DE102008040970A1

DE102008040970A1 - Mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem atmosphärischen Innendruck

Info

Publication number: DE102008040970A1
Application number: DE102008040970A
Authority: DE
Inventors: Julian Gonska; Ralf Hausner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-11
Also published as: US20100028618A1; ITMI20091373A1; CN101643193A; IT1398280B1; CN101643193B; US8035209B2

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substratwafer (10), mit wenigstens einer ersten Kaverne (21) und einer zweiten Kaverne (22), wobei die Kavernen hermetisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kaverne (21) einen anderen atmosphärischen Innendruck aufweist als die zweite Kaverne (22). Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Kavernen mit einer Dünnschichtkappe (100) verkappt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dünnschichtverkappung, mit Kavernen unterschiedlichen atmosphärischen Innendrucks.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substratwafer, mit wenigstens einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne, wobei die Kavernen hermetisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kaverne einen anderen atmosphärischen Innendruck aufweist als die zweite Kaverne.
Zum Verschließen von Kavernen für mikromechanische Vorrichtungen ist im Stand der Technik das Bonden von zwei Substratwafern bekannt. Üblicherweise beinhaltet beim Waferbonden einer der beiden Substratwafer mikromechanische Strukturen, beispielsweise Sensorstrukturen. Der andere Substratwafer, der Kappenwafer, weist Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen des Kappenwafers sowie die Sensorstrukturen des Sensorwafers sind derart angeordnet, daß sich beim Verbund der Wafer durch ein Waferbondverfahren über jeder Sensorstruktur ein Hohlraum ausbildet, eine sogenannte Kavität. Die Kavität ist hermetisch gegenüber der Umwelt abgeschlossen und schützt somit die mikromechanische Sensorstruktur vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchte und Partikel. Um dies zu gewährleisten, muß die Verbindungsfläche zwischen den beiden Wafern so ausgelegt sein, daß auch nach Vereinzeln der Wafer in einzelne Sensorchips eine hermetische Bondverbindung um jeden einzelnen Chip verbleibt.
Die Anlagen, welche beim Prozeß des Waferbondens verwendet werden, erlauben u. a. die Einstellung eines Prozeßdrucks. Da während des Waferbondens die Kavitäten hermetisch verschlossen werden, wird der an der Anlage eingestellte Prozeßdruck in jeder einzelnen Kavität des Waferverbunds bei der Verschlußtemperatur eingeschlossen. Bei Raumtemperatur ist dieser Druck gemäß dem idealen Gasgesetz reduziert. Der Druck in den Kavitäten ist für viele Anwendungen ein wichtiger Parameter. So muß beispielsweise bei mikromechanischen Beschleunigungssensoren ein relativ hoher Druck eingeschlossen werden, um eine ausreichende Dämpfung des Sensorelements zu gewährleisten. Bei mikromechanischen Drehratensensoren, welche resonant betrieben werden, wird im Gegensatz hierzu meist ein niedriger Innendruck gewählt, um eine hohe Güte sowie eine geringe Antriebsspannung zu gewährleisten.
Die Mikromechanik entwickelt sich hin zu immer kleineren Sensorelementen. Die zunehmende Verkleinerung erlaubt die Integration von mehreren Sensorelementen auf einem Sensorchip. Heute sind Sensorchips bekannt, die beispielsweise Beschleunigungen in alle 3 Raumrichtungen gleichzeitig erfassen. Aufgrund der oben beschriebenen Prozeßführung der Waferbondverfahren ist es bislang nicht ohne weiteres möglich, verschiedene Sensorelemente mit unterschiedlichem Innendruck (also beispielsweise mikromechanischer Beschleunigungs- und Drehratensensor) auf einem Sensorchip zu integrieren.
Die Druckschrift DE 10 2004 zeigt ein mikromechanisches Bauelement mit mehreren Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck. Die Kavernen sind mittels einer Waferverkappung verschlossen. Eine Kaverne ist wieder geöffnet und bei einem abweichenden atmosphärischen Innendruck mit einer Oxidschicht anschließend wieder verschlossen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substratwafer, mit wenigstens einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne, wobei die Kavernen hermetisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kaverne einen anderen atmosphärischen Innendruck aufweist als die zweite Kaverne. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die Kavernen mit einer Dünnschichtkappe verkappt sind.
