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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoreinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Sensoren zur Messung von beispielsweise Beschleunigung und Drehrate sind bekannt und werden in Massenfertigung für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumerbereich hergestellt. Bekannt sind insbesondere MEMS-Elemente, die mit oberflächenmikromechanischen Methoden hergestellt werden. Dabei werden auf einem Silizium-Substrat mehrere Oxid- und polykristalline Siliziumschichten abgeschieden und strukturiert. Anschließend wird der MEMS-Wafer mit einem Kappenwafer hermetisch verschlossen.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen oberflächenmikromechanischen Sensors. Ein MEMS-Wafer 100 umfasst in diesem Beispiel drei Funktionsschichten in Form von Polysilizium-Schichten 10, 20, 30, die voneinander weitgehend unabhängig strukturiert werden können. Die jeweils dazwischenliegenden Oxidschichten 11, 21 können an bestimmten Stellen geöffnet werden, um Durchkontakte zwischen den Polysilizium-Schichten 10, 20, 30 zu realisieren. Die erste Polysiliziumschicht 10 fungiert bevorzugt als eine elektrische Verdrahtungsebene, die zweite Polysiliziumschicht 20 und die dritte Polysiliziumschicht 30 können sowohl zur Verdrahtung als auch zur Realisierung von beweglichen MEMS-Strukturen verwendet werden. Die Freistellung der MEMS-Strukturen erfolgt beispielsweise über gezieltes Entfernen der Oxidschichten 11, 21 unterhalb der Polysiliziumschichten 10, 20, 30 durch Ätzen mit gasförmigem HF.
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Das MEMS-Element, zum Beispiel ein Beschleunigungs- oder Drehratensensor, besitzt wenigstens eine mechanische Aufhängung 33, wenigstens eine Federanordnung 31 sowie bewegliche Massen- und Elektrodenelemente 22, 32, die im Beispiel von 1 sowohl in der zweiten Polysilizium-Schicht 20 als auch in der dritten Polysilizium-Schicht 30 realisiert sind. Ein Teilbereich der in der zweiten Polysilizium-Schicht 20 realisierten beweglichen Masse 22 formt mit der in der ersten Polysilizium-Schicht 10 befindlichen unteren Festelektrode 12 und der in der dritten Polysiliziumschicht 30 realisierten oberen Festelektrode 32 eine Kondensatoranordnung über die Spalte 13 und 23.
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Konkrete Designtopologien für derartige Anordnungen sind beispielsweise aus
DE 10 2009 000 167 A1 für einen z-Beschleunigungssensor und aus
DE 10 2009 000 345 A1 für einen Drehratensensor mit Detektionsauslenkungen in z-Richtung bekannt. Das Element der dritten Polysiliziumschicht
30 kann, alternativ zur Funktion als obere Elektrode, auch einen mechanischen Anschlag definieren, der bevorzugt auf das gleiche elektrische Potential wie die bewegliche MEMS-Struktur gelegt wird.
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Ein Problem bei derartigen MEMS-Strukturen kann die mechanische Robustheit des in der zweiten Polysiliziumschicht 20 realisierten Massen- oder Elektrodenelements sein, wenn die Struktur nach oben ausgelenkt wird und an dem darüber liegenden Element der dritten Polysiliziumschicht 32 anschlägt. Insbesondere wenn die Ebene der zweiten Polysiliziumschicht 20 relativ dünn ausgebildet ist, zum Beispiel eine Dicke von ca. 1µm bis ca. 3µm aufweist, ist die Gefahr eines mechanischen Bruchs der MEMS-Struktur beim Auftreten von hoher Überlast („Falltest“) recht hoch. Der im Kappenwafer 80 realisierte z-Anschlag 81 ist nicht wirksam, wenn der Spalt 23 zwischen der zweiten Polysiliziumschicht 20 und der dritten Polysiliziumschicht 30 kleiner ist als der Spalt 61 zwischen der Oberseite der dritten Polysiliziumschicht 30 und der Unterseite des Kappenanschlags 81.
