DE102015116556B4

DE102015116556B4 - Spannungsisolierungsplattform für MEMS-Bauelemente

Info

Publication number: DE102015116556B4
Application number: DE102015116556.2A
Authority: DE
Inventors: Zhang Xin; Michael W. Judy; George M. Molnar; Christopher R. Needham; Kemiao Jia
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: DE102015116556A1; US20190047846A1; US10167189B2; US10759659B2; US20160090297A1

Abstract

Vorrichtung (100), die eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und Gräben enthält, um die MEMS-Struktur zu entspannen, umfassend:eine MEMS-Struktur (302) auf einem Substrat (311), wobei das Substrat (311) mindestens einen Graben enthält, der durch das Substrat (311) läuft, um die MEMS-Struktur (302) zu entspannen; undmindestens einen biegsamen elektrischen Leiter, der elektrisch an die MEMS-Struktur (302) gekoppelt ist und durch den mindestens einen Graben im Substrat (311) verläuft, wobei der biegsame elektrische Leiter derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den mindestens einen Graben leitet, und derart ausgebildet ist, dass er sich biegt, falls eine Bewegung auf einer der Seiten des mindestens einen Grabens erfolgt, wobei der mindestens eine Graben eine MEMS-Plattform (310) innerhalb des Substrats (311) definiert, wobei die MEMS-Struktur (302) auf der MEMS-Plattform (310) ist, wobei die Vorrichtung ferner mindestens eine Brücke (330) umfasst, welche aus dem Material des Substrates (311) gefertigt ist und welche das Substrat (311) und die MEMS-Plattform (310) körperlich koppelt, wobei die Brücke (330) ein erstes Segment umfasst, das sich von dem Substrat (311) her in der Richtung der MEMS-Plattform (310) erstreckt, und ein zweites Segment, das sich von dem ersten Segment her erstreckt, wobei das zweite Segment im Wesentlichen inkompressibel ist und in einem Winkel zu dem ersten Segment angeordnet ist, und der Winkel so konfiguriert ist, dass er sich unter mechanischer Spannung ändert.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft MEMS-Bauelemente und insbesondere Strukturen für MEMS-Bauelemente.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, wie ein gemäß der Mikrosystemtechnik hergestelltes Bauelement (oder „MEMS“-Bauelement) in einem Gehäuse mit Kavität verpackt wird. Gehäuse mit Kavität sind für MEMS-Bauelemente attraktiv, denn sie enthalten eine innere „Kavität“, die das MEMS-Bauelement umschließt, ohne einen beweglichen Abschnitt des MEMS-Bauelements körperlich zu kontaktieren oder einzuschränken. Der Kavitätsbereich schützt das MEMS-Bauelement in erster Linie vor äußeren Spannungen, die auf Wärme-, Drehmoment- und Druckbelastungen zurückführbar sind. Zwar ist die Zuverlässigkeit von Gehäusen mit Kavität beachtlich, jedoch sind sie mit hohen Kosten verbunden.
DE 10 2010 042 113 A1 betrifft ein Bauteil mit einem mikroelektromechanisches Element, d.h. Absolutdrucksensor, eingebettet in einen Bereich eines Chips, und in den Chip eingebrachte Gräben. Die Gräben umfassen eine Öffnung auf einer Hauptfläche oder einer anderen Hauptfläche. Die Öffnung ist mit einer strukturierten dielektrischen Schicht bedeckt. Auf der strukturierten dielektrischen Schicht ist eine metallische oder dielektrische Abschlussschicht, d. h. eine Passivierungsschicht, angebracht, und eine Oberfläche der metallischen oder dielektrischen Abschlussschicht weist ein Tiefenprofil in Richtung des Inneren des Chips auf. Ein unabhängiger Anspruch bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.
US 8 049 326 B2 betrifft ein umweltbeständiges Modul, das sowohl Wärme- als auch Schwingungsisolierung für ein gehäustes mikromechanisches oder MEMS-Bauteil bietet. Eine Mikroplattform und eine Trägerstruktur für die Mikroplattform sorgen für die Wärme- und Schwingungsisolierung. Das Gehäuse ist sowohl hermetisch als auch vakuumkompatibel und bietet vertikale Durchführungen für die Signalübertragung. Es wird auch ein Verfahren zur Übertragung von mikrobearbeiteten oder MEMS-Bauteilen vorgestellt, das eine Vielzahl von einzelnen mikrobearbeiteten oder MEMS-Chips oder -Wafern entweder in hybrider oder integrierter Form handhaben kann. Das Modul bietet gleichzeitig Wärme- und Schwingungsisolierung für das MEMS-Bauteil unter Verwendung der Mikroplattform und der Stützstruktur, die aus einem dünnen Glaswafer hergestellt werden kann, der so gemustert ist, dass er krabbenbeinförmige Aufhängungsseile oder -träger bildet.
US 2012 / 0 049 298 A1 betrifft eine MEMS-Bauelementanordnung umfasst einen MEMS-Chip und einen integrierten Schaltkreis (IC). Der MEMS-Chip umfasst eine MEMS-Vorrichtung, die auf einem Substrat und einer Deckschicht ausgebildet ist. Ein Verpackungsprozess umfasst das Bilden des MEMS-Bauelements auf dem Substrat und das Entfernen eines Materialteils des Substrats, der das Bauelement umgibt, um eine freitragende Substratplattform zu bilden, auf der sich das MEMS-Bauelement befindet. Die Deckschicht ist mit dem Substrat erbunden, das über der MEMS-Vorrichtung liegt. Der MEMS-Chip ist elektrisch mit dem IC-Chip verbunden. Die Formmasse wird aufgetragen, um den MEMS-Chip, den IC-Chip und die Verbindungen, die das MEMS-Bauelement mit dem IC-Chip elektrisch verbinden, im Wesentlichen einzukapseln. Die Deckschicht verhindert, dass die Formmasse mit dem MEMS-Bauelement in Kontakt kommt.
US 2008 / 0 290 430 A1 betrifft eine spannungsisolierte MEMS-Vorrichtung mit einer Plattform, die über einem Substratwafer aufgehängt ist. In einer Ausführungsform ist die Plattform durch Federn aufgehängt, es können aber auch andere Aufhängungstechniken verwendet werden. Über der Plattform ist ein Messwandler angebracht. Der Wandler umfasst unbewegliche Teile und bewegliche Teile. Der Wandler und die Plattform sind in einem Hohlraum abgedichtet, der in einem Kappenträger zwischen einem Kappenwafer und dem Substratwafer gebildet ist. Ein Leiterrahmen ist auf dem Substratwafer befestigt. Der Kappenwafer und andere Teile der Vorrichtung werden in ein Gehäusematerial eingebettet, so dass sich eine im Wesentlichen feste Grenze zwischen dem Kappenwafer und dem Gehäusematerial bildet.
