DE102012219550B4

DE102012219550B4 - Hybrid integriertes Bauteil

Info

Publication number: DE102012219550B4
Application number: DE102012219550.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Patrick Wellner; Axel Franke; Daniel Christoph Meisel; Mirko Hattass; Jens Frey; Heribert Weber; Frank Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN103771334A; TW201425206A; US9266720B2; US20140117475A1; TWI615349B; DE102012219550A1; CN103771334B

Abstract

Bauteil (100) mit mindestens einem MEMS-Bauelement (10) und mit mindestens einer Kappe (20) aus einem Halbleitermaterial, wobei die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements (10) in einem Hohlraum zwischen einem Träger (1) und der Kappe (20) angeordnet ist und mindestens ein Strukturelement (11) umfasst, das innerhalb des Hohlraums aus der Bauelementebene auslenkbar ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (20) mindestens einen sich über die gesamte Dicke der Kappe (20) erstreckenden Abschnitt (21, 22) umfasst, der so gegen das angrenzende Halbleitermaterial elektrisch isoliert ist, dass er unabhängig von den übrigen Abschnitten der Kappe (20) elektrisch kontaktierbar ist,wobei die elektrische Isolierung (23) zwischen einzelnen Abschnitten (21, 22) der Kappe (20) und dem angrenzenden Halbleitermaterial in Form von Grabenstrukturen im Halbleitermaterial realisiert sind, die sich über die gesamte Dicke der Kappe (20) erstrecken und zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt sind,wobei die dem Hohlraum zugewandte Oberfläche der Kappe (20) strukturiert ist, so dass sich die mikromechanische Struktur (11) des MEMS-Bauelements (10) im nicht ausgelenkten Zustand in einem definierten Abstand zu zumindest einem elektrisch isolierten Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) befindet,wobei zumindest ein elektrisch isolierter Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) als mechanischer Anschlag für das auslenkbare Strukturelement (11) fungiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens einem MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Bauelement und mit mindestens einer Kappe aus einem Halbleitermaterial, wobei die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements in einem Hohlraum zwischen einem Träger und der Kappe angeordnet ist und mindestens ein Strukturelement umfasst, das innerhalb des Hohlraums aus der Bauelementebene auslenkbar ist.
Bauteile mit MEMS-Bauelementen werden seit etlichen Jahren für unterschiedlichste Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik und Consumer-Elektronik, in Massenfertigung hergestellt. Bei dem MEMS-Bauelement kann es sich um ein Sensorelement mit Detektionsmitteln zum Erfassen der Auslenkung des mikromechanischen Strukturelements handeln oder auch um ein Aktorelement mit Antriebsmitteln zum Ansteuern des auslenkbaren Strukturelements. Die Kappe schützt die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements vor Umgebungseinflüssen, wie Partikeln, Feuchte und aggressiven Umgebungsmedien. Außerdem können bei hermetisch dichter Montage der Kappe definierte Druckverhältnisse innerhalb des Hohlraums hergestellt werden.
In der US 2011/0049652 A1 wird ein Konzept für ein vertikal hybrid integriertes Bauteil vorgeschlagen, wonach ein Chip-Stapel aus ASIC, MEMS und einer Kappe gebildet wird. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird das Ausgangssubstrat für das MEMS-Bauelement auf ein bereits prozessiertes ASIC-Substrat gebondet. Erst danach wird eine mikromechanische Struktur im MEMS-Substrat erzeugt, die mindestens ein auslenkbares Strukturelement umfasst. Unabhängig davon wird eine Kappe aus einem Halbleitermaterial strukturiert und für die Montage über der mikromechanischen Struktur des MEMS-Substrats, auf dem ASIC-Substrat präpariert. Der so prozessierte Kappenwafer wird nach der Strukturierung des MEMS-Substrats auf das ASIC-Substrat gebondet, so dass die mikromechanische Struktur in einem Hohlraum zwischen ASIC-Substrat und Kappe hermetisch dicht eingeschlossen ist.
