DE10035564A1 - Mikromechanisches Gehäuse - Google Patents

Abstract

Bisherige mikromechanische Gehäuse, die aus zwei zusammengesetzten Wafern hergestellt werden, weisen im Kontaktbereich meist eine Glasfrittenverbindung auf, welche aufgrund ihrer großen Abmessung die Unebenheiten zwischen den beiden zusammengesetzten Wafern ausgleicht. DOLLAR A Um ein mikromechanisches Gehäuse mit kleinsten Abmessungen zu erhalten, wird bei der Herstellung des Wafers eine Niveauausgleichschicht neben der Leiterbahnschicht unterhalb des Kontaktbereichs angeordnet. Wird darüber eine Planarisierungsschicht angebracht, die eine ebene Oberfläche ausbildet, so entsteht eine ebene Fläche, die sich mit einer anderen mittels Waferbond einfach verbinden lässt. DOLLAR A Derartige Gehäuse eignen sich für mikromechanische Sensoren, insbesondere Beschleunigungssensoren, im Kraftfahrzeugbereich.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bisherige mikromechanische Gehäuse bestehen aus einem Trägersubstrat, in das eine mikromechanische Struktur aufgebracht ist und das Leiterbahnen aufweist, die beispielsweise mit einer externen Auswerteschaltung zur Signalauswertung in Verbindung stehen. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchte und Staub, muss der hierfür empfindliche Teil einer solchen Anordnung mit einer Deckelkappe geschützt werden. Diese Deckelkappe muss derart mit dem Trägerelement verbunden sein, dass sich eine dichte Verbindung vor allem an den Stellen ausbildet, an denen die Leiterbahnen vom abgedeckten Bereich in den nicht abgedeckten Bereich herausgeführt werden. Die Abdichtung des empfindlichen Teils des Trägersubstrats mittels Deckelkappe erfolgt in der Regel bei mikromechanischen Gehäusen, indem zwei Wafer miteinander verbunden werden, wobei der eine Wafer mehrere gleiche Bauteile mit der mikromechanischen Struktur aufweist und der andere Wafer die Deckelkappen ausbildet, so dass nach dem Verbinden ein zusammengesetzter Wafer entsteht. Wird ein solcher zusammengesetzter Wafer vereinzelt, entstehen Bauteile, die sich bereits in einem hermetisch dichten Gehäuse befinden. Als Verbindungsmaterial zwischen den beiden Wafern werden häufig Glasfritten verwendet, die ringförmig an der Deckelkappe bzw. um den zu bedeckenden Teil des Trägersubstrats angeordnet sind und die beim Zusammenfügen der beiden Wafer verschmolzen werden. Diese Glasfrittenverbindung hat eine Dicke von ca. 50 µm-100 µm und weist eine Breite von ca. 500 µm auf. Sie wirkt aufgrund ihrer Aufbaudicke niveauausgleichend, da das Trägersubstrat entlang der Verbindungsstelle unterschiedliche Aufbauhöhen aufweist. Ferner bewirkt sie eine elektrische Isolierung zwischen Deckelkappe und Trägersubstrat.

Nachteilig bei einem solchen Aufbau ist, dass der Platzbedarf für die Deckelverbindung sehr groß ist und oftmals den Platzbedarf für das Nutzelement übertrifft. Auch ist das Bonden mit den Glasfritten aufwendig und aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und der relativ großen Schichtdicken mit einem hohen Stressfaktor für die Bauteile behaftet. Die Einstellung eines exakten Abstandes zum Deckwafer für das Unterbringen von Gegenelektroden ist praktisch nicht möglich.

In der EP 0 773 443 B1 wird ein kapazitiver Sensor offenbart. Hierbei werden zwei Halbleiterwafer mittels metallischem Waferbond miteinander verbunden. Bei diesem Waferbond handelt es sich um eine dünne metallische Lötverbindungen mit geringerem Platzbedarf. Das Aufbringen solcher metallischen Schichten auf den Wafern kann durch bekannte und übliche Herstellungsprozesse erfolgen.

Nachteilig hierbei ist, dass keine Einrichtung zur dielektrisch isolierten Herausführung von Leiterbahnen vorgesehen ist.