DE 10 2010 042 438 A1 betrifft eine Sensoranordnung mit einem Trägerelement und einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Sensorelement, wobei das Sensorelement am Trägerelement befestigt ist, wobei das Trägerelement wenigstens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Sensoranordnung aufweist und wobei das Trägerelement wenigstens eine Entlastungsstruktur zur Stressentkopplung aufweist, wobei ferner die wenigstens eine Entlastungsstruktur in einer zur Haupterstreckungsebene parallelen Ebene im Wesentlichen zwischen dem wenigstens einen Kontaktelement und dem Sensorelement angeordnet ist. WO 2012 / 037 537 A2 betrifft eine integrierte Schaltung mit mindestens einer elektrischen Verbindung, die auf einem länglichen Abschnitt angeordnet ist, der sich von einem Hauptabschnitt der integrierten Schaltung weg erstreckt, und eine mikroelektromechanische Schicht mit einem oszillierenden Abschnitt, wobei die mikroelektromechanische Schicht mit dem Hauptabschnitt der integrierten Schaltung gekoppelt ist, wobei die mikroelektromechanische Schicht eine Kappe mit einer Membran umfasst, die sich zu der integrierten Schaltung erstreckt.
US 2014 / 0 217 521 A1 betrifft ein eingekapseltes MEMS-Bauelement mit Spannungsentlastungsgräben in einem Bereich seines Substrats, der die beweglichen mikrobearbeiteten Strukturen umgibt und der von einer Kappe bedeckt ist, so dass die Gräben einem Hohlraum zwischen dem Substrat und der Kappe flüssig ausgesetzt sind. Ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements umfasst die Herstellung von Spannungsentlastungsgräben durch ein Substrat und die Herstellung von beweglichen mikrobearbeiteten Strukturen sowie die Abdeckung des Bauelements vor dem Verkapseln des Bauelements.
US 2004 / 0 070 056 A1 betrifft einen Leiterrahmen mit einem Die-Pad für ein darauf zu montierendes Halbleiterelement, eine Vielzahl von Leitern sind entlang der Peripherie eines Bereichs angeordnet, der letztlich als Halbleiterbauelement für das Die-Pad abgetrennt werden soll, und darüber hinaus ist um das Die-Pad herum in dem Bereich zwischen dem Die-Pad und den Leitern, die dem Die-Pad entsprechen, ein Leiterabschnitt für einen Strom-/Masseanschluss ausgebildet. Das Die-Pad, die Leitungen und der Leiterabschnitt für den Strom-/Erdungsanschluss werden von einem Klebeband gehalten. Der Leiterabschnitt für den Strom-/ Masseanschluss ist in Form eines einzelnen oder doppelten Rings um das entsprechende Die-Pad geformt, oder so geformt, dass er das entsprechende Die-Pad teilweise umgibt. Der Leiterabschnitt für den Strom-/Erdungsanschluss ist mit mindestens einer Leitung aus der Vielzahl der Leitungen verbunden.
Das Verpacken durch Umspritzen, obgleich gebräuchlich beim Verpacken von integrierten Schaltungen, die nicht gemäß der Mikrosystemtechnik hergestellt wurden, bereitet bei der MEMS-Verpackung hingegen Schwierigkeiten. Der Prozess der Einkapselung eines MEMS-Bauelements kann mit einem mechanischen und einem thermischen Schock für das MEMS-Bauelement einhergehen. Zusätzlich kommt es abhängig von der Temperatur zu starken Veränderungen der Umspritzmaterialeigenschaften. Im Fall eines siliciumbasierten MEMS-Bauelements, das durch eine Kunststoffumspritzung eingekapselt ist, sind davon sowohl die Steifigkeit des Kunststoffs als auch der Wärmeausdehnungskoeffizient betroffen, welche sich von den entsprechenden Eigenschaften von Silicium weitgehend unterscheiden. Folglich erzeugen Wärmespannungen im Gehäuse aufgrund des großen Betriebstemperaturbereichs, der zum Beispiel möglicherweise von 175C bis -40C reicht, große Spannungen, die sich durch die Strukturen im MEMS-Sensor körperlich ausbreiten, und können Probleme hinsichtlich der Leistungsfähigkeit nach sich ziehen, etwa große Offset-Drifts dieser Sensoren bei unterschiedlichen Temperaturen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann somit darin bestehen, die zuvor genannten Nachteil des Standes der Technik zu mindestens teilweise zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Darstellung der Ausführungsformen
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein MEMS-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 beansprucht.
In einer Ausführungsform enthält das MEMS-Bauelement zum Beispiel eine Substratschicht mit einem Substrat. Innerhalb der Substratschicht ist eine MEMS-Plattform aufgehängt. Die MEMS-Plattform kann aus dem gleichen Material sein wie die Substratschicht (z. B. einem Halbleiter wie Silicium). Die MEMS-Plattform wird zum Beispiel möglicherweise aus der Substratschicht geätzt.
Die MEMS-Plattform kann derart aufgehängt sein, dass sie einen Entspannungszwischenraum zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat definiert. Das Substrat kann mindestens eine Brücke (d. h. eine oder mehrere Brücken) einschließen, die durch den Entspannungszwischenraum verläuft und derart ausgebildet ist, dass sie die MEMS-Plattform innerhalb des Substrats starr aufhängt. Die Brücken können aus dem gleichen Material sein wie die Substratschicht (z. B. einem Halbleiter wie Silicium). Eine Brücke wird zum Beispiel möglicherweise aus der Substratschicht geätzt. Alternativ oder zusätzlich kann das MEMS-Bauelement in einigen Ausführungsformen mindestens eine Säule (d. h. eine oder mehrere Säulen) enthalten, die durch den Entspannungszwischenraum verläuft und derart ausgebildet ist, dass sie die MEMS-Plattform innerhalb des Substrats starr aufhängt.
Das MEMS-Bauelement kann auch eine MEMS-Bauelementschicht enthalten, die eine durch mindestens ein Verformungselement von der MEMS-Plattform beweglich aufgehängte MEMS-Struktur enthält. Das MEMS-Bauelement kann auch mindestens einen biegsamen elektrischen Leiter enthalten, der elektrisch an die MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform gekoppelt ist. Der mindestens eine biegsame elektrische Leiter verläuft durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform und ist derart ausgebildet, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet.
In einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Bauelementschicht eine Umfangsregion, die den Entspannungszwischenraum umbeschreibt, und eine obere Verkappung auf, die an die Umfangsregion gekoppelt ist, sodass die MEMS-Plattform zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Plattform definiert. Einige Ausführungsformen weisen auch eine untere Verkappung auf, die an das Substrat gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform definiert.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein MEMS-Bauelement die Merkmale der Patentansprüche 8 und 15 auf.