Das in der US 2011/0049652 A1 beschriebene Bauteil ist mit einer Kondensatoranordnung ausgestattet, die - je nach MEMS-Funktion - zum Erfassen von extern verursachten Auslenkungen des Strukturelements genutzt werden kann oder auch zum Ansteuern, d.h. zum Bewegen, des auslenkbaren Strukturelements. Dazu umfasst die Kondensatoranordnung mindestens eine auslenkbare Elektrode auf dem auslenkbaren Strukturelement des MEMS-Bauelements und feststehende Elektroden, die hier in einer strukturierten Metallschicht auf der Oberfläche des ASIC-Substrats ausgebildet sind.
Weitere hybrid integrierbare Bauteile sind aus den Druckschriften DE 10 2008 000 261 A1 , DE 10 2006 022 379 A1 , US 2006 / 0 134 821 A1 und DE 10 2009 018 266 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die die Kappe eines Bauteils der eingangs genannten Art zusätzlich zu ihrer mechanischen Funktion als Abschluss des Hohlraums und Schutz der mikromechanischen Struktur mit einer elektrischen Funktionalität ausgestattet werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kappe mindestens einen sich über die gesamte Dicke der Kappe erstreckenden Abschnitt umfasst, der so gegen das angrenzende Halbleitermaterial elektrisch isoliert ist, dass er unabhängig von den übrigen Abschnitten der Kappe elektrisch kontaktierbar ist.
Demnach werden erfindungsgemäß einzelne sich über die gesamte Dicke der Kappe erstreckende Abschnitte elektrisch entkoppelt. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehrere voneinander unabhängige elektrische Funktionen in die Kappe zu integrieren, und zwar jeweils in einen elektrisch isolierten Abschnitt der Kappe. Im einfachsten Fall werden die elektrisch isolierten Abschnitte der Kappe lediglich auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt. Es ist aber auch möglich, einzelne Abschnitte der Kappe mit komplexeren Schaltungsfunktionen zu versehen.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung und die Nutzung einer Kappe mit erfindungsgemäß elektrisch isolierten Abschnitten sowie für die Realisierung eines Bauteils mit einer derartigen Kappe.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Isolierung zwischen einzelnen Abschnitten der Kappe mit Standardverfahren der Halbleiterprozessierung erzeugt. In einer erfindungsgemäßen Variante wird die Kappe dazu zunächst strukturiert, um die einzelnen zu isolierenden Abschnitte durch umlaufende Grabenstrukturen zu definieren. Diese Grabenstrukturen werden dann ganz oder zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt. Durch rückseitiges Abdünnen der Kappe kann erreicht werden, dass sich die so erzeugten elektrisch isolierenden Strukturen über die gesamte Dicke des Kappenwafers erstrecken und die einzelnen Abschnitte elektrisch trennen.
Je nach Funktion des MEMS-Bauelements eines erfindungsgemäßen Bauteils kann es von Vorteil sein, wenn die dem Hohlraum zugewandte Oberfläche der Kappe strukturiert ist, und zwar so dass sich die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements im nicht ausgelenkten Zustand in einem definierten Abstand zu zumindest einem elektrisch isolierten Abschnitt der Kappe befindet. Mit Hilfe einer derartigen Strukturierung können in der Kappe beispielsweise Anschlagstrukturen als mechanischer Überlastschutz für das auslenkbare Strukturelement erzeugt werden, die auf einem definierten elektrischen Potential liegen. Auf diese Weise lassen sich Kurzschlüsse im Bauteil vermeiden oder ein mechanisches Berühren elektrisch detektieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die elektrisch isolierten Abschnitte der Kappe als feststehende Elektroden einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung oder Ansteuerung der mikromechanischen Struktur genutzt. Das auslenkbare Strukturelement des MEMS-Bauelements fungiert hier als Träger mindestens einer auslenkbaren Elektrode der Kondensatoranordnung. In diesem Fall kann der Abstand zwischen den Elektrodenebenen der Kondensatoranordnung durch eine geeignete Strukturierung der dem Hohlraum zugewandten Oberfläche der Kappe gezielt beeinflusst werden. So kann die Kappe beispielsweise zur Vergrößerung des Elektrodenabstands im Bereich über dem auslenkbaren Strukturelement in ihrer Dicke reduziert werden.
