DE102014202825A1

DE102014202825A1 - Mikromechanisches Bauteil mit hermetischer Durchkontaktierung und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils mit einer hermetischen Durchkontaktierung

Info

Publication number: DE102014202825A1
Application number: DE102014202825.6A
Authority: DE
Inventors: Rainer Straub; Stefan Liebing; Johannes Baader; Andreas Duell; Frederic Njikam Njimonzie; Joerg Muchow; Helmut Grutzeck; Simon Armbruster; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: DE102014202825B4; US20150232330A1; CN104843629A; US9725311B2; CN104843629B

Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils. Das mikromechanische Bauteil umfasst: ein hermetisch geschlossenes Gehäuse (10); ein erstes funktionalen Bauelement (12), welches innerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist; eine erste strukturierte elektrisch leitende Schicht (14), welche das erste funktionale Bauelement (12) kontaktiert und welche innerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist; und eine zweite strukturierte elektrisch leitende Schicht (24), wobei die erste leitende Schicht (14) über die zweite leitende Schicht (24) elektrisch kontaktiert ist und wobei die zweite leitende Schicht (24) über eine hermetische Durchkontaktierung (18-i, 26-i) in der zweiten leitenden Schicht (24) lateral durch das Gehäuse hindurch elektrisch kontaktierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit hermetischer Durchkontaktierung und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils mit einer hermetischen Durchkontaktierung. Die hermetische Durchkontaktierung ist insbesondere, in Bezug auf mindestens ein Substrat des Bauteils, eine laterale Durchkontaktierung.
Stand der Technik
Es ist häufig von Vorteil, elektronische Schaltkreise, Sensoren, MEMS oder MOEMS hermetisch zu verpacken. Meistens steht ein Schutz gegen harsche Umgebungseinflüsse im Vordergrund, beispielsweise gegen chemische Angriffe, Korrosion, Feuchtigkeit, mechanische Einwirkung, Hitze oder Strahlung. Insbesondere bei MEMS oder MOEMS kommt häufig der Aspekt hinzu, dass ein bestimmter Innendruck eingestellt werden soll, der in dem System eine definierte Dämpfung garantiert.
In der US 7 358 106 B2 ist ein hermetisch verschlossenes Bauteil für einen MEMS-Baustein beschrieben. Ein Teil der Verpackungs-Abdeckung wird unter dem Bauteil umgeknickt, um eine dauerhafte Versiegelung des Bauteils zu gewährleisten. Der MEMS-Baustein ist über Bonddrähte mit Durchkontaktierungen verbunden, welche zum Kontaktieren des MEMS-Bausteins senkrecht durch ein Grundsubstrat des Bauteils hindurch ausgebildet sind.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Demgemäß ist vorgesehen ein mikromechanisches Bauteil mit hermetischer Durchkontaktierung mit: einem hermetisch geschlossenen Gehäuse; einem ersten funktionalen Bauelement, welches innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; einer ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht, welche das erste funktionale Bauelement kontaktiert und welche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; und einer zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht, wobei die erste leitende Schicht über die zweite leitende Schicht elektrisch kontaktiert ist und wobei die zweite leitende Schicht über eine hermetische Durchkontaktierung in der zweiten leitenden Schicht lateral durch das Gehäuse hindurch elektrisch kontaktierbar ist.
Unter einer lateralen Richtung soll insbesondere eine Richtung parallel zu einem Substrat, beispielsweise einem Grundsubstrat, verstanden sein, welche also senkrecht auf einer Normalen auf das Grundsubstrat steht.
Die laterale Durchkontaktierung kann insbesondere durch getrenchte Gräben erfolgen, deren Seitenwände durch eine Passivierung elektrisch isoliert sind und welche beispielsweise mit einem Metall oder Polysilizium gefüllt werden. Nach einer Abscheidung einer Passivierungsschicht sind die versenkten Bahnen, etwa Metallbahnen, rundum passiviert. Die Oberfläche kann planarisiert werden, bevor beispielsweise ein weiterer Wafer dagegen gebondet wird.