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Kavitäten mit unterschiedlichem Innendruck einen Substratwafer und eine Dünnschichtkappe und daher eine verminderte Bauhöhe gegenüber mikromechanischen Vorrichtungen im Stand der Technik auf. Vorteilhaft muß die hermetische Verbindungsfläche zwischen Substratwafer und Kappe nur geringeren Oberflächenanforderungen genügen, weil eine aufwendige Bondverbindung eingespart wird. Vorteilhaft können die Kavitäten kleiner dimensioniert werden, weil die Dünnschichtverkappung ein genaueres Dimensionieren der Kavitäten erlaubt.
Vorteilhaft weist die Dünnschichtkappe wenigstens eine erste Dünnschicht, eine zweite Dünnschicht und eine dritte Dünnschicht auf. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Dünnschicht unmittelbar über den ersten und zweiten Kavernen angeordnet ist und erste Zugangsöffnungen zur ersten Kaverne sowie zweite Zugangsöffnungen zur zweiten Kaverne aufweist, die zweite Dünnschicht die zweiten Zugangsöffnungen verschließt und die dritte Dünnschicht die ersten Zugangsöffnungen verschließt. Vorteilhaft definiert die erste Dünnschicht die Kavernen. Vorteilhaft können durch den Aufbau mit zweiter und dritter Dünnschicht unterschiedliche atmosphärische Drücke in den Kavernen eingeschlossen sein. Vorteilhaft ist auch, daß die ersten Zugangsöffnungen einen größeren Durchmesser aufweisen, als die zweiten Zugangsöffnungen. Vorteilhaft lassen sich so Zugangsöffnungen mittels der zweiten und dritten Dünnschicht selektiv verschließen, obwohl die zweite und dritte Dünnschicht gleichmäßig über der ersten Dünnschicht abgeschieden wird.
Vorteilhaft sind in wenigstens zwei der Kavernen Sensorstrukturen angeordnet. Bei den Sensorstrukturen handelt es sich besonders vorteilhaft um mindestens einen mikromechanischen Drehratensensor sowie mindestens einen mikromechanischen Beschleunigungssensor. Vorteilhaft ist der Drehratensensor in einer Kaverne mit geringerem atmosphärischen Innendruck angeordnet als der Beschleunigungssensor, welcher in einer anderen Kaverne angeordnet ist. Vorteilhaft ist so eine bewegliche Struktur des Drehratensensors weniger bedampft als eine bewegliche Struktur des Beschleunigungssensors.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dünnschichtverkappung, mit Kavernen unterschiedlichen atmosphärischen Innendrucks. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhaft die Integration mehrerer mikromechanischer Sensorelemente mit unterschiedlichen Innendruckanforderungen auf einem Sensorchip. Im Unterschied zum Stand der Technik ist auch kein zweiter Chip bzw. Wafer zur Verkappung erforderlich. Somit sind mit diesem Verfahren eine Reduktion der verbrauchten Siliziumfläche sowie eine Reduktion der Gehäusegröße möglich.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Integration verkappter mikromechanischer Halbleitersensoren wie beispielsweise Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren, chemischer Sensoren, Drucksensoren oder Mikrofonen. Insbesondere läßt sich hiermit ein Sensorchip erzeugen, der einen mehrachsigen Beschleunigungssensor sowie einen mehrachsigen Drehratensensor zum Einsatz beispielsweise in Konsumgütern auf einem Sensorchip vereint.
Zeichnung
1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck gemäß Stand der Technik.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck.
