CN111315681B - 具有遮盖的键合框的微机械设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械设备，该微机械设备具有平行于主延伸平面(40)彼此相叠地布置的衬底(10)、功能层(20)和罩(30)，其中，在所述功能层(20)中构造有腔(50)，该腔由键合框(60)围绕，该键合框平行于所述主延伸平面(40)地走向，其中，所述罩(30)与所述键合框(60)连接。本发明的核心在于，所述腔(50)在垂直于所述主延伸平面(40)的方向(45)上部分地布置在键合框(60)和衬底(10)之间。本发明还涉及一种用于制造微机械设备的方法。

Description

具有遮盖的键合框的微机械设备
技术领域
本发明涉及一种具有平行于主延伸平面彼此相叠地布置的衬底、功能层和罩的微机械设备，其中，在功能层中构造有腔，该腔由键合框围绕，该键合框平行于主延伸平面地走向，其中，罩与键合框连接。
背景技术
MEMS元件需要用于针对不希望的环境影响、例如颗粒、湿气屏蔽敏感的测量结构的封罩部。罩与MEMS元件(传感器)的连接根据现有技术通过键合连接实现。典型的方法是密封玻璃键合和共晶键合。但也使用针对该连接的另外的键合方法。
所有的键合方法共同的是，围绕传感器必须保持空出一区域，在该区域中发生罩和MEMS元件之间的键合连接。该区域被称为键合框。采取巨大的努力来减小键合框的宽度并且由此降低所需的芯片面积并且因此降低费用。
在保持键合框宽度的情况下减小芯片面积时得出，键合框关于整个芯片面积的面积分量按百分比增大。因此，用于传感器元件的芯片面积必须比例过大地减小，以便以期望的百分比量值减小整个芯片面积。
但是键合框的宽度不能任意地减小，因为键合连接部的多个特性不同于罩和MEMS元件的固有特性。这样键合连接部的强度、化学稳定性和密度大部分小于罩和MEMS元件的这些特性。因此，键合框宽度大部分受键合连接部的特性限制。因此，通常将许多花费用在键合连接部的特性的优化上。本发明示出如何能够在保持键合框宽度和键合特性并且同时最小化地减小用于传感器元件的面积的情况下减小整个芯片尺寸的可能性。此外在现有技术中不利的是，对于可运动的MEMS结构大部分使用针对从衬底平面中出来的运动的止挡设计，该止挡设计将止挡部设置在罩中。在此可能的间距、间距的改变和这些止挡部的位置与键合连接部有关并且因此受到非常多的限制。
此外在现有技术中不利的是，需要昂贵地结构化的罩。
发明内容
本发明允许在保持键合框宽度并且同时最小化地减小传感器元件的面积的情况下减小芯片面积。
本发明涉及一种具有平行于主延伸平面彼此相叠地布置的衬底、功能层和罩的微机械设备，其中，在功能层中构造有腔，该腔由键合框围绕，该键合框平行于主延伸平面地走向，其中，罩与键合框连接。本发明的核心在于，腔在垂直于主延伸平面的方向上部分地布置在键合框和衬底之间。
根据本发明的设备的有利构型设置为，在功能层中构造有微机械结构，该微机械结构布置在腔中并且微机械结构在垂直于主延伸平面的方向上部分地布置在键合框和衬底之间。有利地，由此可以使芯片面积最大化地用于微机械结构。根据本发明的设备的有利构型设置为，在功能层上方、在键合框下方布置有中间层、尤其是多晶硅层。有利地，在该中间层上可以施加键合框。
本发明也涉及一种用于制造微机械设备的方法，所述方法具有以下步骤：
(A)提供衬底；
(B)在衬底上制造功能层；
(C)将氧化物层沉积在功能层上；
(D)将中间层沉积在氧化物层上；
(E)移除中间层的一些部分，其中，中间层至少在键合框的区域中保留；
(F)移除氧化物层，其中，产生腔，该腔部分地在键合框的区域中的中间层和功能层之间延伸；