In der Veröffentlichung: "A designe-based approach to planarization in multilayer surface micromachining" von Raji Krishnamoorthy Mali, Thomas Bifano, David Koester aus dem Journal Micromech. Microeng. 9 (1999); S 294-S 299 ist eine Planisierungsmethode offenbart, die dadurch erreicht wird, dass der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden, benachbarten Schichten verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mikromechanisches Gehäuse aufzuzeigen, das geringe Abmessungen aufweist und einfach und zuverlässig herzustellen ist, ohne dass hierfür zusätzliche und aufwendige Prozessschritte benötigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird zumindest im Bereich der Kontaktfläche, die zwischen der Deckelkappe und der Hauptfläche ausgebildet ist, neben der Leiterbahnschicht eine Niveauausgleichsschicht in der gleichen Ebene angeordnet, die das Niveau unterhalb der Kontaktfläche auf die gewünschte Größe ausgleicht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind die sehr platzsparende Abdeckung mittels Zusammenfügen von zwei Wafern, die zusammen einen komplett gehäusten mikromechanischen Sensor z. B. auf Silizium-Basis ausbilden. Das Gehäuse des Sensors ist hermetisch dicht. Ein derartiger Aufbau der Wafer ermöglicht ein prozesssicheres und einfaches Zusammenfügen mit einer hohen Ausbeute von hermetisch dicht gehäusten mikromechanischen Sensoren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei haben die Niveauausgleichsschicht und die Leiterbahnschicht zumindest die gleiche Aufbauhöhe. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Niveauausgleichsschicht und die Leiterbahnschicht aus demselben Material in einem Arbeitsgang aufgebaut werden. Befindet sich ferner über der Niveauausgleichsschicht und der Leiterbahnschicht eine isolierende Planarisierungsschicht, welche die kleinen Lücken zwischen Leiterbahnschicht und Niveauausgleichsschicht auffüllt, so wird eine plane Oberfläche im gesamten Kontaktbereich zwischen Hauptfläche und Deckelkappe erzeugt, die wiederum eine einfache Montage der Deckelkappe ermöglicht und die Durchführung der Leiterbahnen durch das Substrat hermetisch dicht verschließt. Durch die dielektrisch isolierte Durchführung der Leiterbahnen ist ein solcher Aufbau auch für kapazitive Sensoren geeignet. Wird ferner der laterale Abstand zwischen Niveauausgleichsschicht und Leiterbahnschicht kleiner als der zweifache Wert der Schichtdicke der Planarisierungsschicht, so kann eine ausreichende Planarisierung rein durch Abscheiden der Schicht ohne weitere Prozessschritte erfolgen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Darstellung eines mikromechanischen Gehäuses.

Fig. 2 Erste Schnittdarstellung des mikromechanischen Gehäuses.

Fig. 3 Zweite Schnittdarstellung des mikromechanischen Gehäuses.