Weiterhin ist vorgesehen ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit den Schritten: Ausbilden eines ersten funktionalen Bauelements auf einem ersten Substrat; Ausbilden einer ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht, welche das erste funktionale Bauelement kontaktiert, auf dem ersten Substrat; Ausbilden einer zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht auf dem ersten Substrat, wobei die erste leitende Schicht über die zweite leitende Schicht elektrisch kontaktiert wird; und Ausbilden eines Gehäuses, welches das erste funktionale Bauelement und die erste strukturierte elektrisch leitende Schicht hermetisch verschließt; wobei die zweite leitende Schicht über eine hermetische Durchkontaktierung in der zweiten leitenden Schicht lateral durch das Gehäuse hindurch elektrisch kontaktierbar ist.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass das Ausbilden von vertikalen Durchkontaktierungen, also senkrecht zu einem Substrat, an ein mikromechanisches Bauteil häufig beträchtlichen technischen Aufwand erfordert oder unmöglich ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine niederohmige Durchkontaktierung (vorteilhafterweise mit einem Widerstand weniger als 1 Ohm) für einen stromgetriebenen Mikrospiegel in einem hermetisch verschlossenen Chip realisiert werden soll. Dabei befindet sich üblicherweise ein Magnet auf einer ersten Seite eines Mikrospiegels und ein optisches Fenster auf einer anderen, gegenüberliegenden Seite des Mikrospiegels. Durch ein Ausbilden von lateralen Durchkontaktierungen kann ein technisch verhältnismäßig wenig aufwändiges, langzeitstabiles mikromechanisches Bauteil bereitgestellt werden, das dennoch hohe Anforderungen erfüllen kann. Bei solchen Anforderungen kann es sich beispielsweise um das Erfordernis eines hohen maximal zuführbaren Stroms bei gleichzeitig sehr langer Lebensdauer handeln.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein mikromechanisches Bauteil mit lateralen Durchkontaktierungen bereitzustellen, welches hermetisch verschlossen ist und in welches dennoch auch vergleichsweise hohe elektrische Ströme geleitet werden können. Weiterhin ist das Bauteil besonders robust gegenüber üblichen Umwelteinflüssen, welche die Funktion und/oder die Lebensdauer des Bauteils mitunter beeinträchtigen bzw. verringern können.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die hermetische Durchkontaktierung eine Vielzahl von parallel geschalteten Leiterbahnen auf. Dadurch können die einzelnen Leiterbahnen mit geringen Dimensionen, insbesondere mit kleinen Querschnittsflächen, ausgebildet werden, während gleichzeitig ein relativ hoher Strom über die Leiterbahnen leitbar ist. Leiterbahnen mit kleinen Querschnittsflächen können weniger anfällig sein für mechanische Spannungen aufgrund von steigenden Temperaturen, welche zu Rissen in Isolationsgräben führen können. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Passivierung über Metallbahnen nach einer Politur planar ist, damit sich keine parasitären Kanäle bilden, welche zu Undichtigkeiten führen können. Bei dünnen Leiterbahnen, also Leiterbahnen mit kleinen Querschnittsflächen, ist die Wahrscheinlichkeit verhältnismäßig geringer, dass die Passivierung nach der Politur noch eine Resttopographie aufweist.
Vorteilhaft sind weiterhin dicke Passivierungen, insbesondere über den durchkontaktierenden Leiterbahnen, da hierdurch der Effekt verringert werden kann, dass nach der Politur eine Resttopographie erhalten bleibt. Bezogen auf einen gesamten Schichtstapel des mikromechanischen Bauteils befinden sich die Leiterbahnen vorteilhafter Weise möglichst nah an einer Substratoberfläche.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Bauteil weiterhin ein zweites funktionales Bauelement auf, welches innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, mit einem zweiten Strombedarf, welcher geringer als ein erster Strombedarf des ersten Bauelements ist. Das zweite funktionale Bauelement ist über die zweite strukturierte leitende Schicht elektrisch kontaktiert. Somit kann das Ausbilden zusätzlicher Ebenen und Strukturen vermieden werden, indem die zweite leitende Schicht nicht nur für die Durchkontaktierung, sondern auch für die Kontaktierung des zweiten Bauelements verwendet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Gehäuse ein Substrat auf, auf welchem ein Bondrahmen aufgebracht ist. Die zweite leitende Schicht ist zwischen der ersten leitenden Schicht und dem Substrat angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite leitende Schicht von dem Substrat isoliert. Dies kann beispielsweise durch eine Oxidschicht erfolgen. Hierdurch werden potentiell störende Leckströme verringert oder verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite leitende Schicht eine elektrische Verbindung zu dem Substrat auf. Die elektrische Verbindung erfolgt über eine n dem Substrat ausgebildete erste Wanne. Die erste Wanne ist gegenüber dem Substrat in Sperrrichtung gepolt. Hierdurch können auch bei einem Anlegen von Wechselstrom an das erste funktionale Bauelement potentiell störende Leckströme verringert oder verhindert werden, welche die Regelung des Bauteils, insbesondere eines Stellelements des Bauteils, behindern können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein erster Kontakt des ersten Bauteils über eine erste hermetische Durchkontaktierung