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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2007 044 806 A1 ein mikromechanisches Bauelement mit einem ersten Wafer und einem zweiten Wafer bekannt, wobei der erste Wafer wenigstens ein Strukturelement und der zweite Wafer wenigstens ein Gegenstrukturelement aufweist, wobei der erste und/oder zweite Wafer einen Funktionsbereich aufweist, welcher von einem Dichtebereich umgeben ist.
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Beim eutektischen Bonden werden im Allgemeinen zwei Materialien in Kontakt gebracht, welche in ihrem Phasendiagramm einen niedrigst schmelzenden Punkt, den sogenannten eutektischen Punkt, besitzen. Bei entsprechender Temperatur und entsprechendem Mischungsverhältnis kommt es zum Aufschmelzen der beiden Materialien und zur Bildung eines Eutektikums. Das Aufschmelzen der Materialien erfolgt hierbei unterhalb der Schmelztemperatur der jeweiligen Bondmaterialien.
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Da beide Materialien für das eutektische Bonden in Kontakt kommen müssen, werden die Wafer, auf denen sich die einzelnen Schichten befinden, d. h. ein Trägersubstrat und ein Kappensubstrat, unter Druck zusammengedrückt und mit Temperatur beaufschlagt. In aller Regel wurden die einzelnen Schichten zuvor strukturiert, um nur definierte Bereiche auf einem Wafer, nämlich Randbereiche, die typischerweise Strukturbereiche im Inneren des Wafers bzw. des Träger- oder Kappensubstrats umschließen, miteinander zu verbinden. In dem Moment, in dem beim Aufheizen der eutektische Punkt und somit die flüssige Phase erreicht wird, kann es zu lokalen Verfließungen des Eutektikums kommen, welche sich in unkontrollierter Weise auch außerhalb des Randbereichs des Trägersubstrats oder des Kappensubstrats ausbreiten können. Kommt es hierbei zu einem Eindringen der flüssigen Phase bzw. des Eutektikums in den Strukturbereich von Trägersubstrat oder Kappensubstrat, was beispielsweise zur lokalen Anbindung von eigentlich beweglichen Sensorstrukturen, beispielsweise von beweglichen Massen von Beschleunigungs- oder Drehratensensoren, führen kann, ist ein solches mikromechanisches Bauelement später nicht mehr zu gebrauchen, wodurch die Ausschussrate und damit die Herstellungskosten erhöht wird/werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Verfließen von Eutektikum (bzw. von Lotmaterial) in zu schützende Bereiche von Träger- und/oder Kappensubstrat, insbesondere den Strukturbereich von Trägerund/oder Kappensubstrat – beispielsweise das Verfließen von Eutektikum in Sensorkerne, beispielsweise von Beschleunigungsoder Drehratensensoren –, durch geeignete Stoppstrukturen vermieden wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im ersten Begrenzungsbereich oder im zweiten Begrenzungsbereich ein Stoppgraben vorgesehen ist. Ein solcher Stoppgraben kann auch sowohl im ersten Begrenzungsbereich (des Trägersubstrats) als auch im zweiten Begrenzungsbereich (des Kappensubstrats) vorgesehen sein. Alternativ zum Vorsehen eines oder mehrerer Stoppgräben kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass im ersten oder zweiten Begrenzungsbereich ein Stoppvorsprung, d. h. beispielsweise eine sogenannte Spacerstruktur, angeordnet ist. Alternativ hierzu ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen, einen Stoppvorsprung im ersten Begrenzungsbereich und einen weiteren Stoppvorsprung im zweiten Begrenzungsbereich vorzusehen. Ferner ist es erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen, im ersten oder zweiten Begrenzungsbereich sowohl einen Stoppgraben als auch einen Stoppvorsprung vorzusehen: Hierbei ist entweder im ersten Begrenzungsbereich der Stoppvorsprung und im zweiten Begrenzungsbereich der Stoppgraben bzw. umgekehrt angeordnet oder aber sowohl der Stoppgraben als auch der Stoppvorsprung im ersten Begrenzungsbereich oder im zweiten Begrenzungsbereich vorgesehen oder aber sowohl im ersten Begrenzungsbereich als auch im zweiten Begrenzungsbereich vorgesehen. Auf diese Weise ist es vorteilhaft und in einfacher Weise möglich, wirksam das Eindringen von Eutektikum bzw. der flüssigen Phase insbesondere in den Strukturbereich von Träger- und/oder Kappensubstrat, beispielsweise bei Beschleunigungs- und Drehratensensoren oder Mikrospiegeln, zu vermeiden. Bei der Verwendung von Stoppvorsprüngen bzw. sogenannten Spacerstrukturen ist es ferner vorteilhaft möglich, die Verquetschungshöhe des Eutektikums, d. h. die Verbindungsschicht bzw. Verbindungsschichten im ersten Verbindungsbereich des Trägersubstrats und im zweiten Verbindungsbereich des Kappensubstrats bzw. zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsbereich zu homogenisieren, nämlich sowohl über den gesamten Verbindungsbereich eines einzelnen mikromechanischen Bauelements gleichmäßiger zu gestalten als auch den Herstellungsprozess der Verbindung von Träger- und Kappensubstrat über viele mikromechanische Bauelemente hinweg reproduzierbarer und mit einer geringeren Streuung der Verquetschungshöhe zu realisieren.
