DE102009029180A1 - Mikrosystem - Google Patents
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Abstract
Ein Mikrosystem weist eine von der Umgebung abgeschlossene erste Kavität und eine von der Umgebung abgeschlossene zweite Kavität auf. Die erste Kavität wird durch eine erste Bondverbindung und die zweite Kavität durch eine zweite Bondverbindung umgrenzt. Dabei ist entweder die erste Bondverbindung oder die zweite Bondverbindung eine eutektische Bondverbindung oder eine Diffusionslötverbindung.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Mikrosystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 6.
- Stand der Technik
- Mikromechanische Sensorstrukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Mikromechanische Drehratensensoren zur Ermittlung von Drehraten um eine oder mehrere Achsen werden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich und in der Unterhaltungselektronik zur Navigation, Bildstabilisierung und Bewegungserfassung eingesetzt. Solche Drehratensensoren weisen ein in einer Kavität eingeschlossenes bewegliches mikromechanisches Element auf. Um eine geringe Dämpfung und somit eine hohe mechanische Güte zu erreichen, wird das mikromechanische Element typischerweise bei einem sehr niedrigen Gasdruck, beispielsweise bei 1 bis 5 mbar, eingeschlossen. Mikromechanische Beschleunigungssensoren dienen zur Ermittlung von in eine oder mehrere Raumrichtungen wirkenden Beschleunigungen und werden beispielsweise für elektronische Stabilisierungsprogramme, zur Airbagauslösung und zur Lageerfassung verwendet. Solche Beschleunigungssensoren weisen ebenfalls ein in eine Kavität eingeschlossenes bewegliches mikromechanisches Element auf. Um eine kritische Dämpfung und somit ein schnelles Einschwingen des beweglichen Elements zu erreichen, wird das mikromechanische Element typischerweise in eine Kavität mit einem relativ hohem Gasdruck, beispielsweise um 800 mbar, eingeschlossen. Es ist ebenfalls bekannt, eine Mehrzahl von Drehraten- und Beschleunigungssensoren in einem inertialen Navigationssystem zu kombinieren, das durch eine zeitliche Integration der Einzelsignale eine Nachverfolgung von Position und Orientierung ermöglicht.
- Der Einschluss der mikromechanischen Elemente in die Kavitäten erfolgt durch Waferlevelverkappung, beispielsweise durch Sealglasbonden oder eutektisches Bonden. Dabei wird der beim Bonden verwendete Druck in den Innenraum der Kavität eingeschlossen. Werden auf einem Chip mehrere Sensoren realisiert, so weisen alle einhausenden Kavitäten denselben Innendruck auf. Bei Verwendung von Sealglasbonden wird der Bonddruck zusätzlich noch durch Ausgasung von Lösungsmitteln aus dem Sealglas erhöht.
- Offenbarung der Erfindung
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mikrosystem mit einer ersten Kavität und einer zweiten Kavität bereitzustellen, die durch unterschiedliche Bondverbindungen verschlossen sind. Diese Aufgabe wird durch ein Mikrosystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Mikrosystems anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Ein erfindungsgemäßes Mikrosystem weist eine von der Umgebung abgeschlossene erste Kavität und eine von der Umgebung abgeschlossene zweite Kavität auf. Dabei wird die erste Kavität durch eine erste Bondverbindung umgrenzt und die zweite Kavität durch eine zweite Bondverbindung umgrenzt, wobei entweder die erste Bondverbindung oder die zweite Bondverbindung eine eutektische Bondverbindung oder eine Diffusionslötverbindung ist. Vorteilhafterweise können in den Kavitäten dieses Mikrosystems unterschiedliche Innendrücke realisiert werden. Dies gestattet die Integration unterschiedlicher mikromechanischer Sensoren auf einem Chip. Dadurch lassen sich höher integrierte mikromechanische Sensorsysteme realisieren, die platzsparender und kostengünstiger sind.