Die MEMS-Plattform kann durch ein Aufhängungsmittel innerhalb des Substrats starr aufgehängt sein, und ein elektrisches Leitermittel verläuft durch den Entspannungszwischenraum und ist derart ausgebildet, dass es ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet. Das Aufhängungsmittel enthält zum Beispiel möglicherweise einen oder mehrere Untersätze, die zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform verlaufen. Das elektrische Leitermittel kann mindestens einen leitfähigen Jumper enthalten, der durch den Entspannungszwischenraum verläuft.
In einigen Ausführungsformen weist das Substrat eine Umfangsregion, die den Entspannungszwischenraum umbeschreibt, und eine untere Verkappung, die an die Umfangsregion gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform definiert, sowie eine obere Verkappung auf, die an das Substrat gekoppelt ist, sodass die MEMS-Plattform zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Plattform definiert.
In einer Ausführungsform enthält ein MEMS-Bauelement gar keine Brücken. Ein solches MEMS-Bauelement enthält zum Beispiel ein Substrat; eine MEMS-Plattform innerhalb der Substratschicht, die einen brückenfreien Entspannungszwischenraum zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat definiert; eine MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform, wobei die MEMS-Struktur ein Bauteil aufweist, das durch mindestens ein Verformungselement von der MEMS-Plattform beweglich aufgehängt ist; mindestens einen biegsamen elektrischen Leiter, der elektrisch an eine MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform gekoppelt ist und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verläuft, wobei der biegsame elektrische Leiter derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet; eine untere Verkappung, die an das Substrat gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform definiert; eine obere Verkappung, die an das Substrat gekoppelt ist, sodass die MEMS-Plattform zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Plattform definiert; und mindestens eine Säule, die körperlich an die untere Verkappung und die MEMS-Plattform gekoppelt und derart ausgebildet ist, dass sie die MEMS-Plattform trägt, ohne dass Brücken durch den Entspannungszwischenraum verlaufen.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Brücken beliebige von diversen Ausbildungen aufweisen und zum Beispiel als Z-förmige Brücke, als L-förmige Brücke oder als U-förmige Brücke ausgebildet sein. Eine Brücke enthält zum Beispiel möglicherweise ein erstes Segment, das sich vom Substrat her in der Richtung der MEMS-Plattform erstreckt, ein zweites Segment, das sich vom ersten Segment her erstreckt und in einem Winkel zum ersten Segment angeordnet ist, und ein drittes Segment, das sich vom zweiten Segment her erstreckt, in einem Winkel zum zweiten Segment angeordnet und an die MEMS-Plattform gekoppelt ist.
In einigen Ausführungsformen ist der elektrische Leiter möglicherweise ein Jumper. In einigen Ausführungsformen ist der elektrische Leiter auf oder ein Teil von mindestens einer Brücke.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Fertigen eines MEMS-Bauelements enthält die Merkmale des Patentanspruchs 17.
In einigen Ausführungsformen wird die MEMS-Struktur vor der Fertigung des Entspannungszwischenraums gefertigt. Im Einzelnen wird die MEMS-Struktur in einigen Ausführungsformen vor der Fertigung des Entspannungszwischenraums gefertigt, und die Fertigung der MEMS-Struktur enthält das Fertigen einer MEMS-Struktur, das Immobilisieren der MEMS-Struktur relativ zum Substrat, das Ätzen eines Entspannungszwischenraums durch das Substrat, der eine MEMS-Plattform definiert, die die MEMS-Struktur umgibt; und das Freigeben der MEMS-Struktur. In anderen Ausführungsformen wird die MEMS-Struktur nach der Fertigung des Entspannungszwischenraums gefertigt.
In einigen Ausführungsformen enthält das Bereitstellen eines Substrats das Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, und der Prozess des Fertigens eines Entspannungszwischenraums und des Fertigens einer MEMS-Struktur enthält das Ätzen eines Grabens, der sich in die erste Seite des Substrats erstreckt und sich teilweise durch das Substrat erstreckt, wobei der Graben eine MEMS-Plattform abgrenzt, und das Füllen des Grabens mit Grabenopfermaterial, das Fertigen der MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform, das Schleifen der zweiten Seite des Substrats, um das Grabenopfermaterial freizulegen; und das Entfernen des Grabenopfermaterials.
Figurenliste
Die vorstehenden Merkmale von Ausführungsformen werden durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung bei Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres verständlich, in denen:

die 1A und 1B einen MEMS-Beschleunigungsmesser gemäß einer Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
die 2A - 2B ein Z-Achsen-MEMS-Bauelement gemäß einer Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
die 3A - 3T Merkmale von Ausführungsformen von MEMS-Bauelementen schematisch veranschaulichen;
4 eine MEMS-Plattform gemäß einer Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
5 ein eingekapseltes MEMS-Produkt gemäß einer Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
6A ein Ablaufschaubild einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Fertigen eines MEMS-Produkts ist;
6B ein Ablaufschaubild einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Fertigen eines MEMS-Produkts ist;
die 7A - 7H Merkmale eines MEMS-Bauelements in verschiedenen Fertigungsphasen gemäß dem Verfahren von 6A schematisch veranschaulichen;
die 8A - 8P ein MEMS-Bauelement in verschiedenen Fertigungsphasen gemäß dem Verfahren von 6B schematisch veranschaulichen;
9 ein Graph ist, der die Chipspannung bei diversen Verpackungstechniken schematisch veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung konkreter Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen stellen Lösungen bereit, welche die Wirkung von Gehäusespannungen in den MEMS-Sensoren, die in (z. B. mit Kunststoff) umspritzten Gehäusen verpackt sind, gering halten sollen. In einem Wafer oder Silicium-auf-Isolator-Substraten können beliebige von diversen Entspannungsstrukturen enthalten sein, um Druck- oder Zugspannungen innerhalb des Substrats zu hemmen oder abzulenken, was zur Folge hat, dass im Vergleich zu MEMS-Bauelementen nach dem Stand der Technik Gestaltänderungen von MEMS-Strukturen reduziert und die Genauigkeit der MEMS-Strukturen erhöht werden. Unten werden diverse solcher MEMS-Bauelemente ausführlich erläutert.
Um solche Gestaltänderungen zu mindern, enthalten verschiedene Ausführungsformen einen Entspannungszwischenraum, der dazu dient, Spannungen innerhalb des Substrats des MEMS-Bauelements aufzufangen, zu hemmen oder abzulenken.
Definitionen. Wie in dieser Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, haben folgende Begriffe die angegebenen Bedeutungen, sofern nicht der Kontext etwas anderes erfordert:
Ein „Hohlraum“ ist ein dreidimensionaler Raum, der im Wesentlichen frei von Vollmaterial ist. Durch einen „Hohlraum“ kann eine Brücke oder andere Struktur verlaufen, vorausgesetzt, die Brücke oder andere Struktur stellt einen linearen Weg bereit, über den eine mechanische Spannung den Hohlraum durchqueren könnte.