kontaktiert. Ein zweiter Kontakt des ersten Bauteils kann über eine zweite hermetische Durchkontaktierung kontaktiert sein. Die erste hermetische Durchkontaktierung kann über die erste in dem Substrat ausgebildete Wanne mit dem Substrat verbunden sein. Die zweite hermetische Durchkontaktierung kann über eine zweite in dem Substrat ausgebildete Wanne mit dem Substrat verbunden sein. Die erste und die zweite Wanne können auf ein gemeinsames Potential gelegt sein. Somit können die Wannen, etwa gegenüber einem Substrat, in Sperrrichtung gepolt sein, sodass beispielsweise keine elektrischen Ströme von der ersten oder zweiten Durchkontaktierung zu dem Substrat fließen können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Metallisierung der Durchkontaktierung, oder einer oder aller von mehreren Durchkontaktierungen, in Wolfram ausgeführt. Durch die verhältnismäßig hohe Stromtragfähigkeit solcher Durchkontaktierungen kann die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Elektromigration verringert werden. Eine Metallisierung des ersten Bauelements und/oder der ersten leitenden Schicht ist vorteilhafter Weise in Kupfer ausgeführt. Dadurch kann sich ein besonders geringer elektrischer Widerstand für die entsprechenden Elemente ergeben. Eine Metallisierung der Durchkontaktierung ist vorteilhafterweise über salizidiertem Silizium angeordnet. Hierdurch kann der Einfluss punktuell unterbrochener Metallbahnen praktisch vollständig nivelliert werden. Statt über salizidiertem Silizium kann die Metallisierung der Durchkontaktierung auch über einer Diffusion und/oder über einer Kombination aus Diffusion und Salizid angeordnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erfolgt ein Abscheiden einer Metallisierung der ersten und/oder der zweiten leitenden Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder mittels Tampongalvanisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A‘ in 1 durch das mikromechanische Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B‘ in 1 durch das mikromechanische Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform;
4 eine schematische Querschnittsansicht durch ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Schaltdiagramm zum Erläutern einer Funktion des mikromechanischen Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zwei beispielhafte Graphen zum Erläutern der Funktion des mikromechanischen Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform;
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ein schematisches Flussdiagram zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Buchstabe „i“ fungiert teilweise als Platzhalter für Ziffern in Bezugszeichen, um eine knappere und übersichtlichere Beschreibung zu ermöglichen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 sind einige Schichten zum besseren Verständnis durchsichtig dargestellt, so dass wichtige Elemente des Bauteils gleichzeitig und in ihrer Anordnung zueinander beschreibbar sind. In 1 wird teilweise auf Bezugszeichen verwiesen, welche in den folgenden 2 und 3 gezeigt sind.
Das mikromechanische Bauteil 1 weist ein hermetisch geschlossenes Gehäuse 10 auf. In dem hermetisch geschlossenen Gehäuse 10 kann sich ein Hohlraum befinden, in welchem beispielsweise ein bestimmter Innendruck eingestellt werden kann. Sind innerhalb des Gehäuses 10 bewegliche funktionale Bauelemente angeordnet, kann durch den eingestellten Innendruck eine definierte Dämpfung der beweglichen Bauteile vorteilhaft garantiert werden. Ein solcher Hohlraum bzw. eine Kaverne kann beispielsweise zwischen ersten bis vierten Wänden 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 eines Bondrahmens des Gehäuses 10 angeordnet sein. Der Bondrahmen mit den Wänden 11-i kann Teil eines ersten Wafers mit einem ersten Substrat 30 sein, durch welchen auch eine Begrenzungsfläche der Kaverne gebildet sein kann. Der Bondrahmen 11-i kann Oxidschichten aufweisen oder aus Oxidschichten bestehen. Ein endgültiges hermetisches Verschließen der Kaverne kann durch Bonden des ersten Wafers und einem zweiten Wafer erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine anodische Glasbondung, eine eutektische Bondung oder eine Seal-Glass-Bondung verwendet werden. Um einen reduzierten Innendruck innerhalb der Kaverne zu realisieren, können Bondprozesse in einem Vakuum durchgeführt werden.
Gemäß 1 ist innerhalb des Gehäuses 10 eine Spule 12 als ein erstes funktionales Bauelement angeordnet. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Spule 12 eine planare eckige Spirale mit drei Windungen, welche größtenteils als Teil einer ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht 14 ausgebildet ist. Die Spule 12 kann in einem Planarkupferverfahren hergestellt werden. Ein erstes Ende der Spule 12 wird von einem ersten Leiterabschnitt 16-1 kontaktiert. Ein zweites Ende der Spule 12 wird von einem zweiten Leiterabschnitt 16-2 kontaktiert. Die Leiterabschnitte 16-1, 16-2 sind ebenfalls Teil der ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht 14. Die Spule 12 ist mit dem zweiten Leiterabschnitt 16-2 elektrisch über einen dritten Leiterabschnitt 13 verbunden, welcher in einer dritten strukturierten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet ist. Gemäß der ersten Ausführungsform ist der dritte Leiterabschnitt 13 parallel zu einer ersten Ebene E1, in welcher die planare Spule 12 angeordnet ist.