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Erfindungsgemäß ist der Stoppvorsprung insbesondere aus einem thermischen Oxidmaterial vorgesehen. Insbesondere ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise bevorzugt vorgesehen, dass der Stoppvorsprung eine auf das Material des Trägersubstrats und/oder auf das Material des Kappensubstrats aufgebrachtes bzw. im Oberflächenbereich des Träger- oder Kappensubstrats gebildetes Material, insbesondere in Form einer strukturierten Schicht, insbesondere aus einem Oxidmaterial, bevorzugt aus einem thermischen Oxidmaterial, vorgesehen ist. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil – insbesondere im Gegensatz zu einer Strukturierung des Stoppvorsprungs derart, dass aus dem Material des Trägersubstrats und/oder aus dem Material des Kappensubstrats heraus eine selektive Ätzung des Materials des Trägersubstrats und/oder des Kappensubstrats mit typischerweise einer vergleichsweise schlechten Gleichmäßigkeit der Ätzung (uniformity of etching bzw. Ätzuniformität) im Bereich von ca +/–5% Genauigkeit über die gesamte Fläche eines Wafers vorgenommen wird – die Abscheidung oder Bildung einer Schicht eines Oxidmaterials (insbesondere Siliziumoxid und insbesondere thermisches (Silizium)Oxidmaterial) mit einer vergleichsweise guten Gleichmäßigkeit der Schichtdicke (uniformity) über die gesamte Fläche eines Wafers möglich ist, beispielsweise mit einer Schichtdickenuniformity im Bereich von +/–1% der Schichtdicke der abgeschiedenen Oxidschicht (beispielsweise wird die Oxidschicht nach deren Bildung anschließend (insbesondere in BOE) geätzt, was selektiv zu Silizium möglich ist), wobei die Schichtdicke der thermischen Oxidschicht beispielsweise in der Größenordnung 0,5 bis 2,5 Mikrometer liegt.
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Für die Auslegung der Spacerdicke gilt prinzipiell die Forderung, dass die Verbindungsmaterialien in den Verbindungsbereichen überall sicher in Kontaktgebracht werden können und das Volumen, das sich durch die Spacerdicke und den Abstand der Spacer zum Verbindungsbereich ergibt, sicher das verfließende Eutektikum aufnehmen kann.
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Das Trägersubstrat und/oder das Kappensubstrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der Sensorstruktur, insbesondere einer beweglichen Masse bzw. von Koppelfedern, entsprechend strukturiert ist. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen von Lithographieverfahrensschritten und/oder Ätzverfahrensschritten und/oder Abscheideverfahrensschritten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Begrenzungsbereich zwischen dem ersten Verbindungsbereich und dem ersten Strukturbereich und der zweite Begrenzungsbereich zwischen dem zweiten Verbindungsbereich und dem zweiten Strukturbereich angeordnet ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, effektiv das Eindringen der flüssigen Phase des Eutektikums beim Verbinden von Träger- und Kappensubstrat in den Strukturbereich sowohl des Träger- als auch des Kappensubstrats zu vermeiden, weil der erste Begrenzungsbereich für das Trägersubstrat bzw. der zweite Begrenzungsbereich für das Kappensubstrat eine Grenze darstellt für das im ersten und zweiten Verbindungsbereich befindliche Material der flüssigen Phase des Eutektikums und es auf diese Weise daran gehindert wird, in den Strukturbereich des Trägersubstrats oder Kappensubstrats einzudringen.