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Zur Vermeidung von Brüchen der Struktur der zweiten Polysiliziumschicht
20 wurden beispielsweise in
DE 10 2011 080 982 A1 federnd gelagerte Strukturen der dritten Polysiliziumschicht
30 vorgeschlagen, die beim Anschlagen mechanische Energie absorbieren können und die mechanischen Spannungen der zweiten Polysiliziumschicht
20 dadurch begrenzen. Die Auslegung dieser Strukturen ist jedoch aufwendig und erfordert zusätzlichen Platzbedarf.
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Besonders nützlich sind derartige vertikale Integrationsverfahren in Kombination mit through-silicon-vias (TSV) und Flip-Chip-Technologien, wodurch Aufbau und Kontaktierung als Chip-Scale-Package erfolgen kann, wie dies beispielweise aus
US 2012 0049299 A1 und
US 2012 0235251 A1 bekannt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mechanische Robustheit einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, insbesondere einer vertikal integrierten mikromechanischen Sensoreinrichtung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, aufweisend:
- – ein MEMS-Element, und
- – ein ASIC-Element, wobei zwischen dem MEMS-Element und dem ASIC-Element eine Bondstruktur ausgebildet ist, das MEMS-Element aufweisend:
- – eine Schichtenanordnung mit abwechselnd aufeinander angeordneten Isolierschichten und Funktionsschichten, wobei in wenigstens einer der Funktionsschichten ein in einer Erfassungsrichtung bewegliches Erfassungselement ausgebildet ist;
- – wobei mittels einer weiteren Funktionsschicht ein Abstandselement zum Ausbilden eines definierten Abstands zwischen dem MEMS-Element und dem ASIC-Element ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Erfassungselement ein Anschlagselement mit dem Abstandselement und einer ersten Bondschicht angeordnet ist, wobei in einem Anschlagsbereich des Anschlagselements auf dem ASIC-Element eine isolierende Schicht angeordnet ist.
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Auf diese Weise wird eine schon vorhandene Schichtenanordnung zur Ausbildung eines Anschlagselements genutzt und am beweglichen Erfassungselement angeordnet. Dies bedeutet vorteilhaft bei geringen Zusatzkosten einen effektiven Anschlagschutz nach oben, wodurch ein definiertes Anschlagsverhalten in z-Richtung bereitgestellt wird. Somit erfolgt im Anschlagsfall in definierter Weise zuerst der Anschlag auf dem ASIC-Wafer. Vorteilhaft sind dafür nur eine geringe Anpassung des Layouts und keine Änderung des Gesamtprozesses erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen eines MEMS-Elements;
- – Bereitstellen eines ASIC-Elements;
- – Ausbilden eines Erfassungselements im MEMS-Element, wobei auf dem Erfassungselement ein Anschlagselement angeordnet wird, wobei in einem Anschlagsbereich für das Anschlagselement am ASIC-Element eine isolierende Schicht ausgebildet wird; und
- – Ausbilden einer Bondstruktur zwischen dem MEMS-Element und dem ASIC-Element.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Sensoreinrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Sensoreinrichtung sieht vor, dass das Erfassungselement einen orthogonal zur Erfassungsrichtung ausgebildeten Abschnitt aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der Sensoreinrichtung kann vorteilhaft verhindert werden, dass im Anschlagsfall der orthogonale Abschnitt unter Umständen bricht.