Ein „Entspannungszwischenraum“ ist ein Raum oder Hohlraum zwischen zwei Teilen eines Bauelements.
Ein „brückenfreier Entspannungszwischenraum“ ist ein Raum oder Hohlraum zwischen zwei Teilen eines Bauelements, der jedoch keine Brücke einschließt oder enthält, wie unten beschrieben.
Ein „MEMS-Bauelement“ ist ein Bauelement mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, das mit Bezug auf das erste Bauteil beweglich ist, zum Beispiel als Reaktion auf eine äußere Kraft oder einen äußeren Reiz. Das zweite Bauteil kann als „MEMS-Struktur“ bezeichnet werden. Ein Beispiel für ein MEMS-Bauelement ist ein gemäß der Mikrosystemtechnik hergestellter Beschleunigungsmesser, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer Tragstruktur und einem Balken, der durch ein oder mehrere Verformungselemente von der Tragstruktur beweglich aufgehängt ist, sodass der Balken derart ausgebildet ist, dass er sich in Ansprechen auf eine auf die Tragstruktur ausgeübte Beschleunigung relativ zur Tragstruktur bewegt. Ein anderes Beispiel für ein MEMS-Bauelement ist ein gemäß der Mikrosystemtechnik hergestelltes Gyroskop, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer Tragstruktur und einem Balken, der durch ein oder mehrere Verformungselemente von der Tragstruktur beweglich aufgehängt ist, und einem oder mehreren Balkenantriebselementen, die derart ausgebildet sind, dass sie eine elektrostatische Kraft auf den Balken ausüben, um zu bewirken, dass der Balken in einer ersten Richtung relativ zur Tragstruktur schwingt, sodass der Balken derart ausgebildet ist, dass er sich aufgrund von Corioliskräften in Ansprechen auf eine auf die Tragstruktur ausgeübte Drehung in eine zweite Richtung bewegt.
Eine „integrierte Schaltung“ ist eine Schaltung, die aktive Halbleiterbauelemente wie zum Beispiel Transistoren enthält.
Einige MEMS-Bauelemente enthalten über einem Substrat aufgehängte Strukturen. Die 1A und 1B veranschaulichen zum Beispiel schematisch einen Abschnitt eines gemäß der Mikrosystemtechnik hergestellten Beschleunigungsmessers 100, in dem eine seismische Masse (oder ein „Balken“) 101 durch Verformungselemente 109 und Verankerungen 108 über einem Substrat 102 aufgehängt ist. Die Verankerungen 108 sind fest an das Substrat 102 gekoppelt. Die Verformungselemente 109 sind biegsam und lassen zu, dass der Balken 101 sich in Ansprechen auf eine auf das Substrat 102 ausgeübte Beschleunigung relativ zum Substrat 102 bewegt. Die Verformungselemente 109 und die Verankerungen 108 können „Balkentragstrukturen“ genannt werden. 1B veranschaulicht schematisch eine Draufsicht auf den Beschleunigungsmesser 100, während 1A eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts 150 des Beschleunigungsmessers 100 schematisch veranschaulicht.
Wenn der Beschleunigungsmesser 100 keiner Beschleunigung ausgesetzt ist, bleibt der Balken 101 über dem Substrat 102 in einer Position aufgehängt, die als seine „Nenn“-Position bezeichnet werden kann, und bewegt sich nicht relativ zum Substrat 102. Wenn jedoch das Substrat 102 einer Beschleunigung ausgesetzt ist, zum Beispiel in der +X-Richtung, bewirkt die Trägheit des Balkens 101 eine Verschiebung des Balkens 101 relativ zum Substrat 102. Bei einer Beschleunigung verändern die Verformungselemente 109 ihre Form und ihre Länge, sodass sich der Balken 101 relativ zu den Verankerungen 108 bewegen kann.
Ein Finger 103 auf dem Balken 101 bildet einen einstellbaren Kondensator durch den Zwischenraum 107 mit einem Gegenfinger 104 und einen getrennten einstellbaren Kondensator mit einem festen Finger 106. Der Finger 106 ist an das Substrat 102 gekoppelt, und der Finger 104 ist von einer Fingerverankerung 110 aufgehängt, die an das Substrat 102 gekoppelt ist. Die Kapazität jedes einstellbaren Kondensators verändert sich, wenn sich der Balken 101 relativ zum Substrat 102 bewegt. Die veränderliche Kapazität kann elektronisch verarbeitet werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Verschiebung des Balkens 101 darstellt, welche im Fall des Beschleunigungsmessers 100 mit der ausgeübten Beschleunigung korreliert.
Der Zwischenraum 107 ist in der Regel recht klein. Im Beschleunigungsmesser 100 hat der Zwischenraum 107 zum Beispiel möglicherweise eine Größe in der Größenordnung von einem Mikrometer bis zu ein paar Mikrometern. Demzufolge können eventuelle Gestaltänderungen der seismischen Masse 101 oder des Substrats 102, zum Beispiel aufgrund einer Wärmespannung innerhalb des Substrats 102, auch eine Änderung im Zwischenraum 107 bewirken. Eine solche Änderung kann sich im Verschiebungssignal als Gleichspannungsoffset bemerkbar machen.
Einige MEMS-Bauelemente werden auf oder aus einem Silicium-auf-Isolator-Wafer (oder „SOI“-Wafer) gefertigt, etwa dem SOI-Wafer 201 in 2A. Ein typischer SOI-Wafer 201 weist eine Basisschicht auf, die manchmal „Handle Layer“ 211 genannt wird. Der Handle Layer 211 ist zum Beispiel möglicherweise aus Silicium. Der SOI-Wafer 201 weist auch eine obere Schicht auf, die manchmal „Device Layer“ 213 genannt wird, die über eine Isolatorschicht 212 an eine Seite des Handle Layer 211 gekoppelt ist. Der Device Layer 213 kann zum Beispiel aus dotiertem oder undotiertem Silicium und dünner als der Handle Layer 211 sein. Die Isolatorschicht 212 kann aus einem Oxid (z. B. einem „vergrabenen“ Oxid oder „BOX“) sein und ist zwischen den Handle Layer 211 und den Device Layer 213 eingeschoben (z. B. laminiert).
Um solche Bauelemente weiter zu veranschaulichen, veranschaulichen 2A und 2B schematisch Ausführungsformen von MEMS-Bauelementen 250, 270. Es sei angemerkt, dass verschiedene Ausführungsformen hierin manchmal anhand von Wörtern für die räumliche Lage wie „oben“, „unten“ oder „seitlich“ beschrieben werden. Diese und ähnliche Begriffe werden lediglich der Zweckmäßigkeit halber genutzt und beziehen sich in der Regel auf die Perspektive der Zeichnungen. Das Substrat 201 ist zum Beispiel unter der beweglichen Masse 251 aus der Perspektive von 2A. Jedoch kann das Substrat 201 abhängig von der räumlichen Lage des MEMS-Bauelements 250 auch an irgendeiner anderen Stelle relativ zur beweglichen Masse 251 sein. Mithin basiert die Perspektive in der vorliegenden Erörterung auf der räumlichen Lage der Zeichnungen.