- Bevorzugt liegt in der ersten Kavität ein erster Druck und in der zweiten Kavität ein zweiter Druck vor, wobei der erste Druck und der zweite Druck unterschiedliche Beträge aufweisen. Vorteilhafterweise lassen sich in den Kavitäten unterschiedliche Sensoren anordnen, wobei in jeder Kavität der für den Betrieb des jeweiligen Sensors optimale Innendruck gewährleistet ist.
- In einer Ausführungsform weist die erste Bondverbindung Aluminium und Gold und die zweite Bondverbindung Aluminium und Silizium auf. Vorteilhafterweise kann die erste Bondverbindung dann durch Thermokompressionsbonden bei einer niedrigen Temperatur und die zweite Bondverbindung durch eutektisches Bonden bei einer höheren Temperatur geschlossen werden. In einer alternativen Ausführungsform weist die erste Bondverbindung Kupfer und die zweite Bondverbindung Kupfer und Zinn auf. Vorteilhafterweise können auch diese beiden Bondverbindungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken geschlossen werden.
- Bevorzugt ist in der ersten Kavität eine erste Sensorstruktur und in der zweiten Kavität eine zweite Sensorstruktur angeordnet. Vorteilhafterweise lassen sich dadurch hochintegrierte Sensorbauelemente mit mehreren Funktionen realisieren.
- In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems werden ein Substrat und ein Kappenwafer durch Bonden miteinander verbunden. Dabei werden das Substrat und der Kappenwafer in einem ersten Verfahrensschritt bei einer ersten Temperatur und einem ersten Umgebungsdruck in einem ersten Bereich durch ein erstes Bondverfahren miteinander verbunden und in einem weiteren Verfahrensschritt bei einer zweiten Temperatur und einem zweiten Umgebungsdruck in einem zweiten Bereich durch ein zweites Bondverfahren miteinander verbunden, wobei entweder das erste Bondverfahren oder das zweite Bondverfahren ein eutektisches Bondverfahren oder ein Diffusionslöten ist. Vorteilhafterweise gestattet es dieses Verfahren, den ersten Umgebungsdruck und den zweiten Umgebungsdruck unterschiedlich zu wählen.
- In einer Weiterbildung des Verfahrens werden vorab zusätzlich Verfahrensschritte ausgeführt zum Bereitstellen des Substrats mit einer ersten Oberfläche, auf der ein erster Bondrahmen und ein zweiter Bondrahmen angeordnet sind, zum Bereitstellen des Kappenwafers mit einer zweiten Oberfläche, auf der ein erster weiterer Bondrahmen und ein zweiter weiterer Bondrahmen angeordnet sind, wobei der zweite Bondrahmen und/oder der zweite weitere Bondrahmen durch mindestens eine Unterbrechung durchbrochen ist, und zum Anordnen des Substrats und des Kappenwafers derart, dass die erste Oberfläche der zweiten Oberfläche zugewandt ist und der erste Bondrahmen mit dem ersten weiteren Bondrahmen und der zweite Bondrahmen mit dem zweiten weiteren Bondrahmen in Kontakt kommt. Vorteilhafterweise erlaubt die mindestens eine Unterbrechung im zweiten Bondrahmen oder im zweiten weiteren Bondrahmen eine Anpassung des Drucks im zweiten Bereich an den zweiten Umgebungsdruck, bevor der Kappenwafer und das Substrat im zweiten Bereich durch das eutektische Bondverfahren oder das Diffusionslöten miteinander verbunden werden.
- Zweckmäßigerweise schmelzen der zweite Bondrahmen und/oder der zweite weitere Bondrahmen während des eutektischen Bondens oder des Diffusionslötens kurzzeitig auf, wobei die mindestens eine Unterbrechung im zweiten Bondrahmen und/oder im zweiten weiteren Bondrahmen geschlossen wird. Vorteilhafterweise wird im durch das eutektische Bondverfahren abgeschlossenen Bereich dann der zweite Umgebungsdruck eingeschlossen.