Wie bereits erwähnt, sind die elektrisch isolierten Abschnitte der Kappe erfindungsgemäß elektrisch kontaktierbar. Vorteilhafterweise wird die elektrische Verbindung zu den elektrisch isolierten Abschnitten der Kappe bei deren Montage über der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements hergestellt, so dass die elektrische Kontaktierung über das MEMS-Bauelement und/oder den Träger erfolgt. Dies vereinfacht die externe elektrische Kontaktierung des gesamten Bauteils.
In einer ersten Bauteilvariante ist die Funktionalität des MEMS-Bauelements in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert, das als Träger fungiert. Dieser Schichtaufbau des MEMS-Bauelements umfasst mindestens eine Leiterbahnebene und mindestens eine Funktionsschicht, in der die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements mit dem mindestens einen auslenkbaren Strukturelement ausgebildet ist. Die Leiterbahnebene ist einerseits durch mindestens eine Isolationsschicht gegen das Halbleitersubstrat isoliert und andererseits durch mindestens eine Isolationsschicht gegen die Funktionsschicht isoliert. In diesem Fall werden die elektrisch isolierten Abschnitte der Kappe vorteilhafterweise über die Leiterbahnebene des MEMS-Bauelements elektrisch kontaktiert, wie auch die MEMS-Funktion in der Funktionsschicht. Die elektrische Verbindung zwischen der Kappe und der Leiterbahnebene kann beispielsweise über eine Bondverbindung zwischen der Kappe und der Funktionsschicht und eine Kontaktöffnung zwischen Funktions- und Leiterbahnebene hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Bauteilkonzept lässt sich aber auch in vorteilhafter Weise in Form eines 3-fach Waferstacks realisieren mit einem ASIC-Bauelement als Träger, mit einem MEMS-Bauelement, dessen mikromechanische Struktur sich über seine gesamte Dicke erstreckt, und mit einer erfindungsgemäß konfigurierten Kappe. Das MEMS-Bauelement wird hier so auf dem ASIC-Bauelement montiert, dass zwischen dem auslenkbaren Strukturelement und der Oberfläche des ASIC-Bauelements ein Spalt besteht. Bei dieser Bauteilvariante werden die elektrisch isolierten Abschnitte der Kappe vorteilhafterweise über das ASIC-Bauelement elektrisch kontaktiert. Auch hier kann die elektrische Verbindung zwischen der Kappe und dem ASIC-Bauelement einfach über Bondverbindungen und ggf. Durchkontakte im MEMS-Bauelement hergestellt werden.
Wie bereits angedeutet, stellen Bauteile, deren mikromechanische Funktion auf einem kapazitiven Detektions- oder Anregungsprinzip beruht, eine bevorzugte Anwendung für das erfindungsgemäße Bauteilkonzept dar. Als besonders vorteilhaft erweist sich in diesem Zusammenhang, dass die elektrische Funktionalität der Kappe die Realisierung von Differenzkondensatoranordnungen mit drei Elektrodenebenen ermöglicht. Dazu wird das auslenkbare Strukturelement mit mindestens einer Elektrode ausgestattet, die die Mittelelektrode einer solchen Differenzkondensatoranordnung bildet. Die feststehenden „out of plane“-Elektroden werden dann einerseits auf dem Träger und andererseits auf der Kappe realisiert. Mit dieser Art der Kondensatoranordnung kann eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit der MEMS-Funktion erzielt werden, da auf gegebenem Bauraum die Fläche der Detektionsmittel vergrößert wird. Zusätzlich kann durch mehr räumlich getrennte Detektionsmittel bei mikromechanischen Beschleunigungssensoren eine verbesserte Offsetstabilität erreicht werden. Bei mikromechanischen Drehratensensoren, insbesondere out-of-plane detektierenden Sensoren kann durch die Anordnung von Elektroden oberhalb und unterhalb der beweglichen Struktur der Einfluss von Störeffekte, wie Verbiegung und Vibration, reduziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemä-ßen Sensorbauteils 100 in Form eines 2-fach-Waferstacks, und
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemä-ßen Inertialsensor-Bauteils 200 in Form eines 3-fach-Waferstacks.

Ausführungsformen der Erfindung
Das in den 1 dargestellte Sensorbauteil 100 besteht im Wesentlichen aus einem MEMS-Bauelement 10 und einer Kappe 20.