Wie bei vielen MEMS-Bauelementen weisen die Bauelemente 250 und 270 je eine bewegliche Masse auf, die über einem Substrat aufgehängt ist. In einigen MEMS-Bauelementen ist die bewegliche Masse 251 aus monokristallinem Silicium (z. B. einem Teil des Device Layer 213) gebildet, während die bewegliche Masse 251 in anderen MEMS-Bauelementen aus aufgebrachtem Polysilicium gebildet ist. In dem in 2A schematisch veranschaulichten Bauelement 250 ist die bewegliche Masse 251 zum Beispiel über dem SOI-Substrat 201 gefertigt. In einem anderen Beispiel enthält das Bauelement 270, das in 2B schematisch veranschaulicht ist, eine seismische Masse 271 im Device Layer 213 eines SOI-Wafers 201.
In 2A weist ein Beschleunigungsmesser 250 ein Substrat 201 auf, von dem ein Abschnitt eine bewegliche Masse 251 trägt, die durch Verformungselemente 209 aufgehängt ist, sodass die Masse 251 relativ zum Substrat 201 beweglich ist. Die Masse 251 und die Verformungselemente 209 sind vom Substrat 201 durch einen Zwischenraum 208 getrennt und bilden zusammen einen einstellbaren Kondensator über den Zwischenraum 208.
Im Betrieb bewirkt die Bewegung der beweglichen Masse 251 relativ zum Substrat 201, dass die Verformungselemente 209 sich in der Form ändern, sodass mithin Veränderungen in Zwischenraum 208 Fingern auf der beweglichen Masse 251 (in 1A zum Beispiel dem Finger 103) und Fingern, die fest am Substrat 201 angebracht sind (in 1A zum Beispiel dem Finger 104), zugelassen werden, um eine sich ändernde Kapazität zu erzeugen.
In der in 2B gezeigten Ausführungsform enthält das Substrat 201 den Device Layer 213, einen unteren Wafer 211 und eine vergrabene Oxidschicht (oder „BOX-Schicht“) 212 eines SOI-Wafers. Ein oder mehrere Anschlüsse 221 können Merkmale des MEMS-Bauelements, zum Beispiel die bewegliche Masse 251, elektrisch an einen Schaltkreis auf dem MEMS-Bauelement oder einen äußeren Schaltkreis koppeln.
Die Kondensatoren auf einem MEMS-Bauelement weisen allgemein Zwischenräume mit sehr kleinen Abmessungen zwischen ihren Fingern (oder Platten) auf, und die Kapazität solcher Kondensatoren ist allgemein sehr empfindlich für sogar geringe Veränderungen in den Zwischenräumen zwischen ihren Fingern. Diese Empfindlichkeit ist zu einem großen Teil verantwortlich für die Fähigkeit des Sensors zum Erfassen von Bewegungen einer beweglichen Masse. Ebenso kann das Bewegungsverhalten eines Verformungselements (z. B. 209) auch von kleinen Abmessungen seiner Merkmale abhängen. Falls es zu Änderungen der Zwischenräume zwischen den Fingern (oder Platten) oder der Abmessungen eines Verformungselements, eines Zwischenraums, durch den ein Verformungselement verläuft, kommt und dies aus anderen Gründen geschieht als dem Ansprechen auf die Bewegungen, die sie detektieren oder messen sollen, können solche Änderungen infolgedessen eine nachteilige Wirkung auf die Empfindlichkeit und den Nutzen des MEMS-Sensors haben. Falls sich zum Beispiel das Substrat 201 in 2A oder 2B über seine Länge entlang der X-Achse erstreckt, kann sich der Zwischenraum, durch den die Verformungselemente 209 verlaufen, ebenfalls ausdehnen, wodurch bewirkt wird, dass sich die Verformungselemente 209 ausdehnen und weniger biegsam werden. In diesem Fall kann sich die Biegsamkeit der Verformungselemente verringern, was zur Folge hat, dass die Bewegung der beweglichen Masse 251 möglicherweise abgeschwächt wird, wodurch das Bauelement weniger empfindlich wird. Ebenso wird die Empfindlichkeit dieses Kondensators oder dessen Fähigkeit zur Ausübung einer elektrostatischen Kraft auf ein gegenüber befindliches Bauteil, falls sich durch eine solche Ausdehnung ein Zwischenraum zwischen Fingern eines einstellbaren Kondensators ändert, möglicherweise reduziert, wodurch wiederum die Empfindlichkeit des Bauelements eingeschränkt wird. Auch kann ein solcher Zwischenraum zwischen den Fingern eines einstellbaren Kondensators einen unerwünschten Spannungsoffset zwischen den Fingern bewirken, wodurch die Empfindlichkeit des Bauelements ebenfalls eingeschränkt wird.
Eine Ausführungsform eines verkappten MEMS-Sensors 300 mit einem Substrat 311 mit einem Entspannungszwischenraum ist in 3A und 3B schematisch veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel definiert das Substrat 311 eine Substratebene 391 und enthält eine MEMS-Plattform 310, die ein MEMS-Bauelement 301 trägt. In dieser Ausführungsform ist das MEMS-Bauelement 301 ein Beschleunigungsmesser mit einseitiger Einspannung, dessen einseitig eingespannter Balken 302 durch eine Verformungselementbasis 303 über einer Elektrode 304 aufgehängt ist. In anderen Ausführungsformen könnte das MEMS-Bauelement 301 jedoch irgendein MEMS-Bauelement sein, etwa der Beschleunigungsmesser 100 oder ein Schalter oder ein Gyroskop, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wenn der Sensor 300 keiner Beschleunigung ausgesetzt ist, definieren der Balken 302 und die Elektrode 304 zwischen sich einen Nennzwischenraum 305. In Ansprechen auf die Beschleunigung auf der positiven oder der negativen Z-Achse bewirkt die Kraft der Beschleunigung jedoch eine Änderung im Zwischenraum 305 zwischen der Elektrode 304 und dem einseitig eingespannten Balken 302. Das Ausmaß der Beschleunigung lässt sich durch den Betrag der Änderung im Zwischenraum 305 bestimmen, und die Richtung der Beschleunigung lässt sich dadurch bestimmen, ob der Zwischenraum 305 größer (Beschleunigung in der -Z-Richtung) oder kleiner (Beschleunigung in der +Z-Richtung) wird, was sich je auf aus dem Stand der Technik bekannte Arten bestimmen lässt, zum Beispiel durch integrierte Schaltungen 350 auf dem Sensor 300 oder vom Sensor 300 entfernt auf einem getrennten Schaltungschip. Spannungen im Sensor, zum Beispiel Restspannungen nach der Fertigung oder der Einkapselung eines Sensors, können sich jedoch negativ auf die Genauigkeit solcher Messungen auswirken.