Fig. 1 zeigt ein mikromechanisches Gehäuse bestehend aus einem unteren Teil dem Trägersubstrat 14 und der Deckelkappe 5. Diese Bestandteile befinden sich ursprünglich auf einem Trägersubstrat-Wafer und einem Deckelkappen-Wafer auf denen mehrere identische Komponenten aufgebracht sind. Die beiden Wafer sind, wie nachstehend am Einzelbauteil beschrieben, verbunden. Danach werden sie vereinzelt, wobei das in den Figuren abgebildete Einzelgehäuse entsteht. Zur Verdeutlichung werden die einzelnen Komponenten, des eigentlich verschlossenen Einzelgehäuses, getrennt voneinander dargestellt. Der untere Teil - das Trägersubstrat - 14 besteht im wesentlichen aus einer Siliziumschicht 11, in dem die nicht dargestellten Sensorstrukturen angeordnet sind. Auf der Siliziumschicht ist eine Oxidschicht 10 aufgebracht. Die elektrischen Signale vom Sensor werden über Leiterbahnen 2, die aus der Siliziumschicht 11 über die Oxidationsschicht 10 hinweg verlaufen zu den Anschlusskontakten 12 geführt. Hierfür wird auf der Oxidschicht 10 eine partielle Metallschicht beispielsweise aus Aluminium aufgebracht, welche zum einen die Leiterbahn- 2 und zum anderen eine Niveauausgleichsstruktur 9 ausbildet. Die Leiterbahnstruktur 2 steht an den Durchführungsstellen 4, an denen die Leiterbahn 2 aus dem abgedeckten, hermetisch dichten Bereich, zu den Anschlusskontakten 12 herausgeführt nicht in Verbindung mit dem Niveauausgleich 9. Die Niveauausgleichsstruktur 9 ist nur an den Stellen ausgebildet, über denen der metallische Bondring 1 zum Verbinden mit der Deckelkappe 5 ausgebildet wird. Direkt unter dem metallischen Bondring 1 befindet sich eine Planarisierungsschicht 8, welche die Hauptfläche 7 im Bereich des darüber liegenden Bondringes 1 ebnet und Stufen im Bereich der Leiterbahndurchführung 4 ausgleicht, so dass ein planer Oberflächenbereich der Hauptfläche 7 unter dem Bondring 1 ausgebildet wird. Die Hauptfläche 7 des Aufbaus ist die Seitenoberfläche des einen Wafers bzw. des Sensors, die der Deckelkappe 5 zugewandt ist. Die Planarisierungsschicht 8 ist im Anwendungsbeispiel auch eine Isolatorschicht, die verhindert, dass die Leiterbahnstruktur 2 und die Niveauausgleichsstruktur 9 untereinander oder mit dem metallischen Bondring 1 in Kontakt kommen. Auf der ebenen Planarisierungsschicht 8 befindet sich eine weitere Metallschicht 1, die den Bondring 1 ausbildet. Dieser metallische Bondring 1 vom unteren Teil 14 wird mit dem metallischen Bondring 13 an der Deckelkappe 5 verbunden. Zusammengefügt bilden sie einen ringförmigen Kontaktbereich 3 aus, der eine hermetisch dichte Verbindung darstellt. Der Aufbau des Deckelkappen-Wafers bzw. der Deckelkappe 5 besteht aus Silizium. Auf der Seite, die dem Trägersubstrat 14 zugewandt ist, ragt eine ringförmige Struktur aus dem Silizium- Aufbau der Deckelkappe 5. Der Silizium-Aufbau ist ganzflächig mit Metall 6 überzogen, welches an der Ringstruktur 13 dazu dient, die mechanische Verbindung zum Trägersubstrat 14 herzustellen. Des weiteren sind in dieser Figur die Geraden AB und CD dargestellt, entlang derer die Schnitte in Fig. 2 und Fig. 3 verlaufen.