Die Funktionalität des MEMS-Bauelements 10 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat handeln. Der Schichtaufbau umfasst eine Leiterbahnebene 3 und eine Funktionsschicht 5. Die Leiterbahnebene 3 ist hier in Form einer dotierten Polysiliziumschicht realisiert, die über einer ersten Isolationsschicht 2 aus z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf dem Halbleitersubstrat 1 abgeschieden wurde. Die Leiterbahnebene kann aber beispielsweise auch in Form einer Metallschicht, aus z.B. Al, Cu, Au oder Pt, realisiert sein. Durch Strukturierung der Polysiliziumschicht 3 wurden einzelne Bereiche der Leiterbahnebene 3 räumlich voneinander getrennt, um so Leiterbahnen, einen Anschlussbereich 31 für die mikromechanische Sensorstruktur und auch eine feststehende Elektrode 32 einer Messkondensatoranordnung zu erzeugen. Über der so strukturierten Leiterbahnebene 3 wurde dann zunächst eine weitere Isolationsschicht 4 erzeugt und strukturiert, bevor eine dicke Funktionsschicht 5, z.B. aus Polysilizium auf dem Schichtaufbau abgeschieden wurde. Die Isolationsschicht 4 dient hier als elektrische Isolation zwischen der Leiterbahnebene 3 und der Funktionsschicht 5, aber auch als Opferschicht, die nach der Strukturierung der Funktionsschicht 5 bereichsweise entfernt wurde, um die so erzeugte mikromechanische Sensorstruktur in der Funktionsschicht 5 freizustellen. Dementsprechend bestimmt die Dicke der Opferschicht 4 den Abstand zwischen der mikromechanischen Sensorstruktur und der Elektrode 32 in der Leiterbahnebene 3. Typische Abstände zwischen der mikromechanischen Sensorstruktur und der Leiterbahnebene 3 sind 0,5µm bis 3µm, bevorzugt 1,0µm bis 2,0µm. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die mikromechanische Sensorstruktur eine seismische Masse 11, die sowohl mechanisch als auch elektrisch an den Anschlussbereich 31 der Leiterbahnebene 3 angebunden ist. Die seismische Masse 11 fungiert als bewegliche Elektrode der Messkondensatoranordnung.
Die Kappe 20 wurde unabhängig vom MEMS-Bauelement 10 strukturiert und vorprozessiert. Dabei wurden erfindungsgemäß elektrisch isolierte Abschnitte 21, 22 erzeugt, die durch eine sich über die gesamte Dicke der Kappe 20 erstreckende elektrische Isolierung 23 abgegrenzt sind.
Dazu wurden in einem ersten Ätzschritt Vertiefungen 24 und 25 in der Oberfläche der Kappe 20 erzeugt. Das Ätzverfahren bestimmt die Form der resultierenden Grabenstruktur. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel im ersten Ätzschritt isotropes KOH-Ätzen angewandt wurde, sind die Vertiefungen 24 und 25 hier V-förmig. Während die Vertiefungen 24 die elektrisch isolierten Abschnitte 21 und 22 sowie einen Rahmenbereich 26 definieren, werden durch die Vertiefungen 25 Kontaktbereiche 27 für die elektrisch isolierten Abschnitte 21, 22 definiert. In einem zweiten anisotropen Ätzschritt wurden die Vertiefungen 24 bis zu einer bestimmten Tiefe weiter getrencht. Diese Isolationstrenchs 23 wurden dann mit einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. einem Oxid, verfüllt. Danach wurde die Kappe 20 rückseitig soweit zurückgeschliffen, dass sich die verfüllten Isolationstrenchs 23 nun über die gesamte Restdicke der Kappe 20 erstrecken.