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Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der erste Randbereich neben dem ersten Begrenzungsbereich einen dritten Begrenzungsbereich und der zweite Randbereich neben dem zweiten Begrenzungsbereich einen vierten Begrenzungsbereich aufweist, wobei der erste Verbindungsbereich zwischen dem ersten und dritten Begrenzungsbereich (des Trägersubstrats) und der zweite Verbindungsbereich zwischen dem zweiten und vierten Begrenzungsbereich (des Kappensubstrats) angeordnet ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in besonderer Weise vorteilhaft möglich, die Materialien zur Herstellung der eutektischen Verbindung, insbesondere während ihrer flüssigen Phase beim Verbinden von Trägersubstrat und Kappensubstrat auf den Bereich des ersten und zweiten Verbindungsbereichs von Träger- und Kappensubstrat zu begrenzen und somit sowohl ein Eindringen in den ersten bzw. zweiten Strukturbereich von Träger- oder Kappensubstrat als auch ein Austreten der flüssigen Phase des Eutektikums aus dem Bereich des ersten und zweiten Verbindungsbereichs nach außen hin zu vermeiden.
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Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der erste Randbereich den ersten Strukturbereich auf der ersten Verbindungsseite vollständig umgibt und der zweite Randbereich den zweiten Strukturbereich auf der zweiten Verbindungsseite vollständig umgibt. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine vollständige Abdichtung der Atmosphäre im Strukturbereich ermöglicht wird und insbesondere die Ausbildung eines Über- oder Unterdrucks bzw. der Einstellung einer Atmosphäre im Strukturbereich zwischen dem Trägersubstrat und dem Kappensubstrat realisierbar ist.
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Ferner ist es erfindungsgemäß auch bevorzugt, dass die eutektische Bondverbindung durch einen ersten Bondpartner und einen zweiten Bondpartner zustande kommt, wobei der erste Bondpartner im ersten Verbindungsbereich und der zweite Bondpartner im zweiten Verbindungsbereich vorgesehen ist. Hierdurch kann die eutektische Verbindung besonders effizient realisiert werden. Vorzugsweise besteht die Bondlegierung aus einer der folgenden Mischungen: Au-Si, Al-Ge, Al-Cu-Ge, Cu-Sn, Au-Sn, Au-In, Al-Ge-Si, Al-Cu-Ge-Si, Au-Ge. Prinzipiell denkbar sind alle in der Mikromechanik verwendbaren Legierungspartner. Besonders bevorzugt sind Legierungspartner, deren Phasendiagramme eine eutektische Legierung vorsehen. Eine beispielhafte Legierung ist Al-Ge. Die Schmelztemperaturen der beiden Bondmaterialen sind für reines Aluminium 660°C und reines Germanium 938°C. Die Schmelztemperatur im eutektischen Punkt liegt bei 420°C. Die zur Bondung nötige kritische Bondtemperatur ist beim eutektischen Bonden abhängig von der Mischung und Interdiffusion der verwendeten Materialen. Im Idealfall bildet sich eine flüssige Phase bei der Schmelztemperatur im eutektischen Punkt aus. Im beispielhaften Fall der Al-Ge-Legierung liegt die tatsächliche Bondtemperatur üblicherweise im Bereich von 220°C bis 450°C.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements. Gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in einem ersten Herstellungsschritt zum einen das Trägermaterial mit der mikromechanischen Struktur und zum anderen das Kappensubstrat hergestellt wird und wobei in einem zweiten Schritt das Trägersubstrat und das Kappensubstrat durch Verbindung der ersten Verbindungsseite und der zweiten Verbindungsseite verbunden werden. In vorteilhafter Weise wird somit die Herstellung eines im Vergleich zum Stand der Technik kompakteren mikromechanischen Bauelements möglich, wobei dennoch eine sichere Verbindung zwischen Träger- und Kappensubstrat realisierbar ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit zwei Stoppgräben im Kappensubstrat,
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2 eine schematische Draufsicht auf Trägersubstrat und Kappensubstrat eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements vor der Verbindung von Träger- und Kappensubstrat,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes, wobei zwei Stoppgräben im Randbereich des Trägersubstrats ausgebildet sind,
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4 eine schematische Schnittansicht eines Teils des mikromechanischen Bauelements vor der Verbindung von Träger- und Kappensubstrat, wobei zwei Stoppvorsprünge im Randbereich des Kappensubstrats angeordnet sind,
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5 die Ansicht gemäß 4, jedoch mit verbundenem Träger- und Kappensubstrat,
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6 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements, wobei im Randbereich des Trägersubstrats zwei Stoppgräben und ferner zwei Stoppvorsprünge angeordnet sind,
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7 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements, wobei zwei Stoppgräben im Kappensubstrat angeordnet sind und zwei Stoppvorsprünge im Kappensubstrat oder im Trägersubstrat angeordnet sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch nur jeweils einmal benannt bzw. erwähnt.