In einem anderen nicht dargestellten Anwendungsbeispiel können Leiterbahn- und Niveauausgleichsschicht aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die in unterschiedlichen Herstellungsprozessen aufgebracht werden. Auch kann es sich für weitere Anwendungsbeispiele als nützlich erweisen, dass die Niveauausgleichsschicht eine andere Aufbauhöhe aufweist, als die Leiterbahnschicht. Des weiteren muss die Niveauausgleichsschicht nicht durchgehend angeordnet sein, sondern kann auch Unterbrechungen aufweisen, die jedoch mit der Planarisierungsschicht ausgeglichen werden können.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Geraden AB aus Fig. 1. In dieser Darstellung ist der Schnitt entlang einer Leiterbahn 2 durch ein mikromechanisches Gehäuse dargestellt. Der untere Teil 14 - das Trägersubstrat­ weist eine Siliziumschicht 11 auf, in der sich die mikromechanischen Strukturen des Sensors befinden. Über der Siliziumschicht 11 befindet sich eine erste Isolatorschicht 10, die vor allem dazu dient, die Leiterbahn vom Siliziumsubstrat zu isolieren. Auf der Isolatorschicht 10 sind die Leiterbahnen 2 mit den Kontaktstellen 12 ausgebildet. Neben dieser Leiterbahnstruktur 2 auf der gleichen Ebene ist eine Niveauausgleichsschicht 9 angeordnet, die dazu dient Niveauunterschiede bezüglich der Aufbauhöhe unterhalb des Bondringes auszugleichen und damit die Anbringung der Deckelkappe 5 bzw. des Deckelkappen-Wafers zu erleichtern. Leiterbahnstruktur 2 und Niveauausgleichsstruktur 9 werden in einem Arbeitgang mit dem gleichen Material wie z. B. Al aufgebaut. Über der Leiterbahnstruktur 2 und der Niveauausgleichsstruktur 9 ist eine Isolationsschicht 8 angebracht, deren Oberfläche eine geschlossene, ebene, ringförmige Struktur aufweist. Auf diesem Ring wiederum ist der Bondring 1 aus beispielsweise Aluminium angeordnet. Mit diesem metallischen Bondring 1 wird die Deckelkappe 5 verbunden, die dann den darunter liegenden Teil der Hauptfläche 7 des Trägersubstrats 14 schützt. Zum Verbinden mit dem unteren Teil 14 und der Deckelkappe 5 wird auf der Deckelkappe 5 ganzflächig eine Metallschicht 6 aufgebracht, die sich mit dem darunter liegenden Bondring 1 bei Temperaturen von 450°C zu einem Metallring 3 verbindet, der eine hermetisch dichte Verbindung zwischen unterem Teil 14 und Deckelkappe 5 darstellt und der den Kontaktbereich darstellt. Die Deckelkappe weist im Anwendungsbeispiel auf der Unterseite eine ringförmige Struktur 13 auf, deren Größe passend zur darunter liegenden ringförmigen Struktur 1 des unteren Teils 14 ist. In einem nicht dargestellten Anwendungsbeispiel ist die Deckelkappe an der Unterseite plan ausgebildet und nicht wie im Anwendungsbeispiel mit einer ringförmigen Erhebung ausgestattet. Auf der planen Oberfläche der Deckelkappe ist ganzflächig oder partiell eine Metallisierungsschicht zum Zusammenfügen der Halbleiterwafer bzw. zur Ausbildung der hermetisch dichten Verbindung zwischen Deckelkappe und Trägersubstrat aufgebracht.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Geraden CD aus der Fig. 1. In dieser Darstellung ist der Schnitt senkrecht zur Leiterbahn durch ein mikromechanisches Gehäuse dargestellt. Das Trägersubstrat 14 besteht, wie bereits vorab beschrieben, aus einem Silizium-Aufbau 11, welcher die Sensorstrukturen aufweist. Über dem Silizium-Aufbau 11 befindet sich eine erste Isolatorschicht 10, auf der die Leiterbahnen aus dem Silizium-Aufbau geführt werden. Auf der Isolatorschicht 10, neben dieser Leiterbahnstruktur 2 auf der gleichen Ebene sind rechts und links Niveauausgleichsschichten 9 angeordnet, die dazu dienen, Niveauunterschiede bezüglich der Aufbauhöhe auszugleichen und damit die Anbringung der Deckelkappe zu erleichtern. Im Bereich der Durchführung 4 der Leiterbahnen 2 muss der Abstand a zwischen den Niveauausgleichsschichten 9 und der Leiterbahnschicht 2, welche unter der ringförmigen Anordnung angeordnet sind, einerseits groß genug sein, dass keine elektrischen Kontakte oder andere Wechselwirkungen zwischen den beiden Schichten 9, 2 entstehen und andererseits klein genug sein, dass der Spalt mit der Breite a beim Aufbringen einer weiteren Planarisierungsschicht 8 aufgefüllt wird, wobei die Planarisierungsschicht eine Schichtdicke d aufweist. Die Planarisierungsschicht 8 weist in dieser Schnittdarstellung eine plane Oberfläche auf. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Abstand a kleiner ist als die zweifache Dicke d der Planarisierungsschicht 8. Über der Leiterbahnschicht 2 und der Niveauausgleichsschicht 9 ist diese Planarisierungsschicht 8, die auch die Funktion einer Isolationsschicht aufweist, angeordnet. Die plane Oberfläche der Planarisierungsschicht 8 bildet eine geschlossene, ebene, ringförmige Struktur. Auf diesem Ring wiederum ist die Waferbondschicht 1 angeordnet. Mit dieser Schicht wird die Deckelkappe 5 verbunden, die dann den darunter liegenden Teil der Hauptfläche 7 schützt. Zum Verbinden mit dem unteren Teil 14 und der Deckelkappe 5 wird auf der Deckelkappe ganzflächig eine Schicht 6 aufgebracht, die im Bereich des Deckelrings 13 sich mit dem unteren Bondring 1 bei Temperaturen von 450°C verbindet. Die Deckelkappe 5 weist im Anwendungsbeispiel auf der Unterseite eine ringförmige Struktur 13 auf, deren Größe passend zur darunter liegenden ringförmigen Struktur 1 des unteren Teils 14 ist. In einem nicht dargestellten Anwendungsbeispiel ist die Deckelkappe 5 an der Unterseite plan ausgebildet. Auf der planen Oberfläche des Deckels ist ganzflächig oder partiell eine Metallisierungsschicht zum Verbinden aufgebracht. Mit einem solchen Aufbau sind geringe Gehäuseabmessungen realisierbar. Die Höhe der benötigten Verbindungselemente zwischen Trägersubstrat 14 und Deckelkappe 5 beläuft sich auf ca. 3 µm. Hierbei entfallen ca. 0,5 µm-1,5 µm auf die Planarisierungsschicht 8 und ca. 2 µm auf den hermetisch dichten Metallring, der den Kontaktbereich 3 darstellt.