3A–F zeigt ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck gemäß Stand der Technik. Ein Substratwafer 10 beinhaltet zwei mikromechanische Sensorstrukturen 11 und 12. Ein zweiter Substratwafer 20 beinhaltet zwei Kavitäten 21 und 22, die sich jeweils über den mikromechanischen Sensorstrukturen 11 und 12 befinden. Die beiden Substratwafer 10 und 20 sind in drei Regionen 31, 32 und 33 über Bondrahmen mittels eines Waferbondverfahrens mit Zwischenschicht miteinander verbunden. Bondrahmen 32 trennt die beiden Kavitäten 21 und 22 hermetisch voneinander ab, während Bondrahmen 31 und 33 die Kavitäten hermetisch von der Umgebung abtrennen. Oberhalb der Kavitäten 21 und 22 befindet sich jeweils ein Membranbereich 23 und 24. Auf der Oberfläche des Substratwafers 20 befindet sich eine Dünnschicht 40. Der Substratwafer 20 besitzt im Membranbereich 24 eines oder mehrere Zugangslöcher 25. Der Durchmesser der Zugangslöcher 25 ist so gewählt, daß sie während der Abscheidung der Dünnschicht 40 vollständig verschlossen werden. Die Prozeßparameter während des Waferbondens bzw. während des Verschlusses der Löcher sind so gewählt, daß sich der Innendruck in Kavität 21 von dem in Kavität 22 beliebig unterscheidet. Für diesen Prozeßschritt eignen sich beispielsweise die sog. „Chemical Vapor Deposition” Verfahren (CVD), bei denen aus der Gasphase durch eine chemische Reaktion eine Dünnschicht abgeschieden wird. Als Material für die Dünnschicht eignet sich beispielsweise Siliziumoxid. CVD Verfahren können in unterschiedlichen Druckbereichen durchgeführt werden. Beispielsweise wird das „Plasma Enhanced CVD” Verfahren (PECVD) in einem Druckbereich zwischen 3 und 6 mbar durchgeführt. Das „Atmospheric Pressure CVD” Verfahren (APCVD) hingegen wird bei Atmosphärendruck durchgeführt. Da die Kavität 22 im Prozeß verschlossen wird, wird der während des Prozesses in der Kammer herrschende Druck eingeschlossen. Im Beispiel können die Zugangslöcher 25 mittels eines APCVD Verfahrens verschlossen werden. Nach Abschluß des Prozesses herrscht somit in Kavität 21 ein Innendruck von 1 mbar, in Kavität 22 herrscht Atmosphärendruck.
Abhängig von den gewählten Abscheideprozessen und Abscheidebedingungen enthält Kavität 21 im Ergebnis einen Innendruck zwischen 0,1 und 10 mbar und Kavität 22 einen Innendruck zwischen 100 und 1500 mbar. Wichtige Abscheidebedingungen sind dabei Abscheidetemperatur und Abscheidedruck.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck. Erfindungsgemäß ist der Verschluß der Kavitäten durch eine sogenannte Dünnschichtverkappung 100 vorgesehen. Eine Dünnschichtverkappung besteht im Unterschied zur Waferverkappung aus einer oder mehreren abgeschiedenen Schichten, die erst nach dem Deponieren des Schichtmaterials eine Kappe bilden. Bei der Waferverkappung ist eine fertige Kappenstruktur in einem Stück aufgesetzt wie unter 1 beschrieben. Der Substratwafer 10 der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung unterscheidet sich in seiner Ausführung nicht wesentlich von dem in 1 beschriebenen. Er beinhaltet ebenfalls zwei mikromechanische Sensorstrukturen 11 und 12, die räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Zur Erzeugung der Kavitäten wird in dieser Ausführungsform kein zweiter Substratwafer sondern zunächst eine erste Dünnschicht 50 verwendet. Diese kann beispielsweise über Epitaxie abgeschieden werden. Die Dünnschicht 50 ist in mindestens drei Regionen 51, 52 und 53 mit dem Substratwafer 10 verbunden. Die hierdurch erzeugten Kavitäten 21 und 22 können deutlich kleiner sein als die Kavitäten 21 und 22 aus 1. Verbindung 52 trennt die beiden Kavitäten 21 und 22 hermetisch voneinander ab. Auf der Oberfläche der ersten Dünnschicht 50 befinden sich eine zweite Dünnschicht 60 sowie eine dritte Dünnschicht 70. Die Dünnschicht 50 bildet im Bereich der Kavitäten 21 und 22 zwei Membranbereiche 54 und 55. Im Membranbereich 54 sind eines oder mehrere Zugangslöcher 56 eingebracht. Der Membranbereich 55 beinhaltet eines oder mehrere Zugangslöcher 57. Der Durchmesser der Zugangslöcher 56 unterscheidet sich von dem der Zugangslöcher 57. Der Durchmesser der Zugangslöcher 57 ist so gewählt, daß sie beim Abscheiden der Dünnschicht 60 vollständig verschlossen werden. Der Durchmesser der Zugangslöcher 56 ist so gewählt, daß sie erst beim Abscheiden der Dünnschicht 70 vollständig verschlossen werden. Die Prozeßparameter während der Abscheidung der zweiten Dünnschicht 60 sowie während der Abscheidung der dritten Dünnschicht 70 sind so gewählt, daß in den Kavitäten 21 und 22 ein unterschiedlicher Innendruck eingeschlossen ist, der im wesentlichen von dem Verfahren bei der Abscheidung der Dünnschicht abhängig ist. Die erste Dünnschicht 50, die zweite Dünnschicht 60 und die dritte Dünnschicht 70 bilden die Dünnschichtverkappung 100.