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Eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens eine mit dem Erfassungselement zusammenwirkende Elektrode aufweist. Dadurch ist unterstützt, dass das funktionale Zusammenwirken des Erfassungselements mit der Elektrode störungsfrei durchgeführt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Abstand des Anschlagselements zum ASIC-Element größer ist als ein Detektionsspalt zur Elektrode. Trotz gegebenenfalls auftretenden Anschlags nach oben erfolgt auf diese Weise kein Anschlagen zwischen dem Anschlagselement und der Elektrode.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Abstandselement eine Polysiliziumschicht aufweist. Dadurch kann vorteilhaft eine im Herstellungsprozess bereits vorhandene Schicht zur Ausbildung des Abstandselements verwendet werden. Eine Dimensionierung des Anschlagselements erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass ein gewisser definierter Mindestabstand zwischen dem MEMS- und dem ASIC-Wafer vorhanden ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Bondschicht des Abstandselements eines aus Folgendem ist: Germanium, Aluminium, Metall. Auf diese Weise kann eine metallische Bondstruktur zum Bonden des MEMS-Wafers mit dem ASIC-Wafer realisiert werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Anschlagsrichtung gegenüberliegend vom Anschlagselement am ASIC ein Oxidaterial angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft verhindert werden, dass bei einem Anschlagen des beweglichen Elements auf den ASIC ein elektrischer Kurzschluss erfolgt. Dadurch können Beschädigungen innerhalb der Sensoreinrichtung vorteilhaft vermieden werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Erfassungselement in einer einzelnen Funktionsschicht ausgebildet ist. Eine Designvielfalt für die Sensoreinrichtung ist auf diese Weise vorteilhaft erhöht.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung oder in den Figuren sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine Querschnittansicht durch eine herkömmliche mikromechanische Sensoreinrichtung;
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2 eine Querschnittansicht durch eine herkömmlich vertikal integrierte Sensoreinrichtung
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3 eine Teilansicht der Sensoreinrichtung von 2;
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4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
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5 eine Querschnittsansicht durch die Sensoreinrichtung von 4 im Anschlagsfall;
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6 und 7 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; und
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8 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird unter dem Begriff „definierter Grundabstand“ ein Abstand zwischen dem MEMS-Element und dem ASIC-Element verstanden, der sicherstellt, dass kein Übersprechen von einem Wafer auf den anderen stattfindet.
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2 zeigt ein bekanntes vertikales Integrationskonzept für ein mikromechanisches Bauelement, welches ein MEMS-Element 100 aus einem MEMS-Silizium-Substrat, wenigstens einer Verdrahtungsebene, wenigstens einer MEMS-Funktionsschicht sowie mehreren darauf aufgewachsenen bzw. darauf abgeschiedenen Oxidschichten umfasst. Die Funktionsschichten können auch durch Waferbondverfahren und anschließendes Rückschleifen aufgebracht werden. Das ASIC-Element 200, das vorzugsweise in einem CMOS-Prozess hergestellt wird, besteht aus einem Silizium-Substrat, dotierten Halbleiterschichten zur Realisierung der elektrischen Schaltkreise und dem Metal-Oxide-Stack insbesondere zur Verdrahtung und zur Realisierung von Kapazitäten.
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Das MEMS-Element 100 und das ASIC-Element 200 werden über ein metallisches Waferbondverfahren miteinander verbunden, z.B. über eutektisches Bonden von Aluminium mit Germanium. Dabei wird zum Beispiel auf dem ASIC-Element 200 die oberste Aluminium-Verdrahtungsebene als Bondoberfläche genutzt und Germanium auf dem MEMS-Element 100 als oberste Schicht abgeschieden. Die beiden Wafer 100, 200 werden danach bei Temperaturen oberhalb von ca. 430°C mit hinreichendem Druck zusammengepresst, so dass eine eutektische flüssige Phase entsteht. Die Aluminium-Germanium-Verbindung bewirkt zum einen mittels eines umlaufenden Bondrahmens eine hermetische Kapselung der MEMS-Strukturen und ermöglicht zudem elektrische Kontakte zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200. Andere metallische Bondverfahren, wie Kupfer-Zinn-Bonden oder thermokompressive Verfahren sind grundsätzlich ebenso denkbar. Die elektrische Kommunikation des ASICs 200 von und nach außen erfolgt vorzugweise über metallische through-silicon-vias (TSVs), die auf der Rückseite des ASICs 200 geöffnet und dann über eine Umverdrahtungsebene oberhalb einer Isolationsschicht und Lötballs 400 auf eine Applikationsleiterplatte (nicht dargestellt), zum Beispiel in einem Mobiltelefon geführt werden.