In einem weiteren nicht dargestellten Anwendungsbeispiel ist die Planarisierungsschicht so dünn ausgebildet, dass ihre Oberfläche unterhalb des Kontaktbereichs zwischen Trägersubstrat und Deckelkappe nicht plan ist, sondern erst zusammen mit der darüber liegenden Schicht, z. B. dem Bondmetall eine ebene Oberfläche ausbildet. Die Aufbauhöhe zwischen der Niveauausgleichs- bzw. Leiterbahnschicht bis zur Erreichung einer planen Oberfläche setzt sich hier aus zwei Komponenten zusammen und zwar der Schichtdicke der Planarisierungsschicht und einem Anteil der Schichtdicke des Bondmetalls

Ferner kann die Deckelkappe gleichfalls Sensorstrukturen aufweisen, die eine weitere Planarisierungsschicht auf der Seite der Deckelkappe erfordern.

Mit einem solchen Aufbau, der Niveauausgleichs- und Planarisierungsschichten aufweist, lassen sich nicht nur plane Verbindungsebenen aufbauen, sondern die Verbindungsebenen können auch auf unterschiedlichen Niveaus erfolgen um beispielsweise einen Schutz gegen falsches Zusammenfügen von Deckelkappen- Wafer und Trägersubstrats-Wafer zu erhalten.

Auch kann eine ebene Oberfläche der Planarisierungsschicht nicht nur durch eine entsprechende Aufbauhöhe erreicht werden, sondern kann auch durch einen chemischen, mechanischen oder chemisch-mechanischen Polierprozess erzielt werden.

Claims (9)

1. Mikromechanisches Gehäuse mit einem Trägersubstrat (14), das eine mikromechanische Struktur aufweist und einer Deckelkappe (5), welche die Hauptfläche (7) des Trägersubstrats (14) zumindest teilweise abdeckt und mit wenigstens einer Leiterbahnschicht (2), die als Anschluss für die mikromechanische Struktur dient und die aus dem abgedeckten Bereich in den nicht abgedeckten Bereich der Hauptfläche (7) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass, unter dem gesamten Kontaktbereich (3) der Deckelkappe (5) mit der Hauptfläche (7) eine Niveauausgleichsschicht (9) vorgesehen ist, die neben der Leiterbahnschicht (2) in der gleichen Ebene angeordnet ist.

2. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schichtdicke der Leiterbahnschicht und die Schichtdicke der Niveauausgleichsschicht (9) gleich oder zumindest ähnlich ist.

3. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Leiterbahnschicht (2) gleich dem Material der Niveauausgleichsschicht (9) ist.

4. Mikromechanisches Gehäuse nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über der Leiterbahnschicht (2) und der Niveauausgleichsschicht (9), eine Planarisierungsschicht (8) aufgebracht ist, die eine plane Oberfläche unterhalb des Kontaktbereichs (3) aufweist

5. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarisierungsschicht (8) isolierende Eigenschaften aufweist und eine Isolationsschicht ist.

6. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen der Leiterbahnschicht (2) und der Niveauausgleichsschicht (9), die unter dem Kontaktbereich (3) angeordnet sind kleiner ist, als der zweifache Wert der Schichtdicke (d) der Isolationsschicht (8).

7. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarisierungsschicht eine polierte Oberfläche aufweist.

8. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich Aluminium aufweist.

9. Mikromechanisches Gehäuse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich Germanium aufweist.