Die erste strukturierte elektrisch leitende Schicht 14 weist vorteilhafter Weise als stromtragende Bauelemente Kupferbahnen mit möglichst großem Querschnitt auf. Die Kupferbahnen sind dabei rundum, auch gegen ein Substrat des Bauteils, isoliert.
Der erste Leiterabschnitt 16-1 ist mit einer ersten hermetischen Durchkontaktierung 18-1 durch die erste Wand 11-1 des Bondrahmens elektrisch verbunden. Die erste Durchkontaktierung 18-1 ist in einer zweiten Ebene E2 ausgebildet, welche von der ersten Ebene E1 getrennt ist, aber an die erste Ebene E1 angrenzt. Die erste Durchkontaktierung 18-1 weist eine erste Vielzahl von parallelgeschalteten Leiterbahnen auf. Die erste Durchkontaktierung 18-1 ist elektrisch leitend und erstreckt sich, lateral in Bezug auf die erste und die zweite Ebene E1, E2, durch die erste Wand 11-1 des hermetisch geschlossenen Gehäuses 10. Die erste Ebene E1 kann beispielsweise zwischen 1 und 10 μm, vorzugsweise zwischen 2 und 8 μm, insbesondere zwischen 3 und 6 μm hoch sein.
Die erste Vielzahl der parallelgeschalteten Leiterbahnen ist in Reihe zwischen dem ersten Leiterabschnitt 16-1 und einem ersten Kontaktpad 20-1 angeordnet. Das erste Kontaktpad 20-1 befindet sich an der Außenseite des Gehäuses 10. Über das erste Kontaktpad 20-1, die ersten Durchkontaktierung 18-1 mit der ersten Vielzahl von Leiterbahnen und über den ersten Leiterabschnitt 16-1 ist somit ein erster Anschluss der Spule 12 an einer Außenseite des Gehäuses 10 kontaktierbar. Das erste Kontaktpad 20-1 ist gemäß der ersten Ausführungsform in der dritten strukturierten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet, welche sich am oder auf einer von der zweiten Ebene E2 abgewandten Seite der ersten Ebene E1 befindet.
Ebenfalls in der zweiten Ebene E2 ist eine zweite Durchkontaktierung 18-2 ausgebildet. Die zweite Durchkontaktierung 18-2 weist eine zweite Vielzahl von parallelgeschalteten Leiterbahnen auf. Auch die zweite Durchkontaktierung 18-2 ist eine laterale hermetische Durchkontaktierung durch das Gehäuse 10. Die zweite Vielzahl der parallelgeschalteten Leiterbahnen ist in Reihe zwischen dem zweiten Leiterabschnitt 16-2 und einem zweiten Kontaktpad 20-2 angeordnet. Das zweite Kontaktpad 20-2 befindet sich an der Außenseite des Gehäuses 10. Über das zweite Kontaktpad 20-2, die zweite Durchkontaktierung 18-2 mit der zweiten Vielzahl von Leiterbahnen und über den zweiten Leiterabschnitt 16-2 ist somit ein zweiter Anschluss der Spule 12 an der Außenseite des Gehäuses 10 kontaktierbar. Das zweite Kontaktpad 20-2 ist gemäß der ersten Ausführungsform in der dritten strukturierten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet.
In der zweiten Ebene E2, in welcher auch die erste und die zweite Durchkontaktierung 18-1, 18-2 ausgebildet sind, sind gemäß der ersten Ausführungsform weiterhin vier einzelne erste bis vierte Leiterbahnen 26-1, 26-2, 26-3, 26-4 als weitere, dritte bis sechste, laterale Durchkontaktierungen durch die erste Wand 11-1 ausgebildet. Die erste Durchkontaktierung 18-1, die zweite Durchkontaktierung 18-2 und die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i sind allesamt Teil einer zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht 24, welche innerhalb der zweiten Ebene E2 angeordnet und ausgebildet ist.
Gemäß der ersten Ausführungsform dienen die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i zum Kontaktieren eines Sensierelements 22 als zweiten funktionalen Bauelement. Das Sensierelement 22 ist ebenfalls innerhalb der zweiten Ebene E2 angeordnet.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist das Sensierelement eine Piezobrücke, mittels welcher eine Position eines Stellelements bestimmbar ist. Benötigt das Sensierelement 22 eine verhältnismäßig große Menge elektrischen Stroms, können auch die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i jeweils mit mehrfachen parallelen Zweigen ausgestattet sein, analog zu den ersten und zweiten Durchkontaktierungen 18-1, 18-2. Gemäß der ersten Ausführungsform weisen die Leiterbahnen der ersten bis sechsten Durchkontaktierungen 18-i, 26-i jeweils eine kleinere Querschnittsfläche auf als der erste und zweite Leiterschnitt 16-i und die Spule 12. Allgemeiner ausgedrückt weisen die stromtragenden Elemente in der zweiten Schicht 24 vorteilhafter Weise kleinere Querschnittsflächen auf als die stromtragenden Elemente in der ersten Schicht 14.