Um die Auswirkung von Spannungen zu mindern, ist das MEMS-Bauelement 301 auf einer gegen Spannungen isolierten MEMS-Plattform 310 angeordnet, die innerhalb des Substrats 311 und von dem Substrat durch Brücken 330 aufgehängt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die MEMS-Plattform durch eine oder mehrere Säulen 736 innerhalb des Substrats 311 aufgehängt sein. In dieser Ausführungsform ist das MEMS-Bauelement 301 als Teil einer MEMS-Bauelementschicht 307 gebildet, und die MEMS-Schicht 307 ist durch eine oder mehrere Zwischenschichten 306 an das Substrat 311 gekoppelt. Die MEMS-Schicht 307 definiert eine MEMS-Schichtebene 397, die zur Substratschichtebene 391 parallel ist.
Ein Entspannungszwischenraum 340 mit einer veränderlichen Breite 345 trennt die MEMS-Plattform 310 vom Substrat 311 und von der Verkappung 321 und der Verkappung 322. Die Verkappung 322 kann durch eine Haftschicht 325 an das Substrat 311 gekoppelt sein. Insbesondere, wie in 3A und 3B schematisch veranschaulicht, enthält der Entspannungszwischenraum 340 einen seitlichen Zwischenraum 341, einen oberen Zwischenraum (oder „Hohlraum“) 342 und einen unteren Zwischenraum (oder „Hohlraum“) 343. Der seitliche Zwischenraum 341 kann zum Beispiel eine Nennbreite 345 von ungefähr 20 bis 100 Mikrometern aufweisen, und der untere Zwischenraum 353 kann ungefähr einige Mikrometer breit sein. Die Verkappung 321 bildet eine Kavität 342, deren Breite so hinreichend groß ist, dass sich die bewegliche MEMS-Struktur (z. B. der Balken 302 in der Ausführungsform von 3A) bewegen kann, und sich auf aus dem Stand der Technik bekannte Arten bestimmen lässt.
Wie in 3A und 3B schematisch veranschaulicht, umgibt der Entspannungszwischenraum 340 die MEMS-Plattform 310 in jeder Richtung vollständig (d. h. auf der X-Achse, auf der Y-Achse und auf der Z-Achse). Der Entspannungszwischenraum kann mit einem Gas wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff gefüllt oder kann ein Vakuum sein. Die MEMS-Plattform 310 ist vergleichbar mit einer Insel, die vom Entspannungszwischenraum 340 umgeben wird. Der Entspannungszwischenraum 340 verhindert, dass körperliche Spannungen, die z. B. vom Substrat 311 ausgehen, die MEMS-Plattform 310 erreichen, denn solche körperlichen Spannungen können den Entspannungszwischenraum 340 nicht überspringen.
Die Brücken 330 sind biegsam und derart ausgebildet, dass sie sich in Ansprechen auf Spannungen innerhalb des Substrats 311 oder sich innerhalb des Substrats 311 ausbreitende Spannungen biegen. Zum Beispiel würde sich eine körperliche Spannung, die sich auf der X-Achse im Substrat 311 ausbreiten würde, wenn kein seitlicher Zwischenraum 341 vorhanden wäre, bis zu einem Abschnitt des Substrats unterhalb des MEMS-Bauelements 301 hin ausbreiten (d. h. bis zu einer Stelle auf der MEMS-Plattform 310 in 3A und 3B). Weil jedoch der Entspannungszwischenraum 340 keinen physischen Weg bereitstellt, über den sich diese Spannung ausbreiten kann, wird verhindert, dass sich die Spannung vom Substrat 311 zur MEMS-Plattform 310 hin ausbreitet, sodass mithin das Ausmaß der Spannung, die das MEMS-Bauelement 301 erreicht, gemindert wird.
Diverse Merkmale der Brücken 330 sind bemerkenswert. Erstens sind die Brücken 330 so biegsam, dass sich der Entspannungszwischenraum in Ansprechen auf Spannungen im Substrat 311 ausdehnen und zusammenziehen kann, und dennoch so hinreichend starr, dass die MEMS-Tragstruktur 310 vom Substrat 311 aufgehängt wird. Falls sich zum Beispiel eine Spannung im Substrat 311 tendenziell zur MEMS-Plattform 310 hin ausbreitet, spricht der seitliche Zwischenraum 341 darauf an, indem er kleiner oder größer wird. Insbesondere bewirkt die Spannung, dass sich die Fläche 313 des Substrats 311 zur MEMS-Plattform 310 hin (oder von ihr weg) bewegt, sodass der seitliche Zwischenraum 341 mithin kleiner (oder größer) wird. Wenn der seitliche Zwischenraum 341 kleiner wird, verändern sich die Brücken 330 in ihrer Form, um diese Bewegung zu absorbieren, sodass die Fläche 313 sich mithin relativ zur MEMS-Plattform 310 bewegen (z. B. ausdehnen) kann, ohne die MEMS-Plattform 310 zu einer Bewegung zu drängen oder dies zu bewirken, oder sodass mithin jegliche solchen herbeigeführten Bewegungen der MEMS-Plattform 310 wenigstens gemindert werden.
Zweitens sind die Brücken 330 nicht so biegsam, dass sie sich im Wesentlichen biegen, sich in ihrer Form verändern oder als Reaktion auf eine auf das Substrat 311 ausgeübte Beschleunigung in anderer Weise ansprechen. Mit anderen Worten, während ein Beschleunigungsmesserbalken (z. B. der Balken 101) durch Verformungselemente (z. B. die Verformungselemente 109) aufgehängt ist und diese Verformungselemente so nachgiebig sind, dass die Verformungselemente eine fluidische Bewegung des Beschleunigungsmessers in Ansprechen auf eine ausgeübte Beschleunigung zulassen, sind die Brücken 330 weniger biegsam, um die MEMS-Plattform 310 vom Substrat 311 starr aufzuhängen. Mit anderen Worten, die MEMS-Plattform 301 ist vom Substrat 311 so aufgehängt, dass dann, wenn sich die MEMS-Plattform 310 in Ansprechen auf Spannungen bewegt, sie dies auf eine Art tut, die vom MEMS-Bauelement 301 nicht detektiert wird, und Kräfte, die Bewegungen eines zweiten Bauteils eines MEMS-Bauelements 301 relativ zum ersten Bauteil bewirken, bewirken keine Bewegungen der MEMS-Plattform 310 relativ zum Substrat 311.