3A–F zeigt ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck.
3A zeigt einen Substratwafer 10 vor Abscheidung der ersten Dünnschicht 50. Die Sensorstrukturen 11 und 12 sind von einer Opferschicht 13 umgeben. Als Opferschicht 13 eignet sich beispielsweise Siliziumoxid.
3B zeigt, wie in einem zweiten Prozeßschritt die erste Dünnschicht 50 abgeschieden wird. Die erste Dünnschicht 50 ist in den drei Bereichen 51, 52 und 53 in direktem Kontakt mit dem Substratwafer 10. In den Bereichen der mikromechanischen Sensorstrukturen 11 und 12 wird die erste Dünnschicht 50 auf die Opferschicht 13 abgeschieden. Als Material für die erste Dünnschicht 50 eignet sich beispielsweise epitaktisch abgeschiedenes Silizium.
3C zeigt, wie in einem dritten Prozeßschritt die Zugangslöcher 56 sowie 57 über den beiden Sensorstrukturen 11 und 12 erzeugt werden. Hierbei besitzen die Zugangslöcher 56 über dem einen Sensorelement 11 einen anderen Durchmesser als die Zugangslöcher 57 über dem anderen Sensorelement 12. Als Ätzmaske dient beispielsweise eine fotolithographische Maskierung. Als Verfahren zur Erzeugung der Zugangslöcher eignet sich beispielsweise ein reaktiver Ionenätzprozeß. Als Stoppschicht dient die unter der ersten Dünnschicht 50 liegende Opferschicht 13.
3D zeigt, wie in einem vierten Prozeßschritt die Opferschicht 13 entfernt wird. Hierzu eignet sich beispielsweise ein gasförmiges Ätzmedium, welches das Opferschichtmaterial selektiv zur ersten Dünnschicht 50 isotrop vollständig entfernt. Hierdurch werden die Kavitäten 21 und 22 erzeugt sowie die mikromechanischen Sensorstrukturen 11 und 12 freigestellt. Nach Entfernen der Opferschicht herrscht in beiden offenen Kavitäten Atmosphärendruck.
3E zeigt, wie in einem fünften Prozeßschritt die zweite Dünnschicht 60 abgeschieden wird. Hierbei werden die Zugangslöcher 57 vollständig verschlossen, während die Zugangslöcher 56 aufgrund des größeren Durchmessers geöffnet bleiben. Als Dünnschichtmaterial eignet sich beispielsweise Siliziumoxid. Als Abscheideverfahren kann beispielsweise analog zu den in 1 beschriebenen Verfahren ein CVD Prozeß verwendet werden. Da in diesem Prozeßschritt die Zugangslöcher 57 verschlossen werden und Kavität 22 somit hermetisch verschlossen wird, herrscht in Kavität 22 nach Abschluß des Prozesses der in der Prozeßkammer eingestellte Druck. Wird beispielsweise ein PECVD Verfahren gewählt, kann der Innendruck in der Kavität 5 mbar betragen.