Bei dem Stellelement kann es sich beispielsweise um einen beweglichen Mikrospiegel handeln, welcher innerhalb des Hohlraums in dem Gehäuse 10 angeordnet ist. Das Stellelement kann beispielsweise durch gezieltes Bestromen der Spule 12 verstellbar sein. Eine laterale Breite der durchkontaktierenden Leiterbahnen, also der ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i und der ersten und zweiten Vielzahl von Leiterbahnen der ersten und zweiten Durchkontaktierungen 18-i ist vorteilhafterweise kleiner als 1 μm. Dabei können verschiedene Leiterbahnen verschiedene laterale Breiten aufweisen. Unter der lateralen Breite soll eine Breite in einer Richtung parallel zu der ersten und zweiten Ebene E1, E2 und der ersten Wand 11-1 sowie senkrecht zu der zweiten und dritten Wand 11-2, 11-3 verstanden sein.
Das Ausbilden der ersten und zweiten Vielzahl von Leiterbahnen in der ersten und zweiten Durchkontaktierung 18-i ermöglicht ein Betreiben der Spule 12 mit einem Strom in einer Höhe von beispielsweise mehr als 100 mA. Durch die geringe laterale Breite können mechanische Spannungen, beispielsweise bei steigender Temperatur verringert werden, welche zu Rissen in Isolationsgräben führen können. Dadurch, dass jeweils eine Vielzahl von Leiterbahnen in den ersten und zweiten Durchkontaktierungen 18-i ausgebildet ist, kann dennoch ein relativ großer Strom geleitet werden. Vorteilhafterweise weisen der erste und zweite Leiterabschnitt 16-i sowie die Spule 12 in der ersten leitenden Schicht 14 jeweils einen möglichst großen Querschnitt auf.
Für die Kontaktierung des Sensierelements 22 ist ein Metall-Silizium-Kontakt realisiert. Gemäß der ersten Ausführungsform wird für die zweite strukturierte elektrisch leitende Schicht 24 ein Metall, beispielsweise Kupfer, vorteilhafter Weise Wolfram mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung in Isolationsgräben abgeschieden. Das heißt, die Durchkontaktierung durch das Gehäuse 10, welche durch die ersten und zweiten Durchkontaktierungen 18-i und die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i realisiert ist, ist gemäß der ersten Ausführungsform in Wolfram realisiert. Alternativ kann beispielsweise auch Aluminium verwendet werden. Vorteilhafterweise werden insgesamt möglichst wenig Ebenen verwendet, um die Komplexität des Bauteils bzw. den technischen Aufwand für die Herstellung des Bauteils möglichst gering zu halten.
Die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i sind jeweils mit einem dritten bis sechsten Kontaktpad 28-1, 28-2, 28-3, 28-4 elektrisch verbunden. Die dritten bis sechsten Kontaktpads 28-i sind ebenfalls an der Außenseite des Gehäuses 10 als Teil der dritten strukturierten leitenden Schicht ausgebildet.
Ein Querschnitt entlang der Linie zwischen den Bezugszeichen A und A’ ist in 2 dargestellt. Ein Querschnitt entlang der Linie zwischen B und B’ ist in 3 dargestellt.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A‘ in 1 durch das mikromechanische Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform.
Gemäß 2 ist die zweite Ebene E2 an einer Außenfläche 30-f eines ersten Substrats 30 ausgebildet. Die erste Ebene E1 ist an einer von dem ersten Substrat 30 abgewandten Seite der zweiten Ebene E2 ausgebildet. An einer von dem ersten Substrat 30 abgewandten Seite der ersten Ebene E1 ist mit einer Außenfläche 40-f ein zweites Substrat 40 ausgebildet bzw. angeordnet. Die Bestandteile der ersten und zweiten Ebene E1, E2, welche nicht zu der ersten oder strukturierten elektrisch leitenden Schicht 14, 24 gehören, sind vorteilhafterweise nicht leitend und weisen beispielsweise eine oder mehrere Oxidschichten 32 auf. Innerhalb des in 2 gezeigten Querschnitts sind die erste und die zweite strukturierte leitende Schicht 14, 24 nicht in elektrischem Kontakt. Ist die erste strukturierte Schicht 14 in einer Isolationsschicht – wie etwa einer Oxidschicht 32 – eingebettet, wirkt diese Isolationsschicht gleichzeitig vorteilhaft als Passivierung über den Durchkontaktierungen.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B‘ in 1 durch das Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Querschnitt gemäß 3 ist kein Element der ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht 14 zu sehen. Das Kontaktieren des ersten Leiterabschnitts 16-1 mit der ersten Durchkontaktierung 18-1 sowie das Kontaktieren des zweiten Leiterabschnitts 16-2 mit der zweiten Durchkontaktierung 18-2 findet gewissermaßen hinter der Zeichenebene, in dem Bereich zwischen den in 2 und 3 gezeigten Querschnitten statt, wie aus 1 ersichtlich.
