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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 wie es beispielsweise aus der
EP 369 352 A1 bekannt ist.
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Bisherige
mikromechanische Gehäuse
bestehen aus einem Trägersubstrat,
in dem eine mikromechanische Struktur erzeugt 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. 50μm – 100μm und weist
eine Breite von ca. 500μm
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.
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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.
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In
der
EP 0 773 443 81 wird
ein kapazitiver Sensor offenbart. Hierbei werden zwei Halbleiterwafer
mittels metallischem Waferbond miteinander verbunden. Bei diesem
Waferbond handelt es sich um eine dünne metallische Lötverbindung
mit geringerem Platzbedarf. Das Aufbringen solcher metallischen
Schichten auf den Wafern kann durch bekannte und übliche Herstellungsprozesse
erfolgen.
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Nachteilig
hierbei ist, dass keine Einrichtung zur dielektrisch isolierten
Herausführung
von Leiterbahnen vorgesehen ist.
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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 Planarisierungsmethode offenbart, die dadurch erreicht
wird, dass der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden, benachbarten
Schichten verringert wird.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale 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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1:
Darstellung eines mikromechanischen Gehäuses.
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2:
Erste Schnittdarstellung des mikromechanischen Gehäuses.
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3:
Zweite Schnittdarstellung des mikromechanischen Gehäuses.
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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 herausführt 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 2 und 3 verlaufen.
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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.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung entlang der Geraden AB aus 1. In dieser
Darstellung ist der Schnitt entlang einer Leiterbahn 2 durch
ein mikromechanisches Gehäuse
dargestellt. Der untere Teil 14 – das Trägersubstratweist 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.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung entlang der Geraden CD aus der 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.
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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.
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Ferner
kann die Deckelkappe gleichfalls Sensorstrukturen aufweisen, die
eine weitere Planarisierungsschicht auf der Seite der Deckelkappe
erfordern.
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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.
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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.