3F zeigt, wie in einem letzten Prozeßschritt die dritte Dünnschicht 70 abgeschieden wird. Hierbei werden die Zugangslöcher 58 vollständig verschlossen. Als Dünnschichtmaterial kann auch hier Siliziumoxid verwendet werden, als Abscheideverfahren ein CVD-Prozeß. Der Innendruck in Kavität 21 unterscheidet sich insbesondere von dem in Kavität 22. So kann beispielsweise zum Verschluß der Zugangslöcher 58 ein APCVD Verfahren gewählt werden. Nach Abschluß des Prozesses herrscht somit beispielsweise in Kavität 22 ein atmosphärischer Innendruck von 5 mbar, in Kavität 21 herrscht ein atmosphärischer Innendruck von 1 atm (ca. 1013 mbar). Abweichende Drücke wie unter 1 beschrieben sind ebenfalls möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004 [0005]

Claims

Mikromechanische Vorrichtung mit einem Substratwafer (10), mit wenigstens einer ersten Kaverne (21) und einer zweiten Kaverne (22), wobei die Kavernen hermetisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kaverne (21) einen anderen atmosphärischen Innendruck aufweist als die zweite Kaverne (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Kavernen mit einer Dünnschichtkappe (100) verkappt sind.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtkappe (100) wenigstens eine erste Dünnschicht (50), eine zweite Dünnschicht (60) und eine dritte Dünnschicht (70) aufweist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dünnschicht (50) unmittelbar über den ersten und zweiten Kavernen (21, 22) angeordnet ist und erste Zugangsöffnungen (56) zur ersten Kaverne (21) sowie zweite Zugangsöffnungen (57) zur zweiten Kaverne (22) aufweist, die zweite Dünnschicht (60) die zweiten Zugangsöffnungen (57) verschließt und die dritte Dünnschicht (70) die ersten Zugangsöffnungen (56) verschließt.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Zugangsöffnungen (56) einen größeren Durchmesser aufweisen, als die zweiten Zugangsöffnungen (57).
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substratwafer (10), mit wenigstens einer ersten Kaverne 21 und einer zweiten Kaverne (22), wobei die Kavernen hermetisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kaverne (21) einen anderen atmosphärischen Innendruck aufweist als die zweite Kaverne (22), gekennzeichnet durch die Herstellungsschritte: (A) Bereitstellen eines Substratwafers (10) mit ersten und zweiten mikromechanischen Strukturen (11 und 12), welche von ersten und zweiten Opferschichtbereichen (13 und 14) bedeckt sind. (B) Abscheiden einer ersten Dünnschicht (50) auf dem Substratwafer (10) und den ersten und zweiten Opferschichtbereichen (13 und 14) (C) Erzeugen von ersten Zugangsöffnungen (56) in der ersten Dünnschicht (50), welche bis zu den ersten Opferschichtbereichen (13) reichen und Erzeugen von zweiten Zugangsöffnungen (57) in der ersten Dünnschicht (50), welche bis zu den zweiten Opferschichtbereichen (14) reichen. (D) Heranführen eines Ätzmediums durch die ersten und zweiten Zugangsöffnungen (56 und 57) und selektives Ätzen der ersten und zweiten Opferschichtbereiche (13 und 14), sodaß erste und zweite Kavernen (21 und 22) gebildet werden. (E) Abscheiden einer zweiten Dünnschicht (60) über der ersten Dünnschicht (50) und dadurch Verschließen der zweiten Zugangsöffnungen (57) zu der zweiten Kaverne (22) mit der zweiten Dünnschicht (60) (F) Abscheiden einer dritten Dünnschicht (70) über der zweiten Dünnschicht (60) und dadurch Verschließen der ersten Zugangsöffnungen (56) zu der ersten Kaverne (21) mit der dritten Dünnschicht (70).
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Herstellungsschritt (C) die ersten Zugangsöffnungen (56) mit einem größeren Durchmesser erzeugt werden als die zweiten Zugangsöffnungen (57).
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Herstellungsschritt (E) die ersten Zugangsöffnungen (56) durch das Abscheiden der zweiten Dünnschicht (60) verengt werden.