Die so prozessierte Kappe 20 wurde dann face-down, also mit der Strukturierten Oberfläche, auf dem Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 montiert. Sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen der Kappe 20 und dem MEMS-Bauelement 10 wurde hier in einem Bondverfahren unter Verwendung von elektrisch leitenden Verbindungsmaterialien 7 hergestellt. Dafür eignen sich beispielsweise elektrisch leitfähige Metalle, wie Al, Au, Cu, dotierte Halbmetalle, wie Si oder Ge, oder auch Metalllegierungen, vorzugsweise in eutektischer Zusammensetzung, wie z.B. Si/Au oder Al/Ge. Durch die eutektische Zusammensetzung wird die Schmelztemperatur im Vergleich zu den reinen Legierungsbestandteilen reduziert, was Vorteile bei der Herstellung einer Bondverbindung bringt. Mit der umlaufenden Bondverbindung 7 im Rahmenbereich 26 wird sichergestellt, dass die Sensorstruktur mit der seismischen Masse 11 hermetisch dicht zwischen dem MEMS-Substrat 1 und der Kappe 20 eingeschlossen ist. Die Bondverbindungen 7 in den Kontaktbereichen 27 dienen in erster Linie der elektrischen Kontaktierung der elektrisch isolierten Abschnitte 21 und 22, die als weitere feststehende Elektroden der Messkondensatoranordnung genutzt werden. Diese Elektroden 21 und 22 sind über die Bondverbindung 7 und das MEMS-Bauelement 10 an die Leiterbahnebene 3 angeschlossen.
Demnach umfasst die Messkondensatoranordnung des Sensorbauteils 100 also drei Elektrodenebenen, nämlich die Leiterbahnebene 3 mit der feststehenden Elektrode 32, die Funktionsschicht 5 mit der seismischen Masse 11 als auslenkbarer Elektrode und den Kappenwafer 20 mit den elektrisch isolierten Abschnitten 21 und 22, die als weitere feststehende Elektroden der Kondensatoranordnung fungieren. Die Auslenkungen der seismischen Masse 11 können mit dieser Messkondensatoranordnung als Kapazitätsänderung erfasst werden.
Bei einer derartigen Kondensatoranordnung ist es besonders sinnvoll und effektiv, wenn die beiden Ebenen mit den feststehenden Elektroden 32 und 21, 22 symmetrisch zur seismischen Masse 11 angeordnet sind, wenn also der Abstand zwischen den Abschnitten 21, 22 der Kappe 20 und der Oberseite der seismischen Masse 11 und der Abstand zwischen der Leiterbahnebene 3 und der Unterseite der seismischen Masse 11 in etwa gleich groß sind. Vorteilhafterweise ist deshalb die Dicke der Bondverbindung 7 auf die Dicke der Isolations- bzw. Opferschicht 4 abgestimmt. Dies bietet insbesondere bei Inertialsensoren Performancevorteile. Unter anderem trägt dies zur Vibrationsrobustheit und zu einer verbesserten Offset-Stabilität bei, da insbesondere bei Sensoren, die sich aus der Ebene bewegen, eine volldifferentielle Auswertung der Kapazitätsänderung erfolgen kann. Dabei wird bei Bewegung die eine Kapazität erhöht, die andere erniedrigt, so dass in Summe mehr Signal auf bestehender Baufläche realisiert ist.
Im Unterschied zum voranstehend beschriebenen Sensorbauteil 100 handelt es sich bei dem in 2 dargestellten Sensorbauteil 200 um einen 3-fach Waferstack mit einem ASIC-Bauelement 201 als Träger, einem MEMS-Bauelement 210, dessen mikromechanische Struktur sich über die gesamte Dicke des Bauelements erstreckt, und einer Kappe 220.
Das ASIC-Bauelement 201 umfasst ein Ausgangssubstrat 202, in das Schaltungsfunktionen 204 integriert sind. Diese sind über die Schaltungsebenen 205 des Backendstapels 203 auf dem Ausgangssubstrat 202 miteinander verschaltet. Diese Schaltungsebenen 205 sind in Form von strukturierten Metallschichten realisiert, die durch Isolationsschichten räumlich und elektrisch voneinander und vom Ausgangssubstrat 202 getrennt sind. Im ASIC-Bauelement 201 sind vorteilhafterweise zumindest Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung für das zugeordnete MEMS-Bauelement 210 integriert. Daneben können aber auch MEMS-unabhängige Schaltungsfunktionen realisiert sein. In der obersten Schaltungsebene des ASIC-Bauelements 201 sind hier ein Anschlussbereich 206 für die seismische Masse 211 des MEMS-Bauelements 210 ausgebildet, zwei Elektroden 207 einer Messkondensatoranordnung, Anschlussbereiche 208 für die elektrisch isolierten Abschnitte 221, 222 der Kappe 220, ein umlaufender Montagebereich 209 für die Kappe 220 und ein Bondpadbereich 40 zur externen Kontaktierung des Sensorbauteils 200.