Im Allgemeinen können die Verformungselemente in einem MEMS-Bauelement und die Jumper und die Brücken, die hierin offenbart werden, durch ihre Resonanzfrequenz gekennzeichnet sein. Für die Verformungselemente eines Beschleunigungsmessers (z. B. die Verformungselemente 109 in 1) beträgt sie zum Beispiel möglicherweise ungefähr 5 kHz, während die Resonanzfrequenz einer Brücke 330 möglicherweise ungefähr 200 kHz oder mehr beträgt (d. h. ein Ansprechverhältnis von 40:1). Abhängig von der Anwendung und der Spannungstoleranz des MEMS-Bauelements kann das Ansprechverhältnis mehr oder weniger als 40:1 betragen und beträgt zum Beispiel möglicherweise 25:1; 30: 1; 35:1; 45:1; 50:1; oder 55:1, um nur einige Beispiele zu nennen. Das Verhältnis der Resonanzfrequenz eines MEMS-Bauelement-Verformungselements 109 zur Resonanzfrequenz einer Brücke 330 kann vom Entwickler des MEMS-Bauelements festgelegt werden, zum Beispiel abhängig von der Anwendung für das MEMS-Bauelement. Die Jumper 352 sind biegsam und nachgiebig. Weil die Brücken 330 die MEMS-Plattform 310 aufhängen, haben die Resonanzfrequenzen der Jumper 352 eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Bewegung der MEMS-Plattform 310.
Eine Ausführungsform einer Brücke 330 ist in 3C und 3D schematisch veranschaulicht. In 3C enthält eine Ausführungsform einer Brücke 330 ein erstes Bein 331 und ein zweites Bein 332, die zusammen eine Länge aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass sie durch den Entspannungszwischenraum 340 (zum Beispiel durch den seitlichen Zwischenraum 341) hindurch verläuft. Das erste Bein 331 und das zweite Bein 332 sind durch einen Querbalken 333 gekoppelt. Der Querbalken 333 in dieser Ausführungsform ist annähernd 20 Mikrometer breit und 300 Mikrometer lang.
In der Ausführungsform von 3C trifft der Querbalken 333 in rechten Winkeln auf das erste Bein 331 bzw. das zweite Bein 331, auch wenn die Winkel in anderen Ausführungsformen keine rechten Winkel sein müssen. Unter Spannung, etwa wenn der seitliche Zwischenraum 341 verkleinert ist (d. h. der Zwischenraum 345 relativ zum Zwischenraum 345 in 3C reduziert ist), verändert sich die Brücke 330 in ihrer Form, sodass sie die Änderung im seitlichen Zwischenraum 341 absorbiert, wie zum Beispiel in 3D schematisch veranschaulicht. In der Ausführungsform von 3D weisen die Winkel zwischen dem Querbalken 333 und den Beinen 331 bzw. 332 eine Änderung auf und sind kleiner als 90 Grad. Demzufolge kann die Brücke 330 von 3C und 3D als „Z-Brücke“ bezeichnet werden. Infolgedessen durchläuft die körperliche Spannung vom Substrat den Entspannungszwischenraum 340. Der Querbalken 333 ist jedoch entlang seiner Länge sehr steif und ist im Wesentlichen inkompressibel. Die Steifigkeit des Querbalkens 333 unterstützt die Widerstandsfähigkeit gegen Bewegungen der MEMS-Plattform 310 in der Richtung der Länge des Querbalkens 333 und widersteht deshalb einer Zusammendrückung oder Verkleinerung des seitlichen Zwischenraums 341 in der Richtung der Länge des Querbalkens 333.
Eine alternative Ausführungsform einer Brücke 330 ist in 3E schematisch veranschaulicht und kann „U-förmige“ Brücke oder „Zylinder“-Brücke genannt werden. Die U-förmige Brücke 330 enthält zwei Beine 331 und 332, die eine Linie zwischen dem Substrat 311 und der MEMS-Plattform 310 definieren können. Die U-förmige Brücke 330 enthält auch einen ersten Querbalken 333A, der an das Bein 331 gekoppelt ist, und einen zweiten Querbalken 333B, der an das Bein 332 gekoppelt ist, und ein Querbalken-Verbindungsstück 335, das entfernt von den Beinen 331 und 332 zwischen den ersten Querbalken 333A und den zweiten Querbalken 333B gekoppelt ist.
Allgemein sind die Brücken 330 und die Beine 331, 332 und die Querbalken 333, 333A und 333B aus dem Material des Substrats 311 gefertigt und liegen deshalb in der Substratschichtebene und weisen eine Dicke 337 auf, die gleich der Dicke 315 des Substrats ist, auch wenn die verschiedenen Ausführungsformen dadurch nicht eingeschränkt werden, und die Dicke 337 könnte größer oder kleiner als die Dicke 315 des Substrats sein. Jeder Querbalken 333 (auch 333A und 333B) weist auch eine Länge 338 auf, wie in 3F schematisch veranschaulicht (auch wenn nur der Querbalken 333 in 3F schematisch veranschaulicht ist), die allgemein länger ist als die Länge 338 der Beine 331 und 332, wie in 3G schematisch veranschaulicht (auch wenn nur das Bein 331 in 3G schematisch veranschaulicht ist). In einigen Ausführungsformen ist die Länge 339 eines Querbalkens 2 Mal so lang wie oder noch länger als die Länge des Beins 331 oder des Beins 332, und in einigen Ausführungsformen ist die Länge des Querbalkens 3, 4, 5, 6 oder 10 Mal so lang wie oder noch länger als die Länge des Beins 331 oder des Beins 332. Je länger allgemein die Länge 338 des Querbalkens, desto größer die Biegsamkeit der Brücke 330.
Die Breite 336 der Querbalken 333, 33A, 333B und die Breite 334 der Beine 331, 332, wie zum Beispiel in 3H schematisch veranschaulicht, beträgt zum Beispiel möglicherweise 20 Mikrometer.
In einigen Ausführungsformen enthält eine Brücke 330 möglicherweise einen elektrischen Leiter (etwa den elektrischen Leiter 355, wie zum Beispiel in 3F und 3G schematisch veranschaulicht), der an das MEMS-Bauelement 301 gekoppelt und derart ausgebildet ist, dass er elektrische Signale durch den Entspannungszwischenraum 340 leitet. Demzufolge stellt der Leiter 355 eine elektrische Verbindung als Teil der Substratschicht 311 bereit.