- Zweckmäßigerweise ist die erste Temperatur geringer als die zweite Temperatur. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass die Bondverbindungen hintereinander hergestellt werden können.
- Bevorzugt weisen der erste Bondrahmen Aluminium, der zweite Bondrahmen Silizium und der erste und der zweite weitere Bondrahmen Gold auf. Dabei liegt die erste Temperatur oberhalb von 300°C und unterhalb von 363°C und die zweite Temperatur oberhalb von oder bei 363°C.
- Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleich wirkende Elemente einheitliche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
-
1 eine Aufsicht auf ein Substrat; -
2 eine Aufsicht auf einen Kappenwafer; -
3 einen Schnitt durch ein Mikrosystem in einem ersten Verarbeitungsstand; -
4 einen Schnitt durch das Mikrosystem in einem zweiten Verarbeitungsstand; und -
5 einen Schnitt durch das Mikrosystem in einem dritten Verarbeitungsstand. - Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf ein Substrat110 . Das Substrat110 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Das Substrat110 kann ein vollständiger Wafer oder ein Teil eines Wafers sein. Auf dem Substrat110 sind eine erste Sensorstruktur200 und eine zweite Sensorstruktur300 angeordnet. Bei den Sensorstrukturen200 ,300 kann es sich um mikromechanische Sensorstrukturen, beispielsweise um Drehraten- oder Beschleunigungssensoren handeln. Beispielsweise kann die erste Sensorstruktur200 ein Drehratensensor und die zweite Sensorstruktur300 ein Beschleunigungssensor sein. - Die erste Sensorstruktur
200 wird durch einen auf der Oberfläche des Substrats110 angeordneten ersten unteren Bondrahmen220 umgrenzt. Im Beispiel der1 weist der erste untere Bondrahmen220 die Form eines etwa quadratischen Rahmens auf. Der erste untere Bondrahmen220 kann jedoch auch die Form eines Kreisrings oder eine beliebige andere geschlossene Form aufweisen, die die erste Sensorstruktur200 umrandet. Der erste untere Bondrahmen220 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen, das auf der Oberfläche des Substrats110 abgeschieden wurde. Die Höhe des ersten unteren Bondrahmens220 senkrecht zur Oberfläche des Substrats110 kann dabei beispielsweise zwischen ½ µm und 10 µm liegen. Die Breite des ersten unteren Bondrahmens220 parallel zur Oberfläche des Substrats110 kann beispielsweise zwischen 10 µm und 500 µm, bevorzugt in der Größe von 100 µm liegen. - Die zweite Sensorstruktur
300 wird durch einen zweiten unteren Bondrahmen320 umlaufend umgrenzt. Der zweite untere Bondrahmen320 weist dabei vier Unterbrechungen325 auf, an denen der zweite untere Bondrahmen320 durchbrochen ist. Es können auch weniger oder mehr als vier Unterbrechungen325 , mindestens jedoch eine Unterbrechung325 , vorgesehen sein. Der zweite untere Bondrahmen320 weist im dargestellten Beispiel ebenfalls die Form eines etwa quadratischen Rahmens auf. Die Form des zweiten unteren Bondrahmens320 kann jedoch wie die Form des ersten unteren Bondrahmens220 auch anders gewählt werden. Die Größenabmessungen des zweiten unteren Bondrahmens320 entsprechen etwa denen des ersten unteren Bondrahmens220 . Der zweite untere Bondrahmen320 kann beispielsweise aus Silizium bestehen. -