Das MEMS-Bauelement 210 ist auf dem Backendstapel 203 des ASIC-Bauelements 201 montiert, und zwar so, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 211 und dem Backendstapel 203 besteht. Dazu ist das MEMS-Bauelement 210 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Durchkontakt 212 im Anschlussbereich 206 sowohl mechanisch als auch elektrisch mit dem ASIC-Bauelement 201 verbunden. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem MEMS-Bauelement 210 um einen z-Beschleunigungssensor im Wippendesign. Die mikromechanische Sensorstruktur erstreckt sich über die gesamte Dicke des MEMS-Bauelements 210 und ist über den außermittig angeordneten Durchkontakt 212 wippenartig federnd gelagert, was durch den Pfeil in 2 veranschaulicht wird. Auch im Fall des Sensorelements 200 fungiert die Wippenstruktur 211 als auslenkbare Elektrode der Messkondensatoranordnung.
Die Kappe 220 ist hier über dem MEMS-Bauelement 210 ebenfalls auf dem Backendstapel 203 des ASIC-Bauelements 201 montiert. Wie die Kappe 20 des Sensorbauteils 100 ist auch die Kappe 220 strukturiert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Kappe 220 auch in Form eines Schichtaufbaus realisiert sein kann und/oder als Verbund von mehreren Halbleitersubstraten. Erfindungsgemäß umfasst die Kappe 220 elektrisch isolierte Abschnitte 221 und 222, die sich über die gesamte Dicke der Kappe 220 erstrecken, wie auch die elektrische Isolierung 223 zwischen den Abschnitten 221 und 222. Die beiden elektrisch isolierten Abschnitte 221 und 222 sind jeweils gegenüber den Elektroden 207 auf dem Backendstaple 203 des ASIC-Bauelements 201 angeordnet und werden ebenfalls als feststehende Elektroden der Messkondensatoranordnung genutzt. Die elektrische Kontaktierung dieser Abschnitte 221 und 222 erfolgt über stützenartige Fortsätze 224 in der dem ASIC-Bauelement 201 zugewandten Oberfläche der Kappe 220 und deren elektrisch leitende Bondverbindung in den Anschlussbereichen 208 in der obersten Schaltungsebene des ASIC-Backendstapels 203. Die Abschnitte 221 und 222 der Kappe 220 sind nicht nur gegeneinander elektrisch isoliert, sondern auch gegen einen umlaufenden Randbereich 226, über den die Kappe 220 hermetisch dicht mit dem Montagebereich 209 verbunden ist. Im Fall des hier dargestellten Bauteils 200 ist also das gesamte MEMS-Bauelement 210 in dem Hohlraum 227 zwischen ASIC-Bauelement 201 und Kappe 220 angeordnet.
Bei einer Beschleunigung in z-Richtung wird die Wippenstruktur 211 ausgelenkt bzw. verkippt. Zu beiden Seiten des Durchkontakts 212, der Lagerung der Wippenstruktur 211, vergrößert sich dabei entweder das obere oder das untere Elektrodengap zwischen der Wippenstruktur 211 und einer gegenüberliegenden feststehenden Elektrode, während sich das andere Elektrodengap zwischen der Wippenstruktur 211 und der anderen gegenüberliegenden feststehenden Elektrode verringert, was jeweils zu entsprechenden Kapazitätsänderungen führt. Die Wippenstruktur 211 bildet so zusammen mit den feststehenden Elektroden 207 in der obersten Schaltungsebene des ASIC-Backendstapels 203 und den feststehenden Elektroden 221 und 222 der Kappe 220 eine volldifferentielle Messkondensatoranordnung zum Erfassen der Auslenkungen der Wippenstruktur 211.
Das Sensorbauteil 200 wird im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik ASIC-seitig auf einen Träger, wie z.B. eine Leiterplatte, aufgesetzt und dort mechanisch fixiert. Die elektrische Kontaktierung des Sensorbauteils 200 erfolgt hier über den freiliegenden Bondpadbereich 40 in der obersten Schaltungsebene des ASIC-Backendstapels 203, also auf der Oberseite des ASIC-Bauelements 201 und über Drahtbonds 41.