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Die 1, 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen jeweils in einer schematischen Schnittdarstellung einen Teil eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10, wobei das mikromechanische Bauelement 10 ein Trägersubstrat 20 und ein Kappensubstrat 30 aufweist. Das Trägersubstrat 20 weist eine erste Verbindungsseite 21 auf und das Kappensubstrat 30 weist eine zweite Verbindungsseite 31 auf, wobei das Träger- und Kappensubstrat 20, 30 mit ihren jeweiligen Verbindungsseiten 21 und 31 zueinander weisend miteinander verbunden sind, wobei erfindungsgemäß eine eutektische Bondverbindung (oder eine Lötverbindung) in Randbereichen von Träger- und Kappensubstrat 20, 30 vorgesehen ist. Das Trägersubstrat 20 weist einen ersten Strukturbereich 22 und einen ersten Randbereich 23 auf, wobei der erste Randbereich 23 erfindungsgemäß jedenfalls einen ersten Verbindungsbereich 24 und einen ersten Begrenzungsbereich 25 aufweist. Das Kappensubstrat 30 weist einen zweiten Strukturbereich 32 auf, der in zusammengebautem Zustand des mikromechanischen Bauelements 10 dem ersten Strukturbereich 22 des Trägersubstrats 20 gegenüberliegend angeordnet ist. Das Kappensubstrat 30 weist ferner einen zweiten Randbereich 33 auf, wobei der zweite Randbereich 33 einen zweiten Verbindungsbereich 34 und einen zweiten Begrenzungsbereich 35 aufweist. Erfindungsgemäß liegt der erste Randbereich 23 gegenüber dem zweiten Randbereich 33 und die Randbereiche umgeben die jeweiligen Strukturbereiche 22, 32 zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig derart, dass bei einer Verbindung von Kappen- und Trägersubstrat 20, 30 über die Randbereiche 23, 33 (nachfolgend auch als Randbereich des mikromechanischen Bauelements 10 bezeichnet) die Strukturbereiche 22, 32 vollständig umgeben sind. Die Verbindung zwischen Träger- und Kappensubstrat 20, 30 über den ersten und zweiten Randbereich 23, 33 wird über die eutektische Bondverbindung im ersten und zweiten Verbindungsbereich 24, 34 (bzw. über eine Lötverbindung) realisiert, wobei der erste und zweite Verbindungsbereich gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste und zweite Begrenzungsbereich 25, 35 sind ebenfalls gegenüberliegend angeordnet. Sofern, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, im ersten Randbereich 23 des Trägersubstrats 20 (neben dem ersten Begrenzungsbereich 25) auch ein dritter Begrenzungsbereich 26 und im zweiten Randbereich 33 des Kappensubstrats 30 (neben dem zweiten Begrenzungsbereich 35) auch ein vierter Begrenzungsbereich 36 vorgesehen sind, was gemäß allen 1 und 3 bis 7 dargestellt ist, liegt auch der dritte Begrenzungsbereich 26 gegenüberliegend dem vierten Begrenzungsbereich 36.
