沟槽方法或激光钻孔方法构造开口，根据本发明的一个实施方式可以实现，提供一种特别有效且可能成本有利的用于构造开口的方法。
通过在第三步骤中在基底中或在罩元件中产生所述开口，根据本发明的一个实施方式可以实现，第二腔室在第三步骤中失去其相对于周围环境的密封。
通过在第四步骤中借助激光封装或借助层沉积方法封闭所述开口，根据本发明的一个实施方式可以实现，确保第二腔室的特别有效且气密地密封的封闭。
通过在第一步骤中所述吸气剂材料和/或另一吸气剂材料附加地在基底上布置在第二微机电元件的周围环境中的第二区域中和/或在罩元件上布置在第二对应区域中，其中，在第二步骤中构造的第二腔室附加地包括所述第二区域和/或所述第二对应区域，根据本发明的一个实施方式可以实现，可以进一步改进地设定第二腔室中的压力。相应地可以实现一种工艺，该工艺具有进一步改善的抗干扰鲁棒性。
通过罩元件包括CMOS晶片元件，根据本发明的一个实施方式可以实现，提供一种CMOS兼容工艺。
根据本发明，还提出一种系统，包括具有第一微机电元件和第二微机电元件的基底并且还包括罩元件，其中，所述基底和所述罩元件置成使得第一微机电元件布置在封闭的第一腔室中，其中，第一腔室具有吸气剂材料，其中，第二微机电元件布置在封闭的第二腔室中，其中，所述第二腔室包括密封或封闭的开口。
根据本发明的系统包括具有第一微机电元件和第二微机电元件的基底，并且还包括罩元件，根据本发明的一个实施方式，该系统与现有技术相比具有已经结合用于制造系统的本发明方法或用于制造系统的本发明方法的实施例所描述的优点。
附图说明
附图中示出了本发明的实施例，并且在下面的说明书中更详细地解释本发明的实施例。
图1示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统的方法在第一步骤之后的示意图。
图2示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统的方法在第二步骤之后的示意图。
图3示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统的方法在第三步骤之后的示意图。
图4示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统的方法在第四步骤期间的示意图。
图5示出用于制造根据本发明第二实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。
图6示出用于制造根据本发明第三实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。
图7示出用于制造根据本发明第四实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。
图8示出用于制造根据本发明第五实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。
在不同的附图中，相同的部件总是设置有相同的附图标记，因此通常也仅命名或提到一次。
具体实施方式
图1示出了用于制造根据本发明第一实施方式的系统1的方法在第一步骤之后的示意图。同时示出基底2，其上布置有第一微机电元件10和第二微机电元件20。第一和第二微机电元件10，20例如是不同类型的传感器，它们对于各自的理想运行需要不同的周围环境压力。例如第一微机电元件10可以是转速传感器，第二微机电元件20可以是加速度传感器。此外示出了罩元件3。在罩元件3上的第一对应区域12中布置/施加有吸气剂材料4。替换地或附加地，吸气剂材料4也可以布置在基底2上的第一区域11中以及第一微机电元件10的附近。然而，在图1所示的实施方式中，第一区域11没有吸气剂材料4。附加地，在所示实施方式中，另一吸气剂材料5被施加在罩元件3上的第二相对区域22中。该另一吸气剂材料5可以是与吸气剂材料4相同的材料或者也可以是另一种吸气剂。对于该另一吸气剂材料5的所示布置替代或补充地，可以想到，另一吸气剂材料5布置在基底2上的第二区域21中以及第二微机电元件20的附近。
图2示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统1的方法在第二步骤之后或期间的示意图。在第二步骤中，通过晶片键合技术将基底2和罩元件3聚集到一起，使得构成第一腔室13和第二腔室23。在此，在第一腔室13内布置有第一微机电元件10和吸气剂材料4。第二腔室23包括第二微机电元件20和另一吸气剂材料5。在两个腔室13，23之间，为了分隔腔室13，23，构成分隔腹板7。基底2和罩元件3借助键合框6连接。该晶片键合技术优选是金属键合方法，特别是铝-锗键合工艺。第二步骤，也就是晶片键合，可以有利地在低的第二周围环境压力下进行，该第二周围环境压力例如相当于第一微机电元件10的理想运行压力。该第二周围环境压力相应地对于紧接在第二步骤之后的腔室13，23中的内压力也是决定性的。对于转速传感器，这种理想运行压力典型地在良好真空的范围内，特别是在0.1和2毫巴之间。通过选择这样低的第二周围环境压力，可以有利地阻止在第二步骤期间第一腔室13中的吸气剂材料4的饱和，因为即使在键合框6(在晶片键合过程中)还没有或者没有直接将两个腔室13，23气密地密封并且吸气剂4已经被键合过程中使用的温度激活的情况下，也没有大量气体从第二腔室23(或从周围环境)补充流入到第一腔室13中。
图3示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统1的方法在第三步骤之后的示意图。在第三步骤中，在第二腔室23中产生开口30，例如借助沟槽方法或借助激光钻孔方法。在此，借助开口30使第二腔室23通风，使得在构成开口30之后可以发生与周围环境的气体交换。
图4示出用于制造根据本发明第一实施方式的系统1的方法在第四步骤期间的示意图。通过构成用于开口30的封闭件31或密封件31，第二腔室23在第四步骤中被气密地密封。在所示实施方式中，封闭件31或密封件31借助激光封装方法32构成。也可以考虑其他方法，例如层沉积。第四步骤在第一周围环境压力下进行，该第一周围环境压力原则上可独立于第二周围环境压力进行调节。第二周围环境压力优选选择得很低，以便确保第一腔室13中的用于运行第一微机电元件10的最佳内压力，而第四步骤期间的第一周围环境压力可以选择得明显较高。例如第一周围环境压力可以在50和1000毫巴之间，这导致第二腔室23中的内压力对于加速度传感器的运行是最佳的。尤其可以想到，第四步骤期间的气体气氛以及因此在第四步骤之后封闭在第二腔室23中的气体主要包括氮气和/或惰性气体，或者由这些组分中的一种或多种组成。因此，可以有效地调节第二腔室23中的内压力。以后放气的工艺气体(例如H2)则被另一吸气剂材料5吸收，使得有利地保持该内压力。相应地，以后放气的工艺气体在第一腔室13中也被吸气剂材料4吸收。