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Das ASIC-Element 200 weist mehrere Verdrahtungs- und Isolationslagen auf. 3 stellt der Einfachheit und besseren Übersichtlichkeit wegen nur einen Teil der beteiligten Lagen dar, insbesondere das MEMS-Element 100 ab der ersten Polysiliziumschicht 10. Ferner ist in allen nachfolgenden Figuren der Wafer-Stack wieder umgedreht, so dass das MEMS-Element 100 unten und das ASIC-Element 200 oben liegt. Der Ausschnitt von 3 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gestrichelt umrandeten Bereich B.
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Im Unterschied zum MEMS-Element 100 aus 1 weist das MEMS-Element 100 von 3 eine weitere Silizium-Schicht in Form einer vierten Polysiliziumschicht 40 auf, die auf der dritten Polysiliziumschicht 30 angeordnet ist und als ein Abstandshalter zwischen dem MEMS- und dem ASIC-Wafer fungiert. Auf der vierten Polysiliziumschicht 40 wird im eutektisch zu bondenden Bereich ferner eine erste Bondschicht, z.B. in Form einer Germaniumschicht 50 angeordnet, der entsprechende (d.h. bezüglich Topologie und Flächen ähnliche) Strukturen in einer obersten Metallebene M6 des ASIC-Elements 200 gegenüber liegen.
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Nach dem Waferbonden entsteht im Bereich des Bondrahmens eine eutektische Aluminium-Germanium-Bondverbindung 70. Das weiter oben geschilderte Problem für die mechanische Robustheit des MEMS-Elements 100 bleibt hier nach durchgeführtem Bonden allerdings nachteilig nahezu unverändert bestehen, da ein Spalt 23 zwischen der zweiten Polysiliziumschicht 20 und der dritten Polysiliziumschicht 30 kleiner ist als ein Spalt zwischen der dritten Polysiliziumschicht 30 und der M6-Ebene des ASIC-Elements 200. Entsprechend kann auch hier nachteilig ein Anschlagen des MEMS-Elements 200 zwischen der zweiten und der dritten Polysiliziumschicht 20, 30 erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, eine lokale Verwendung der vierten Polysiliziumschicht 40 und der ersten Bondschicht 50 auf dem MEMS-Wafer 100 vorzusehen, um definierte mechanische z-Anschläge auf dem beweglichen Erfassungselement 22 zu realisieren. Im Bereich der Anschläge wird auf der ASIC-Seite die oberste Metalllage M6 entfernt. Dadurch ergeben sich kleine Restspalte zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200, die kleiner sind als die Spalte zwischen den funktionalen Poly-Si-Ebenen im MEMS-Element 100 (erste bis dritte Polysiliziumschichten 10, 20, 30).
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Vorteilhaft kann im Anschlagsfall aufgrund des geringen Restspalts zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200 die bewegliche MEMS-Struktur am ASIC-Element 200 anschlagen und nicht mehr an den stark bruchgefährdeten Polysiliziumschichten. Die mechanische Robustheit der gesamten MEMS-Struktur ist auf diese Weise vorteilhaft erhöht.
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Da der Anschlag in definierter Weise auf eine Isolationsschicht IMD5 erfolgt, können vorteilhaft auch keine elektrischen Kurzschlüsse auftreten. Dadurch kann die unter Umständen sehr aufwendige Verdrahtung von z-Anschlägen im MEMS-Element 100, die zur Vermeidung von Kurzschlüssen das gleiche elektrische Potential wie die bewegliche Masse haben müssen, vorteilhaft entfallen.