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In 2 ist in schematischer Weise eine Draufsicht auf das Trägersubstrat 20 und das Kappensubstrat 30 dargestellt, wobei die Draufsicht auf die erste Verbindungsseite 21 des Trägersubstrats 20 und auf die zweite Verbindungsseite 31 des Kappensubstrats 30 dargestellt ist, die zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements 10 zueinander weisend im ersten und zweiten Randbereich 23, 33, nämlich im ersten und zweiten Verbindungsbereich 24, 34, miteinander verbunden werden. Erkennbar ist aus der 2, dass der erste und zweite Randbereich 23, 33 den ersten und zweiten Strukturbereich 22, 32 jeweils vollständig umgibt. Alternativ zu einer solchen Ausführungsform könnte es auch vorgesehen sein, dass der erste und/oder zweite Randbereich 23, 33 den jeweiligen Strukturbereich 22, 32 nicht vollständig umgibt, was jedoch in der 2 nicht dargestellt ist.
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Gemäß einer ersten Variante des mikromechanischen Bauelements 10 ist in 1 dargestellt, dass ein erster Stoppgraben 41 im vierten Begrenzungsbereich 36 und ein zweiter Stoppgraben 42 im zweiten Begrenzungsbereich 35 angeordnet ist. Gemäß der Ausführungsvariante gemäß 3 ist es vorgesehen, dass ein dritter Stoppgraben 43 im dritten Begrenzungsbereich 26 des ersten Randbereichs 23 des Trägersubstrats 20 angeordnet ist und ein vierter Stoppgraben 44 im ersten Begrenzungsbereich 25 des Trägersubstrats 20 angeordnet ist. Da es beim eutektischen Bonden, bei Temperaturen ab dem eutektischen Punkt, zur Ausbildung einer flüssigen Phase kommt, besteht die Gefahr, dass diese Phase, vor allem auch durch das Zusammendrücken der zu verbindenden Träger- und Kappensubstrate 20, 30, in die Strukturbereiche 22, 32 hineinlaufen kann. Dort kann es dann zum Verkleben beweglicher Sensorstrukturen führen, was einen Ausfall der mikromechanischen Struktur 29 nach sich ziehen würde. Um dies zu vermeiden, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Stoppgraben 41, 42, 43, 44 in einem der Begrenzungsbereiche 25, 26, 35, 36 ausgebildet ist. Gegenüber der Ausbildung mit zwei Stoppgräben in entweder dem Kappensubstrat 30 gemäß der 1 oder dem Trägersubstrat 20 gemäß der 3 könnte auch jeweils lediglich ein Stoppgraben vorgesehen sein, insbesondere im ersten bzw. zweiten Begrenzungsbereich 25, 35, oder auch sowohl ein oder zwei Stoppgräben im Trägersubstrat 20 und im Kappensubstrat 30. Beim Zusammendrücken der Träger- und Kappensubstrate 20, 30 wird der Spalt zwischen diesen Substraten zunehmend schmäler, das Eutektikum zusammengedrückt und die flüssige Phase wird lateral aus dem Verbindungsbereich herausgedrückt. Durch das Vorsehen wenigstens eines Stoppgrabens kann sich die flüssige Phase des Eutektikums in den Stoppgraben hinein entspannen. Dies wird begünstigt durch die Tatsache, dass sich das Eutektikum deutlich schwerer in einem schmalen Spalt ausbreiten kann wie er, vom ersten und zweiten Verbindungsbereich 24, 34 aus gesehen, jenseits des zweiten oder vierten Stoppgrabens 42, 44 im ersten oder zweiten Begrenzungsbereich 25, 35 in Richtung der Strukturbereiche 22, 32 noch existiert. Es ist daher erfindungsgemäß wichtig, dass der Bereich zwischen dem Stoppgraben und dem Strukturbereich 22, 32 mit einem möglichst schmalen Spalt zwischen Kappen- und Sensorsubstrat 30, 20 versehen ist, d.h. der erste und zweite Begrenzungsbereich (25, 26) sind gemäß sämtlicher Varianten des mikromechanisch Bauelements 10 mit einem oder mehreren Stoppgräben derart vorgesehen, dass zwischen dem Stoppgraben und dem ersten und zweiten Strukturbereich 23, 33 im zusammengebauten Zustand des mikromechanisch Bauelements 10 der möglichst schmale Spalt zwischen Kappen- und Sensorsubstrat 