Claims

Bauteil (100) mit mindestens einem MEMS-Bauelement (10) und mit mindestens einer Kappe (20) aus einem Halbleitermaterial, wobei die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements (10) in einem Hohlraum zwischen einem Träger (1) und der Kappe (20) angeordnet ist und mindestens ein Strukturelement (11) umfasst, das innerhalb des Hohlraums aus der Bauelementebene auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (20) mindestens einen sich über die gesamte Dicke der Kappe (20) erstreckenden Abschnitt (21, 22) umfasst, der so gegen das angrenzende Halbleitermaterial elektrisch isoliert ist, dass er unabhängig von den übrigen Abschnitten der Kappe (20) elektrisch kontaktierbar ist, wobei die elektrische Isolierung (23) zwischen einzelnen Abschnitten (21, 22) der Kappe (20) und dem angrenzenden Halbleitermaterial in Form von Grabenstrukturen im Halbleitermaterial realisiert sind, die sich über die gesamte Dicke der Kappe (20) erstrecken und zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt sind, wobei die dem Hohlraum zugewandte Oberfläche der Kappe (20) strukturiert ist, so dass sich die mikromechanische Struktur (11) des MEMS-Bauelements (10) im nicht ausgelenkten Zustand in einem definierten Abstand zu zumindest einem elektrisch isolierten Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) befindet, wobei zumindest ein elektrisch isolierter Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) als mechanischer Anschlag für das auslenkbare Strukturelement (11) fungiert.
Bauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elektrisch isolierter Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) als Elektrode fungiert, insbesondere zur kapazitiven Erfassung der Auslenkungen des auslenkbaren Strukturelements (11) und/oder zur kapazitiven Anregung des auslenkbaren Strukturelements (11).
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen zumindest einem elektrisch isolierten Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) und dem MEMS-Bauelement (10) und/oder dem Träger besteht.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, • wobei die Funktionalität des MEMS-Bauelements (10) in einem Schichtaufbau auf dem Träger (1) realisiert ist, • wobei der Schichtaufbau des MEMS-Bauelements (10) mindestens eine Leiterbahnebene (3) umfasst und mindestens eine Funktionsschicht (5), in der die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements (10) mit dem mindestens einen auslenkbaren Strukturelement (11) ausgebildet ist, und • wobei die Leiterbahnebene (3) einerseits durch mindestens eine Isolationsschicht (2) gegen das Halbleitersubstrat (1) isoliert ist und andererseits durch mindestens eine Isolationsschicht (4) gegen die Funktionsschicht (5) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrisch isolierte Abschnitt (21, 22) der Kappe (20) über die Leiterbahnebene (3) des MEMS-Bauelements (10) elektrisch kontaktierbar ist.
Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, • wobei sich die mikromechanische Struktur mit dem mindestens einen auslenkbaren Strukturelement (211) über die gesamte Dicke des MEMS-Bauelements (210) erstreckt, und • wobei ein ASIC-Bauelement (201) als Träger fungiert, auf dem das MEMS-Bauelement (210) montiert ist, so dass zwischen dem auslenkbaren Strukturelement (211) und der Oberfläche des ASIC-Bauelements (201) ein Spalt besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrisch isolierte Abschnitt (221, 222) der Kappe (220) über das ASIC-Bauelement (201) elektrisch kontaktierbar ist.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und/oder Anregung des mindestens einen auslenkbaren Strukturelements (11), insbesondere Inertialsensor-Bauteil mit einer seismischen Masse als auslenkbarem Strukturelement, • bei dem das auslenkbare Strukturelement (11) mit mindestens einer Elektrode der Kondensatoranordnung ausgestattet ist, • bei dem auf dem Träger (1) mindestens eine feststehende Gegenelektrode (32) der Kondensatoranordnung ausgebildet ist und • bei dem auf der Kappe (20) in mindestens einem elektrisch isolierten Abschnitt (21, 22) mindestens eine weitere feststehende Gegenelektrode der Kondensatoranordnung ausgebildet ist.