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf einen Kappenwafer120 . Der Kappenwafer120 dient zur Verkappung der auf dem Substrat110 angeordneten Sensorstrukturen200 ,300 . Der Kappenwafer120 kann beispielsweise aus Silizium oder aus Glas bestehen. Der Kappenwafer120 kann ein vollständiger Wafer oder ein Teil eines Wafers sein. Auf der Oberfläche des Kappenwafers120 sind ein erster oberer Bondrahmen230 und ein zweiter oberer Bondrahmen330 angeordnet. Position und Größe des ersten oberen Bondrahmens230 und des zweiten oberen Bondrahmens330 sind so gewählt, dass der erste obere Bondrahmen230 mit dem ersten unteren Bondrahmen220 auf dem Substrat110 und der zweite obere Bondrahmen330 mit dem zweiten unteren Bondrahmen320 auf dem Substrat110 in Deckung gebracht werden können. Der erste obere Bondrahmen230 und der zweite obere Bondrahmen330 können beispielsweise aus Gold bestehen, das auf dem Kappenwafer120 abgeschieden worden ist. Der zweite obere Bondrahmen330 kann, wie der zweite untere Bondrahmen320 Unterbrechungen aufweisen, an denen der zweite obere Bondrahmen330 durchbrochen ist. Falls der zweite obere Bondrahmen330 derartige Unterbrechungen aufweist, so können die Unterbrechungen325 im zweiten unteren Bondrahmen320 wahlweise entfallen. - Das Substrat
110 und der Kappenwafer120 können miteinander verbunden werden, um die erste Sensorstruktur200 und die zweite Sensorstruktur300 einzuschließen beziehungsweise zu verkappen. Dazu müssen der erste untere Bondrahmen220 mit dem ersten oberen Bondrahmen230 und der zweite untere Bondrahmen320 mit dem zweiten oberen Bondrahmen330 verbunden werden. Dabei wird die erste Sensorstruktur200 in einer ersten Kavität210 und die zweite Sensorstruktur300 in einer zweiten Kavität310 eingeschlossen. Falls die erste Sensorstruktur200 und die zweite Sensorstruktur300 unterschiedliche Anforderungen an den Umgebungsdruck stellen, so müssen in der ersten Kavität210 und in der zweiten Kavität310 unterschiedliche Innendrücke eingeschlossen werden.3 bis5 zeigen unterschiedliche Verarbeitungsschritte zum Herstellen einer derartigen Verbindung zwischen dem Substrat110 und dem Kappenwafer120 . -
3 zeigt in einer Schnittdarstellung, dass die die unteren Bondrahmen220 ,320 aufweisende Oberfläche des Substrats110 und die die oberen Bondrahmen230 ,330 aufweisende Oberfläche des Kappenwafers120 zunächst einander derart zugewandt angeordnet werden, dass der erste untere Bondrahmen220 dem ersten oberen Bondrahmen230 und der zweite untere Bondrahmen320 dem zweiten oberen Bondrahmen330 gegenüber liegen. Das Substrat110 und der Kappenwafer120 werden nun in einer Bondanlage bei einem ersten Druck215 miteinander in Kontakt gebracht. Der erste Druck215 kann je nach dem in der Bondanlage erreichbaren Druck beispielsweise zwischen 10–3 mbar bis über 1000 mbar liegen. - Anschließend erfolgt eine in
4 schematisch dargestellte erste Phase des Bondprozesses. Die Umgebungstemperatur in der Bondanlage wird auf eine erste Temperatur erhöht, bei der der erste untere Bondrahmen220 und der erste obere Bondrahmen230 durch Thermokompressionsbonden miteinander verbunden werden. Die erste Temperatur beträgt dabei typischerweise über 300°C und weniger als 363°C. Bevorzugt liegt die erste Temperatur bei ungefähr 350°C. Während der erste untere Bondrahmen220 und der erste obere Bondrahmen230 durch Thermokompressionsbonden miteinander verbunden werden, entsteht eine erste Bondverbindung240 , die eine die erste Sensorstruktur200 umgebende erste Kavität210 umschließt. Dabei wird der erste Druck215 in der ersten Kavität210 eingeschlossen. Die erste Kavität210 wird also durch das Substrat110 , den Kappenwafer120 und die erste Bondverbindung240 umschlossen und ist so dicht, dass der erste Druck215 in der erste Kavität210 bestehen bleibt. - Der zweite untere Bondrahmen