Gemäß 3 sind die erste und zweite Vielzahl der Leiterbahnen der ersten und zweiten Durchkontaktierungen 18-i sowie die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i als dritte bis sechste Durchkontaktierung alle durchgehend von der Außenfläche 30-f des ersten Substrats 30 bis zu der ersten Ebene E1 als metallgefüllte Gräben, das heißt im Wesentlichen als flache Quader ausgebildet. Gemäß der ersten Ausführungsform sind die Gräben im Wesentlichen senkrecht zu der Außenfläche 30-f des ersten Substrats 30 ausgebildet und zueinander im Wesentlichen parallel. Ein lateraler Abstand zwischen der ersten und der zweiten Durchkontaktierung 18-1, 18-2 ist dabei breiter als ein Abstand zwischen der zweiten Durchkontaktierung 18-2 und den ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform handelt es sich im Wesentlichen um eine Variante der ersten Ausführungsform, welche sich von der ersten Ausführungsform in der Ausgestaltung des ersten Substrats 30’ unterscheidet. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die zweite strukturierte elektrisch leitende Schicht 24 von dem ersten Substrat 30’ nicht elektrisch isoliert. Um Ströme zwischen der zweiten leitenden Schicht 24 und dem ersten Substrat 30’ zu vermeiden, sind in dem ersten Substrat 30’ eine erste, zweite und dritte Wanne 34-1, 34-2 und 34-3 ausgebildet, beispielsweise durch ein räumlich strukturiertes Dotieren des Substrats 30‘.
Die Wannen 34-i stehen miteinander nicht in direktem Kontakt, das heißt sie sind voneinander stets durch Bereiche des ersten Substrats 30’ ohne Wannen voneinander beabstandet. Die erste Wanne 34-1 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die erste Durchkontaktierung 18-1 nur über die erste Wanne 34-1 mit dem ersten Substrat 30’ elektrisch leitend verbunden ist. Die zweite Wanne 34-2 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die zweite Durchkontaktierung 18-2 nur über die zweite Wanne 34-2 mit dem ersten Substrat 30’ elektrisch leitend verbunden ist. Die dritte Wanne 34-3 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i nur über die dritte Wanne 34-3 mit dem ersten Substrat 30’ elektrisch leitend verbunden ist.
5 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm zum Erläutern einer Funktion des mikromechanischen Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der zweiten Ausführungsform sind die erste und die zweite Wanne 34-1, 34-2 auf ein gemeinsames Potential 36 gelegt, beispielsweise auf 3V. Zum Betreiben der Spule 12 mit Wechselstrom wird an das erste Kontaktpad 20-1 eine erste von der Zeit t abhängige Spannung U1(t) angelegt. An das zweite Kontaktpad 20-2 wird eine zweite von der Zeit t abhängige Spannung U2(t) angelegt.
6 zeigt zwei beispielhafte Graphen zum Erläutern der Funktion des mikromechanischen Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform. Der obere Graph in 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der ersten Spannung U1(t). Der untere Graph in 6 zeigt einen zeitlichen Verlauf der zweiten Spannung U2(t). Die erste und die zweite Spannung U1(t), U2(t) sind jeweils gleichartige Rechteckschwingungen, welche im Wesentlichen einen diskreten Wert von 0V oder von 3V annehmen. Die erste Spannung U1 ist gegenüber der zweiten Spannung U2(t) derart auf der Zeit-(t)-Achse verschoben, dass jeweils nur entweder die erste Spannung U1(t) oder die zweite Spannung U2(t) oder keine der beiden Spannungen den Wert von 3V annehmen.