(G)将罩键合到键合框上。
根据本发明的方法的有利构型设置为，沉积作为中间层的多晶硅层。也有利的是，在步骤(B)之后并且在步骤(C)之前在功能层中形成微机械结构并且在步骤(C)中通过氧化物遮盖该微机械结构。在此，特别有利的是，在步骤(C)之后并且在步骤(D)之前在键合框的区域中将凹部蚀刻到氧化物中，该凹部在步骤(D)中通过中间层的材料填充，以便在键合框下方制造用于微机械结构的止挡部。
尤其在具有可运动的微机械结构、即真正的传感器元件的微机械传感器中，本发明有利地引起芯片尺寸相对于键合框宽度的解耦。这由此实现：将键合框布置在传感器元件上方并且将传感器元件的一部分拉到键合框下方。由此可以同时将键合框面用于多个功能。这能够在减小传感器芯片的芯片尺寸时使真正的传感器元件更大地构型，这能够实现传感器的例如噪声方面的提升的性能。另一方面，可以在实现传感器的期望的性能(和面积)的情况下附加地减小芯片面积，因为传感器的部件实现在键合框下方。这允许芯片面积的附加减小并且因此允许制造费用的附加减小。此外，键合框也可以非常强烈地增大，这在不增加芯片面积的同时导致键合框的提升的稳定性，或者允许使用更有利的键合方法，所述键合方法即使在非常小的构件的情况下也能够实现较小的强度。由此例如可以通过更简单的密封玻璃键合方法代替费事的昂贵的共晶键合连接。此外，通过该设计能够实现更好的并且更精确的止挡设计。
本发明可以用于宽的传感器谱。这还包括加速度传感器、转速传感器、组合元件(在一个芯片上的加速度和转速传感器)，也包括另外的新型传感器，所述新型传感器力求芯片面积的减小或制造费用的减小。该方案尤其对于具有同时作为用于MEMS构件的罩起作用的ASIC的设计而言是重要的。在这种设计中，ASIC面和MEMS面迄今必须尽可能地一致，以便不产生附加费用。通过根据本发明的解决方案能够以合适的附加费用在相同的基面上构造较大的MEMS芯。这样一方面获得在ASIC和MEMS之间的面积关系中的灵活性，并且同时可以减小总构件的结构尺寸。
附图说明
图1示出现有技术中的具有衬底、微机械结构、键合框和罩的微机械设备。
图2示出根据本发明的具有衬底、微机械结构、遮盖的键合框和罩的微机械设备。
图3示意性示出用于制造具有衬底、微机械结构、遮盖的键合框和罩的微机械设备的方法。
具体实施方式
现有技术中的微机械设备和根据本发明的具有遮盖的键合框的微机械设备的示意性对照图在图1和2中以横截面示出。
图1示出现有技术中的具有衬底、微机械结构、键合框和罩的微机械设备。示出的是具有平行于主延伸平面40彼此相叠地布置的衬底10、功能层20和罩30的微机械设备。在此，在功能层20中构造有腔50，该腔由键合框60围绕。在功能层20中还构造有微机械结构25。罩30与键合框60连接。罩30具有用于限界功能层20的垂直于主延伸平面40的偏移的罩止挡部35。
图2示出根据本发明的具有衬底、微机械结构、遮盖的键合框和罩的微机械设备。不同于在图1中示出的设备，在这里在垂直于主延伸平面40的方向45上，腔50部分地布置在键合框60和衬底10之间。也就是说，腔50也部分地在键合框60下方延伸。在该实施例中，微机械结构25同样也部分地在键合框60下方延伸。在此，在键合框下方还保留有用于键合接片70的空间，该键合接片在平行于主延伸平面40的方向上比键合框60窄。
在优选的实施例中，微机械设备构型为微机械传感器。键合接片在传感器芯的高度上比键合框窄。传感器芯部分地在键合框下方伸出。在键合框区域中在传感器芯上方布置有中间层、优选多晶硅层。在过载的情况下，传感器芯优选撞击在键合框区域的下侧上。可选地，在键合框区域的下侧上布置有止挡结(Anschlagsnoppen)。罩晶片可以具有传感器腔，以便实现尽可能大的体积。在成本有利的实施方式中，可以取消传感器腔。在特别小型构建的变型方案中，罩可以通过分析处理ASIC替代。在传感器腔中设置有电连接部，该电连接部使传感器芯与ASIC连接。在优选的变型方案中，这些接触部以相同的方式并且与键合框一起制造。