320 und der zweite obere Bondrahmen330 befinden sich ebenfalls in Kontakt miteinander, sind aber noch nicht miteinander verbunden. Durch die Unterbrechungen325 im zweiten unteren Bondrahmen320 und/oder im zweiten oberen Bondrahmen330 kann ein Druckausgleich zwischen dem die zweite Sensorstruktur300 umgebenden Bereich und der Umgebung von Substrat110 und Kappenwafer120 erfolgen. Im Folgenden wird der Umgebungsdruck in der Bondanlage auf einen zweiten Druck315 geändert. Der zweite Druck315 kann höher oder niedriger als der erste Druck215 sein und ebenfalls, abhängig von den Möglichkeiten der Bondanlage, zwischen 10–3 mbar und über 1000 mbar liegen. Über die Unterbrechungen325 stellt sich der zweite Druck315 auch in der Umgebung der zweiten Sensorstruktur300 ein. Anschließend wird die Temperatur in der Bondanlage auf eine zweite Temperatur erhöht, die bevorzugt größer oder gleich 363°C ist. Die erste Bondverbindung240 wird durch die Erhöhung der Temperatur zur Herstellung der zweiten Bondverbindung340 nicht beeinträchtigt. Bei einer Temperatur von 363°C kommt es zu einem eutektischen Bondvorgang zwischen dem zweiten unteren Bondrahmen320 und dem zweiten oberen Bondrahmen330 . Dabei werden das Silizium des zweiten unteren Bondrahmens320 und das Gold des zweiten oberen Bondrahmens330 miteinander verbunden und schmelzen kurzzeitig auf, wodurch eine zweite Bondverbindung340 entsteht. Während des Aufschmelzens werden die Unterbrechungen325 im zweiten unteren Bondrahmen320 und/oder im zweiten oberen Bondrahmen330 geschlossen. In der Umgebung der zweiten Sensorstruktur300 entsteht dadurch eine zweite Kavität310 , die durch das Substrat110 , den Kappenwafer120 und die zweite Bondverbindung340 umgrenzt wird und in der der zweite Druck315 eingeschlossen ist. Auch die zweite Kavität310 ist so dicht, dass der zweite Druck315 beibehalten wird.5 zeigt das fertig entstandene Mikrosystem100 in schematischer Schnittansicht. - Anstelle der genannten Materialsysteme für die unteren Bondrahmen
220 ,320 und die oberen Bondrahmen230 ,330 können auch andere Bondmaterialien verwendet werden. Wichtig ist lediglich, dass die erste Bondverbindung240 bei einer niedrigeren Temperatur als die zweite Bondverbindung340 erzeugt wird, und dass die zweite Bondverbindung340 eine eutektische Verbindung oder eine andere Verbindung ist, während deren Herstellung es zu einer kurzzeitigen Verflüssigung der Bondmaterialien kommt, die zu einem Zufließen der Unterbrechungen325 führt. Als alternatives Materialsystem können der erste untere Bondrahmen220 und der erste obere Bondrahmen230 beispielsweise beide Kupfer aufweisen und der zweite untere Bondrahmen320 und der zweite obere Bondrahmen330 Kupfer und Zinn aufweisen. In diesem Fall entsteht die zweite Bondverbindung aus Zinn und Kupfer durch ein sogenanntes Solid-Liquid-Interdiffusion-Bondverfahren (SLID). Dieses Verfahren wird auch als Diffusionslöten bezeichnet. Auch hierbei kommt es zu einer kurzzeitigen Verflüssigung der Bondmaterialien.