Der Spitzenwert der Rechteckschwingung gleicht dem Potential, auf welches die erste und die zweite Wanne 34-1, 34-2 gelegt sind. Die Wannen 34-1, 34-2 sind somit derart gepolt, dass sie gegenüber dem ersten Substrat 30’ als n-Wannen isolierend wirken. Im Falle von p-Wannen kann das Vorzeichen der Polung geändert werden. Das Polen der ersten und zweiten Spannungen U1(t), U2(t) und der Wannen 34-1, 34-2 verhindert oder vermindert das Auftreten von unerwünschten anregenden Signalen beispielsweise im Sensierkreis des Sensierelements 24, welche durch Wegströmen in dem ersten Substrat 30’ ansonsten auftreten könnten.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Ausführungsform ist im Wesentlichen eine Variante der zweiten Ausführungsform und unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform in der Ausgestaltung des ersten Substrats 30’’, insbesondere in der Ausgestaltung der ersten bis dritten Wannen 34-1’, 34-2', 34-3’.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist in jeder der Wannen 34-i’ ein salizidierter Silizium-Widerstand 38-1, 38-2, 38-3 ausgebildet. Der jeweilige salizidierte Silizum-Widerstand 38-i ist, wie in Bezug auf die 5 und 6 beschrieben, jeweils durch eine vorgepolte Wanne 34-i’ elektrisch isoliert. Der salizidierte Silizium-Widerstand 38-i ist jeweils zwischen der ersten Durchkontaktierung 18-1, bzw. der Durchkontaktierung 18-2 bzw. den ersten bis vierten Leiterbahnen 26-i und der entsprechenden Wanne 34-i’ zwischengeschaltet.
Bei einer Abscheidung einer Metallisierung, wie sie zum Ausbilden der Leiterbahnen 18-1, 18-2, 26-i in der zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht 24 verwendet werden kann, können sogenannte Voids auftreten, welche zu einer Einengung eines Querschnitts einer der Leiterbahnen führen können. Im schlimmsten Fall kann es zu einer vollständigen Unterbrechung einer der Leiterbahnen kommen. Durch die in der ersten Durchkontaktierung 18-1 und der zweiten Durchkontaktierung 18-2 auftretenden Vielzahlen von Leiterbahnen gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform kann bereits erreicht sein, dass ein Ausfall einer einzelnen der Leiterbahnen nicht zu einer maßgeblichen Erhöhung eines Widerstands führt. Durch das Ausbilden der Leiterbahnen 18-1, 18-2, 26-i auf den salizidierten Widerständen 38-i kann der Einfluss einer punktuell unterbrochenen Leiterbahn praktisch vollständig nivelliert sein.
8 zeigt ein schematisches Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Nummerierung der Verfahrensschritte soll dabei keine Reihenfolge implizieren; es können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig erfolgen. Detailliertere Eigenschaften des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils, auch in Bezug auf dessen Herstellung, sind der Beschreibung der vorangehenden 1 bis 7 entnehmbar.
In einem Schritt S01 wird ein erstes funktionales Bauelement 12 auf einem ersten Substrat 30; 30‘; 30‘‘ ausgebildet. In einem Schritt S02 wird eine erste strukturierte elektrisch leitende Schicht 14, welche das erste funktionale Bauelement 12 kontaktiert, auf dem ersten Substrat 30; 30‘; 30‘‘ ausgebildet. In einem Schritt S03 wird eine zweite strukturierte elektrisch leitende Schicht 24 auf dem ersten Substrat 30; 30‘; 30‘‘ ausgebildet, wobei die erste leitende Schicht 14 über die zweite leitende Schicht 24 elektrisch kontaktiert wird.
In einem Schritt S04 wird ein Gehäuse 10, welches das erste funktionale Bauelement 12 und die erste strukturierte elektrisch leitende Schicht 14 hermetisch verschließt, ausgebildet, wobei die zweite leitende Schicht 24 über eine hermetische Durchkontaktierung 18-i, 26-i in der zweiten leitenden Schicht 24 lateral durch das Gehäuse 10 hindurch elektrisch kontaktierbar ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann das Herstellungsverfahren sowohl beginnend mit dem ersten Substrat 30; 30‘; 30‘‘ als auch beginnend mit dem zweiten Substrat 40 erfolgen. Es kann auch die erste Ebene E1 auf dem zweiten Substrat 40 ausgebildet werden, während die zweite Ebene E2 auf dem ersten Substrat 30; 30‘; 30‘‘ ausgebildet wird, woraufhin die beiden dadurch entstehenden Wafer aneinander gebondet werden.
Ein Keim für eine Metallisierung, beispielsweise zum Ausbilden der ersten und/oder der zweiten leitenden Schicht 14, 24, kann bevorzugt mittels physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung erfolgen. Die eigentliche Metallisierung, bevorzugt mit Kupfer, kann mittels elektrochemischer Abscheidung erfolgen.
Zum Kontaktieren eines funktionalen Elements aus Silizium mit einer benachbarten metallischen Verdrahtung, beispielsweise aus Aluminium, können Wolfram Plugs eingesetzt werde, welche vorzugsweise einen Durchmesser von 0.1 bis 0.3 μm aufweisen.