30, 20 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß lässt sich auf diese Weise nicht nur der Strukturbereich 22, 32 sondern auch weitere Bereiche, beispielsweise ein Bondpadbereich 28 (insbesondere mittels des dritten und vierten Begrenzungsbereichs 26, 36) vor eindringendem Eutektikum schützen. Wird erfindungsgemäß ein geschlossener Bondrahmen verwendet, d. h. die Randbereiche 23, 33 sind umlaufend, um zum Beispiel einen bestimmten Druck im Bereich der Sensorstruktur 29 einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der innere Stoppgraben, d. h. der zweite bzw. vierte Stoppgraben 42, 44 umlaufend um den Strukturbereich bzw. entlang des Randbereichs 23, 33 (nachfolgend auch als Bondrahmen bezeichnet) vorgesehen ist. Der erste und dritte Stoppgraben 41, 43 kann erfindungsgemäß ebenfalls vollständig umlaufend vorgesehen sein, oftmals ist aber ausreichend, nur den Bondpadbereich 28 vor verquetschtem Eutektikum zu schützen, um eine problemlose elektrische Kontaktierung des Sensorchips per Drahtbond garantieren zu können. Da die Stoppgräben im Normalfall zusammen mit den Kavernen bzw. den mikromechanischen Strukturen 29 (d. h. zusammen mit Teilen bzw. Bereichen der Strukturbereiche 22, 32) hergestellt werden, besitzen diese auch nahezu die gleiche Tiefe wie die Kavernen bzw. die mikromechanischen Strukturen 29. Zur Erhöhung der Stabilität des Kappensubstrats gegenüber nachfolgenden Moldschritten ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, die Stoppgrabentiefe durch Verwendung einer zusätzlichen Maske bei der Herstellung des Kappensubstrats 30 oder bei der Herstellung des Trägersubstrats 20 auch weniger tief als die Kavernen bzw. die mikromechanischen Strukturen 29 auszuführen.
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In der 4 ist ein Teil einer Schnittansicht von Träger- und Kappensubstrat 20, 30 vor deren Verbindung zum mikromechanischen Bauelement 10 dargestellt. Erkennbar ist ein erstes Verbindungsmaterial 11 am Trägersubstrat und ein zweites Verbindungsmaterial 12 am Kappensubstrat 30, welche zusammen die eutektische Bondverbindung im Verbindungsbereich 24, 34 bilden. In 5 ist das mikromechanische Bauelement 10 in zusammengebautem, d. h. verbundenem Zustand von Träger- und Kappensubstrat 20, 30 dargestellt. Bei der Ausführungsvariante gemäß der 4 und 5 ist ein erster Stoppvorsprung 51 und ein zweiter Stoppvorsprung 52 am Kappensubstrat 30 vorgesehen, wobei der erste Stoppvorsprung 51 im vierten Begrenzungsbereich 36 und der zweite Stoppvorsprung 52 im zweiten Begrenzungsbereich 35 angeordnet ist. Alternativ könnten entsprechende Stoppvorsprünge auch im ersten bzw. dritten Begrenzungsbereich des Trägersubstrats angeordnet sein, was jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Die Stoppvorsprünge befinden sich – wie auch die Stoppgräben – zumindest teilweise konturumlaufend um die Strukturbereiche 22, 32 im ersten bzw. zweiten Randbereich 23, 33 (d. h. innerhalb des Bondrahmens). Entgegen den Stoppgräben im Kappensubstrat 30 und/oder im Trägersubstrat 20 haben die Stoppvorsprünge eine doppelte Funktion: zum einen sollen sie die Verquetschung des Eutektikums auf einen Minimalwert limitieren und zum anderen das laterale Verfließen des Eutektikums begrenzen. Wie weit die flüssige Phase des Eutektikums verquetscht wird, hängt damit zusammen, wie weit sich das Trägersubstrat 20 und das Kappensubstrat 30 aufeinander zu bewegen. Werden auf wenigstens einem der beiden Träger- bzw. Kappensubstrate 20, 30 vertikal (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene von Träger- und Kappensubstrat) Stoppvorsprünge angeordnet, insbesondere in Form von sogenannten Spacern, so kann das Träger- und Kappensubstrat nur soweit zusammengedrückt werden bis die Stoppvorsprünge den jeweils gegenüberliegenden Wafer (bzw. das jeweils gegenüberliegende Substrat) berühren. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, über den gesamten Verlauf des Randbereichs des mikromechanischen Bauelements um den Strukturbereich herum, aber auch über eine größere Anzahl von mikromechanischen Bauelementen, die mittels der Verbindung zweier Wafer (d. h. eine Vielzahl von einzelnen Trägersubstraten und eine Vielzahl von einzelnen Kappensubstraten) eine einheitliche Höhe der eutektischen Bondverbindung zu erreichen und auch die Menge an verquetschtem Eutektikum zu kontrollieren. Hierfür muss die Schichthöhe des Stoppvorsprungs an die Höhen des ersten bzw. zweiten Verbindungsmaterials 11, 12 (d. h. an die Höhen der Bondpartner) angepasst werden. Erfindungsgemäß gilt, dass die Höhe des Stoppvorsprungs niedriger sein sollte als die ursprüngliche Höhe der beiden Bondmaterialen 11, 12, damit ein Kontakt und eine geringe Verquetschung des Bondmaterials im Bondprozess bzw. im Verbindungsprozess gewährleistet ist. Will man verhindern, dass Eutektikum in Sensorstrukturen, d. h. in die Strukturbereiche 22, 32 gelangt, wird der Stoppvorsprung bevorzugt vollständig geschlossen um den Strukturbereich 22, 32 herum ausgeführt. Beim Bondprozess wird ein solcher ringförmig verlaufender Stoppvorsprung auf die Oberfläche des gegenüberliegenden Substrats (d. h. sofern sich der Stoppvorsprung am Trägersubstrat befindet auf das Kappensubstrat und wenn sich der Stoppvorsprung am Kappensubstrat befindet auf das Trägersubstrat) gedrückt und dichtet so den Innenraum ab. Ein weiterer Stoppvorsprung kann im äußeren Bereich des Randbereichs 23, 33 vorgesehen sein, der entweder nur den Bondpadbereich 28 gegen verquetschtes Eutektikum schützt oder aber ebenfalls konturumlaufend entlang des Randbereichs vorgesehen ist.
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Bei der Realisierung der Stoppvorsprünge ist es erfindungsgemäß wichtig, dass das durch den Stoppvorsprung definierte Volumen für die Bondmaterialen 11, 12 bzw. für die eutektische Bondverbindung 15 groß genug ist, um das verquetschte Eutektikum aufnehmen zu können. Um sicherzustellen, dass das erforderliche Volumen sicher vorhanden ist, ist es erfindungsgemäß gemäß den Ausführungsvarianten nach den 6 und 7 möglich und bevorzugt, dass sowohl ein Stoppgraben (bzw. mehrere Stoppgräben) als auch ein Stoppvorsprung (bzw. mehrere Stoppvorsprünge) in einem der Begrenzungsbereiche oder in mehreren der Begrenzungsbereiche vorliegt. In 6 ist beispielsweise der erste und zweite Stoppvorsprung 51, 52 zusammen mit dem dritten und vierten Stoppgraben 43, 44 (im Trägersubstrat 20 ausgebildet) realisiert, während gemäß der Ausführungsvariante gemäß der 7 der erste und zweite Stoppgraben 41, 42 (im Kappensubstrat 30) zusätzlich zur Realisierung des ersten und zweiten Stoppvorsprungs 51, 52 realisiert ist.
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Als Materialien für die Stoppvorsprünge kommen in erster Linie Materialien infrage, die kein Bestandteil des Eutektikums sind, wie beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium oder dergleichen. Sollten sich die Stoppstrukturen in ausreichender Entfernung (in lateraler Richtung) der Verbindungsmaterialien 11, 12 befinden, können die Stoppvorsprünge auch aus den gleichen Materialien bestehen wie die Verbindungsmaterialen 11, 12.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es weiter denkbar, Stoppgräben und Stoppvorsprünge auch bei metallischen Lotverbindungen bzw. bei Glaslotverbindungen (z.B. Glass-Frit) vorzusehen, um hier die Lotdicke und den nutzbaren Verquetschungsbereich definieren zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044806 A1 [0002]