图3示意性示出用于制造具有衬底、微机械结构、遮盖的键合框和罩的微机械设备的方法。所述方法至少包含以下步骤：
(A)提供衬底；
(B)在衬底上制造功能层；
(C)将氧化物层沉积在功能层上；
(D)将中间层沉积在氧化物层上；
(E)移除中间层的一些部分，其中，中间层至少在键合框的区域中保留；
(F)移除氧化物层，其中，产生腔，该腔部分地在键合框的区域中的中间层和功能层之间延伸；
(G)将罩键合到键合框上。
在实施例中制造微机械传感器。在此，在衬底上制造传感器元件。传感器元件通过至少一个氧化物沉积部填充。在特别有利的变型方案中，传感器元件的制造和氧化物沉积这样实施，使得产生空穴，所述空穴达到之后的键合框下方。可选地，在键合框区域中将凹部蚀刻到氧化物中，以便产生在键合框区域下方的止挡部。可选地，进行到氧化物中的接触蚀刻。在优选的实施例中，接触接片包围整个传感器芯。执行中间层的层沉积。优选地，沉积多晶硅层。可选地，使键合连接部的一个或多个组件沉积并且结构化。多晶硅层被蚀刻。通过牺牲层蚀刻方法使传感器芯露出。优选地，使用借助气态氢氟酸工作的蚀刻步骤。在键合框下方通过空穴沿水平方向加速地去除氧化物。提供罩晶片并且将该罩晶片键合到传感器晶片上。

Claims (7)

1.微机械设备，该微机械设备具有平行于主延伸平面(40)彼此相叠地布置的衬底(10)、功能层(20)和罩(30)，
-其中，在所述功能层(20)中构造有腔(50)，该腔由键合框(60)围绕，该键合框平行于所述主延伸平面(40)地走向，
-其中，所述罩(30)与所述键合框(60)连接，其特征在于，所述腔(50)在垂直于所述主延伸平面(40)的方向(45)上部分地布置在键合框(60)和衬底(10)之间，
其中，在所述功能层(20)上方、在所述键合框(60)下方布置有中间层(80)。
2.根据权利要求1所述的微机械设备，其特征在于，在所述功能层中构造有微机械结构(25)，该微机械结构布置在所述腔中，并且所述微机械结构(25)在垂直于所述主延伸平面(40)的所述方向(45)上部分地布置在键合框(60)和衬底(10)之间。
3.根据权利要求1或2所述的微机械设备，其特征在于，所述中间层(80)是多晶硅层。
4.用于制造微机械设备的方法，具有以下步骤：
(A)提供衬底；
(B)在所述衬底上制造功能层；
(C)将氧化物层沉积在所述功能层上；
(D)将中间层沉积在所述氧化物层上；
(E)移除所述中间层的一些部分，其中，所述中间层至少在键合框的区域中保留；
(F)移除所述氧化物层，其中，产生腔，该腔部分地在所述键合框的区域中的中间层和所述功能层之间延伸；
(G)将罩键合到所述键合框上。
5.根据权利要求4所述的用于制造微机械设备的方法，其特征在于，沉积多晶硅层作为中间层。
6.根据权利要求4或5所述的用于制造微机械设备的方法，其特征在于，在步骤(B)之后并且在步骤(C)之前在所述功能层中形成微机械结构并且在步骤(C)中通过氧化物遮盖该微机械结构。
7.根据权利要求6所述的用于制造微机械设备的方法，其特征在于，在步骤(C)之后并且在步骤(D)之前在所述键合框的区域中将凹部蚀刻到所述氧化物中，该凹部在步骤(D)中通过所述中间层的材料填充，以便在所述键合框下方制造用于所述微机械结构的止挡部。
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