图5示出了用于制造根据本发明第二实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。第二实施方式相应于第一实施方式(图1至图4)，不同之处在于，在第二腔室23中没有布置另一吸气剂材料5。
图6示出了用于制造根据本发明第三实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。第三实施方式相应于图1至图4中所示的第一实施方式，不同之处在于，第三腔室23的开口30在第三步骤中不是在罩元件3中产生，而是在基底2中产生。相应地，开口30的封闭件31也布置在基底2上。
图7示出了用于制造根据本发明第四实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。在此，第四实施方式基本上包括第二实施方式(图5)的特征。附加地，罩元件3或者说罩晶片包括CMOS晶片元件8。在所示的第四实施方式中，在第三步骤中穿过罩元件3并穿过CMOS晶片元件8构成开口30，以使第二腔室23通风。相应地，开口30在第四步骤中在罩元件3的区域中被封闭件31密封。附加地存在贯通接触部9(TSV)，利用该贯通接触部9可以使CMOS晶片元件8中的电子部件触通。该构造方式还包括布线层面和用于安装在电路板上的焊球33。当使用CMOS晶片时，本发明具有特别的优点，因为晶片键合后的放气风险特别高。
图8示出了用于制造根据本发明第五实施方式的系统的方法在第四步骤之后的示意图。第五实施方式基本上包括第四实施方式(图7)的特征。然而，与第四实施方式不同，第三步骤中开口30不是构造在罩元件3和CMOS晶片元件8中，而是在基底2中。相应地，开口30的封闭件31也位于基底2上。附加地，在第五实施方式中，在第二腔室23中布置有另一吸气剂材料。
Claims (12)
1.一种用于制造包括第一微机电元件(10)和第二微机电元件(20)的系统(1)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-在第一步骤中，提供具有所述第一微机电元件(10)和所述第二微机电元件(20)的基底(2)以及罩元件(3)，其中，在基底(2)上在所述第一微机电元件(10)的周围环境内的第一区域(11)中和/或在所述罩元件(3)上在第一对应区域(12)中布置吸气剂材料(4)，
-在第二步骤中，在第一步骤之后，将罩元件(3)借助晶片键合技术这样布置在基底(2)上，使得构成封闭的第一腔室(13)，所述第一腔室包括第一微机电元件(10)以及第一区域(11)和/或第一对应区域(12)，其中，还构成封闭的第二腔室(23)，所述第二腔室包括第二微机电元件(20)，
-在第三步骤中，在第二步骤之后，在第二腔室(23)中产生开口(30)，
-在第四步骤中，在第三步骤之后，在第一周围环境压力、特别是第一气体压力下，将开口(30)封闭。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一微机电元件(10)包括转速传感器，并且所述第二微机电元件(20)包括加速度传感器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述晶片键合技术包括金属键合方法，优选铝-锗键合方法。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第二步骤期间构造第一和第二腔室(13，23)时，存在第二周围环境压力、特别是第二气体压力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一周围环境压力在50和1000毫巴之间，其中，所述第四步骤优选在限定的气体气氛中进行，所述气体气氛特别是具有氮气和/或至少一种惰性气体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第三步骤中借助沟槽方法或激光钻孔方法构造所述开口(30)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第三步骤中在所述基底(2)中或在所述罩元件(3)中产生所述开口(30)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第四步骤中借助激光封装(32)或借助层沉积方法封闭所述开口(30)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第一步骤中，附加地在所述基底(2)上在所述第二微机电元件(20)的周围环境内的第二区域(21)中和/或在所述罩元件(3)上在第二对应区域(22)中布置所述吸气剂材料(4)和/或另一吸气剂材料(5)，其中，在第二步骤中构造的第二腔室(23)附加地包括所述第二区域(21)和/或所述第二对应区域(22)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述罩元件(3)包括CMOS晶片元件(8)。
11.一种系统(1)，包括具有第一微机电元件(10)和第二微机电元件(20)的基底(2)并且还包括罩元件(3)，其中，所述基底(2)和所述罩元件(3)布置成使得第一微机电元件(10)布置在封闭的第一腔室(13)中，其中，第一腔室(13)具有吸气剂材料(4)，其中，第二微机电元件(20)布置在封闭的第二腔室(23)中，其特征在于，所述第二腔室(23)包括密封或封闭的开口(30)。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述开口(30)包括激光封装或沉积层作为封闭件(31)或密封件(31)。
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