Eine oder alle der Wannen 34-i; 34-i‘ können ausgehend von der dritten strukturierten elektrisch leitenden Schicht aus kontaktierbar sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7358106 B2 [0003]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit hermetischer Durchkontaktierung mit: einem hermetisch geschlossenen Gehäuse (10); einem ersten funktionalen Bauelement (12), welches innerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist; einer ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht (14), welche das erste funktionale Bauelement (12) kontaktiert und welche innerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist; und einer zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht (24), wobei die erste leitende Schicht (14) über die zweite leitende Schicht (24) elektrisch kontaktiert ist und wobei die zweite leitende Schicht (24) über eine hermetische Durchkontaktierung (18-i, 26-i) in der zweiten leitenden Schicht (24) lateral durch das Gehäuse hindurch elektrisch kontaktierbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1, wobei die hermetische Durchkontaktierung (18-i, 26-i) eine Vielzahl von parallel geschalteten Leiterbahnen aufweist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 2, mit einem zweiten funktionalen Bauelement (22), welches innerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist, mit einem zweiten Strombedarf, welcher geringer als ein erster Strombedarf des ersten Bauelements (12) ist; wobei das zweite funktionale Bauelement (22) über die zweite leitende Schicht (24) elektrisch kontaktiert ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (10) ein Substrat (30; 30‘; 30‘‘) aufweist, auf welchem ein Bondrahmen (11-i) aufgebracht ist, und wobei die zweite leitende Schicht (24) zwischen der ersten leitenden Schicht (14) und dem Substrat (30; 30‘; 30‘‘) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die zweite leitende Schicht (24) von dem Substrat (30) elektrisch isoliert ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die zweite leitende Schicht (24) eine elektrische Verbindung zu dem Substrat (30‘; 30‘‘) aufweist, wobei die elektrische Verbindung über eine erste in dem Substrat (30‘; 30‘‘) ausgebildete Wanne (34-i; 34-i‘) erfolgt und wobei die erste Wanne (34-i; 34-i‘) gegenüber dem Substrat (30‘; 30‘‘) in Sperrrichtung gepolt ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei ein erster Kontakt (16-1) des ersten Bauteils (12) über einen ersten Abschnitt (18-1) der hermetischen Durchkontaktierung (18-i, 26-i) kontaktiert ist; wobei ein zweiter Kontakt (16-2) des ersten Bauteils (12) über einen zweiten Abschnitt (18-2) der hermetischen Durchkontaktierung (18-i, 26-i) kontaktiert ist; wobei der erste Abschnitt (18-1) der hermetischen Durchkontaktierung (18-i, 26-i) über die erste in dem Substrat (10) ausgebildete Wanne (34-1; 34-1‘) mit dem Substrat (30) verbunden ist; und wobei der zweite Abschnitt (18-2) der hermetischen Durchkontaktierung (18-i, 26-i) über eine zweite in dem Substrat (10) ausgebildete Wanne (34-2; 34-2‘) mit dem Substrat (30) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite Wanne (34-1, 34-2; 34-1‘, 34-2‘) auf ein gemeinsames Potential gelegt sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Metallisierung der Durchkontaktierung (18-i, 26-i) in Wolfram ausgeführt ist und/oder eine Metallisierung der Durchkontaktierung (18-i, 26-i) über salizidiertem Silizium (38-i) und/oder über einer Diffusion angeordnet ist und/oder eine Metallisierung des ersten Bauelements (12) und/oder der ersten leitenden Schicht (14) in Kupfer ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils mit den Schritten: Ausbilden (S01) eines ersten funktionalen Bauelements (12) auf einem ersten Substrat (30; 30‘; 30‘‘); Ausbilden (S02) einer ersten strukturierten elektrisch leitenden Schicht (14), welche das erste funktionale Bauelement (12) kontaktiert, auf dem ersten Substrat (30; 30‘; 30‘‘); Ausbilden (S03) einer zweiten strukturierten elektrisch leitenden Schicht (24) auf dem ersten Substrat (30; 30‘; 30‘‘), wobei die erste leitende Schicht (14) über die zweite leitende Schicht (24) elektrisch kontaktiert wird; und Ausbilden (S04) eines Gehäuses (10), welches das erste funktionale Bauelement (12) und die erste strukturierte elektrisch leitende Schicht (14) hermetisch verschließt; wobei die zweite leitende Schicht (24) über eine hermetische Durchkontaktierung (18-i, 26-i) in der zweiten leitenden Schicht (24) lateral durch das Gehäuse (10) hindurch elektrisch kontaktierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Abscheiden einer Metallisierung der ersten und/oder der zweiten leitenden Schicht (14, 24) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder mittels Tampongalvanisieren erfolgt.