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4 zeigt diese erfindungsgemäße Anordnung, bei der auf einem Teilbereich der beweglichen dritten Polysiliziumschicht 30 ein z-Anschlag auf der vierten Polysiliziumschicht 40 und auf der ersten Bondschicht 50 angeordnet ist. Der resultierende Restspalt 61 zwischen der Germaniumschicht 50 und der Isolationslage IMD5 auf der Seite des ASIC-Elements 200 ist nunmehr kleiner als der Spalt 23 zwischen der zweiten und der dritten Polysiliziumschicht 20, 30. Bei großen vertikalen Auslenkungen erfolgt das erste mechanische Anschlagen daher an der Anschlagstruktur 40, 50 und nicht mehr zwischen den Polysiliziumschichten 20, 30, wie dies in 5 prinzipiell angedeutet ist. Man erkennt, dass der orthogonal in z-Anschlagsrichtung ausgebildete Abschnitt 22a des Erfassungselements 22 einen Abstand zur Elektrode 32 aufweist, obwohl der Anschlagsfall bereits eingetreten ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das nicht leitfähige Material IMD5 im Anschlagsbereich des ASIC-Elements 200 ein Oxidmaterial ist. Aufgrund der Tatsache, dass die MEMS-Struktur auf einem definierten Potential liegt, wenn es nach oben anschlägt, gibt es auf diese Weise dennoch keinen Kurzschluss. Wenn hingegen auf Metall aufgeschlagen würde, müsste das Potential des Metalls dasselbe sein wie das Potential der MEMS-Struktur, um Schäden sicher zu vermeiden.
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Vorteilhaft ist die Erfindung nicht auf MEMS-Elemente 100 mit teilüberlappenden Bereichen der zweiten und der dritten Polysiliziumschicht 20, 30 beschränkt, sondern kann nutzbringend auch für andere Anordnungen verwendet werden.
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6 zeigt ein MEMS-Element 100, das ebenfalls von Elementen der zweiten und der dritten Polysiliziumschicht 20, 30 gebildet ist, jedoch keine Gegenelektrode oder z-Anschlag in der dritten Polysiliziumschicht 30 aufweist. Es besitzt aber eine Gegenelektrode in der obersten Metallebene M6 des ASIC-Elements 200. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Anordnung des Anschlags mit der Anordnung der vierten Polysiliziumschicht 40 und der Germaniumschicht 50 vorteilhaft, um bei hoher mechanischer Überlast einen elektrischen Kurzschluss zwischen der beweglichen MEMS-Struktur und der ASIC-Gegenelektrode zu verhindern.
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7 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 6 mit dem einzigen Unterschied, dass das bewegliche MEMS-Element 100 diesem Fall nur in der dritten Polysiliziumschicht 30 realisiert ist. Die Vorteile sind die gleichen wie oben im Zusammenhang mit 6 beschrieben wurden.
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8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung 300.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein MEMS-Element 100 bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt S2 wird ein ASIC-Element 200 bereitgestellt.
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In einem dritten Schritt S3 wird ein Ausbilden eines Erfassungselements 22 im MEMS-Element 100 durchgeführt, wobei auf dem Erfassungselement 22 ein Anschlagselement 40, 50 angeordnet wird, wobei in einem Anschlagsbereich für das Anschlagselement 40, 50 am ASIC-Element 200 eine isolierende Schicht IMD5 ausgebildet wird.
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Schließlich wird in einem vierten Schritt S4 eine Bondstruktur 70 zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200 ausgebildet.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung vorgeschlagen, mit denen in vorteilhafter Weise ein definierter Anschlag für die Sensoreinrichtung bereitgestellt wird. Dies ist insbesondere bei stark erhöhten Beschleunigungskräften, die bei einem Aufprall von elektronischen Geräten auf den Boden auftreffen können, von Vorteil. Dadurch können Beschädigungen der empfindlichen MEMS-Strukturen vorteilhaft verhindert werden. Die genannten Kräfte können auch durch starke Vibrationen beim Vereinzeln von Chips auftreten und erfindungsgemäß entschärft werden.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern oder mit einander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000167 A1 [0005]
- DE 102009000345 A1 [0005]
- DE 102011080982 A1 [0007]
- US 7250353 B2 [0008]
- US 7442570 B2 [0008]
- US 20100109102 A1 [0008]
- US 20110049652 A1 [0008]
- US 2011012247 A1 [0008]
- US 20120049299 A1 [0008, 0009]
- DE 102007048604 A1 [0008]
- US 20120235251 A1 [0009]