Claims (10)
- Mikrosystem (
100 ) mit einer von der Umgebung abgeschlossenen ersten Kavität (210 ), und einer von der Umgebung abgeschlossenen zweiten Kavität (310 ), wobei die erste Kavität (210 ) durch eine erste Bondverbindung (240 ) umgrenzt wird und die zweite Kavität (310 ) durch eine zweite Bondverbindung (340 ) umgrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die erste Bondverbindung (240 ) oder die zweite Bondverbindung (340 ) eine eutektische Bondverbindung oder eine Diffusionslötverbindung ist. - Mikrosystem (
100 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kavität (210 ) ein erster Druck (215 ) vorliegt, und in der zweiten Kavität (310 ) ein zweiter Druck (315 ) vorliegt, wobei der erste Druck (215 ) und der zweite Druck (315 ) unterschiedliche Beträge aufweisen. - Mikrosystem (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bondverbindung (240 ) Aluminium und Gold aufweist und die zweite Bondverbindung (340 ) Aluminium und Silizium aufweist. - Mikrosystem (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bondverbindung (240 ) Kupfer aufweist und die zweite Bondverbindung (340 ) Kupfer und Zinn aufweist. - Mikrosystem (
100 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kavität (210 ) eine erste Sensorstruktur (200 ) angeordnet ist, und in der zweiten Kavität (310 ) eine zweite Sensorstruktur (300 ) angeordnet ist. - Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems (
100 ), wobei ein Substrat (110 ) und ein Kappenwafer (120 ) durch Bonden miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt bei einer ersten Temperatur und einem ersten Umgebungsdruck das Substrat (110 ) und der Kappenwafer (120 ) in einem ersten Bereich durch ein erstes Bondverfahren miteinander verbunden werden, und in einem weiteren Verfahrensschritt bei einer zweiten Temperatur und einem zweiten Umgebungsdruck das Substrat (110 ) und der Kappenwafer (120 ) in einem zweiten Bereich durch ein zweites Bondverfahren miteinander verbunden werden, wobei entweder das erste Bondverfahren oder das zweite Bondverfahren ein eutektisches Bondverfahren oder ein Diffusionslöten ist. - Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vorab zusätzlich folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Bereitstellen des Substrats (
110 ) mit einer ersten Oberfläche, auf der ein erster Bondrahmen (220 ) und ein zweiter Bondrahmen (320 ) angeordnet sind, – Bereitstellen des Kappenwafers (120 ) mit einer zweiten Oberfläche, auf der ein erster weiterer Bondrahmen (230 ) und ein zweiter weiterer Bondrahmen (330 ) angeordnet sind, wobei der zweite Bondrahmen (320 ) und/oder der zweite weitere Bondrahmen (330 ) durch mindestens eine Unterbrechung (325 ) durchbrochen ist; – Anordnen des Substrats (110 ) und des Kappenwafers (120 ) derart, dass die erste Oberfläche der zweiten Oberfläche zugewandt ist und der erste Bondrahmen (220 ) mit dem ersten weiteren Bondrahmen (230 ) und der zweite Bondrahmen (230 ) mit dem zweiten weiteren Bondrahmen (330 ) in Kontakt kommt. - Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bondrahmen (
320 ) und/oder der zweite weitere Bondrahmen (330 ) während des eutektischen Bondens oder des Diffusionslötens kurzzeitig aufschmelzen, wobei die mindestens eine Unterbrechung (325 ) im zweiten Bondrahmen (320 ) und/oder im zweiten weiteren Bondrahmen (330 ) geschlossen wird. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur geringer als die zweite Temperatur ist.
- Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bondrahmen (
220 ) Aluminium aufweist und der zweite Bondrahmen (320 ) Silizium aufweist; und der erste und der zweite weitere Bondrahmen (230 ,330 ) Gold aufweisen, und die erste Temperatur oberhalb von 300°C und unterhalb von 363°C liegt, und die zweite Temperatur größer oder gleich 363°C ist.
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