31 veranschaulicht schematisch ein Substrat 311 und identifiziert eine Umfangsregion 360 auf der Oberfläche 319 des Substrats 311. Die Umfangsregion 360 beschreibt die MEMS-Plattform 310 und den Entspannungszwischenraum 340 um und definiert einen Bereich auf der Oberfläche 319 des Substrats 311, die zum Bonden einer Verkappung geeignet ist, wie unten beschrieben, denn die Oberfläche 319 innerhalb der Umfangsregion 360 ist zum Beispiel frei von Hindernissen und Zwischenräumen 340, sodass eine auf die Oberfläche 319 innerhalb der Umfangsregion 360 gebondete Verkappung eine robuste und vorzugsweise hermetische Abdichtung zum Substrat 311 ergibt. Falls das Substrat 311 einen integrierten Schaltkreis 350 enthält, kann dieser integrierte Schaltkreis 350 innerhalb des Innenumfangs 361 des Umfangsbereichs 360 oder außerhalb des Innenumfangs 361 des Umfangsbereichs 360 angeordnet sein, wie zum Beispiel in 31 schematisch veranschaulicht. Die Oberfläche 319 des Substrats 311 außerhalb des Umfangsbereichs kann als Schulter 365 bezeichnet werden und kann einen Raum zum Beispiel für Bondkontaktstellen 354 und/oder Schaltungen 350 bereitstellen. In einer alternativen Ausführungsform kann die MEMS-Bauelementschicht 307 eine solche Umfangsregion 362 enthalten, und eine Verkappung kann an die Umfangsregion 362 auf der MEMS-Bauelementschicht 307 gekoppelt sein, wie zum Beispiel in 3A schematisch veranschaulicht.
31 veranschaulicht auch schematisch eine optionale Jumper-Halbinsel 370, die sich vom Substrat 311 in den Entspannungszwischenraum 340 hinein erstreckt, wodurch die Breite 346 des Zwischenraums 340 verringert wird. Dieser schmalere Abschnitt des Zwischenraums 340 stellt einen Abstand für die Jumper 352 bereit, der kürzer ist als die Nennbreite 345, sodass die Länge der Jumper 352 mithin reduziert wird. Eine kürzere Länge 359 für die Jumper 352 hat eine geringere körperliche Spannung für die Jumper 352 zur Folge, da sich der Entspannungszwischenraum 340 verändert.
Eine alternative Ausführungsform eines Jumpers 352 ist in 3L schematisch veranschaulicht, in der zwei solche Jumper gezeigt sind. Jeder Jumper 352 weist zwei Endregionen 381 und 382 an gegenüberliegenden Enden und einen mittleren Teilabschnitt 383 zwischen den Endregionen 381 und 382 auf. Der mittlere Teilabschnitt 383 enthält optional eine oder mehrere Jumperaussparungen 386, die ganz durch den Jumper 352 verlaufen, um einen Durchgang bereitzustellen, über den ein Ätzmittel zum Zweck des Ätzens eines Substrats oder eines anderen Materials an der gegenüberliegenden Seite des Jumpers 352 durch den Jumper 352 fließen kann. In der Ausführungsform von 3L enthält der Jumper 352 ein Verformungselement 385, das zwischen der Endregion 381 und dem mittleren Teilabschnitt 383 angeordnet ist. Das Verformungselement 385 lässt zu, dass der Jumper 352 seine Länge 359 verändert, zum Beispiel in Ansprechen auf eine durch eine Spannung hervorgerufene Verschiebung einer MEMS-Plattform 310. In der Ausführungsform von 3L ist das Verformungselement 385 serpentinenförmig, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch diverse andere Formen aufweisen, zum Beispiel die Form eines geschlossenen Kastens wie das Verformungselement 109 in 1B.
4 veranschaulicht schematisch eine MEMS-Plattform 310, die über acht Brücken 330 an ein Substrat 311 gekoppelt ist. Wie in 4 gezeigt, trifft der Querbalken 333 in einem Winkel von weniger als 90 Grad auf die Beine 331, 332, zum Beispiel weil das Bauelement 300 unter körperlicher Spannung steht oder weil die Brücken so gefertigt sind, dass sie diesen Winkel aufweisen, obwohl keine solche Spannung besteht (z. B. an ihren Nennpositionen).
Einige Ausführungsformen enthalten auch elektrisch leitfähige, durch den Zwischenraum verlaufende Jumper 352, die durch den Entspannungszwischenraum verlaufen, um für das MEMS-Bauelement 301 auf der MEMS-Plattform 310 Strom, eine Erdung und Signalverbindungen bereitzustellen. Zum Beispiel, wie in 3B schematisch veranschaulicht, enthält der Sensor 300 einen oder mehrere Jumper 352, die elektrisch an einen Leiter oder Bus 351 koppeln, der elektrisch an die integrierte Schaltung 350 gekoppelt ist. 3J und 3K veranschaulichen schematisch eine Ausführungsform eines Jumpers 352 mit einer Länge 359 und einer Breite 358 und einer Dicke 357. In einigen Ausführungsformen ist der Jumper 352 leitfähig, und in einigen Ausführungsformen enthält der Jumper 352 eine leitfähige Schicht 355. Allgemein ist die Dicke 357 eines Jumpers 352 im Wesentlichen kleiner als die Dicke 337 einer Brücke 330 und des Substrats 311. Die Länge 359 des Jumpers 352 ist so hinreichend groß, dass er durch den Entspannungszwischenraum 340 an der Stelle verläuft, an der der Jumper 352 den Zwischenraum 340 durchquert. In einem Ausführungsbeispiel hat ein Jumper 352 eine Länge 359 von 100 Mikrometern, eine Breite 358 von 16 Mikrometern und eine Dicke 357 von 8 Mikrometern.
In einigen Ausführungsformen koppeln die Brücken 330 zwischen der MEMS-Plattform 310 und der Innenecke 380 des umgebenden Substrats 311, wie zum Beispiel in 3M, 3N, 3O und 3P schematisch veranschaulicht. 3M veranschaulicht schematisch zwei Brücken 330, deren Form je so ist, wie in 3C schematisch veranschaulicht. Jede Brücke koppelt an oder nahe bei der Innenecke 380 an das umgebende Substrat 311 und koppelt an einer von der Ecke 380 entfernten Stelle an die MEMS-Plattform 310. Die Ausführungsform von 3O veranschaulicht schematisch zwei Brücken 330 wie in 3M und enthält eine „L“-förmige Entspannungsausbuchtung 3303 innerhalb der Ecke, die durch die zwei Brücken 330 gebildet wird.
3N veranschaulicht schematisch zwei Brücken 330, die je eine „L“-Form aufweisen, in denen ein Ende an das umgebende Substrat 311 an oder nahe bei der Innenecke 380 koppelt und das andere Ende an die MEMS-Plattform 310 an einer von der Ecke 380 entfernten Stelle koppelt.
3P veranschaulicht schematisch eine einzige gekrümmte oder „hakenförmige“ Brücke 330 mit einem geraden Ende 3301, das an die MEMS-Plattform 310 gekoppelt ist, und einem gekrümmten Ende 3302, das an das umgebende Substrat 311 gekoppelt ist.
Einige Ausführungsformen enthalten eine oder mehrere „U“-förmige Brücken, wobei das offene Ende des „U“ an das umgebende Substrat 311 gekoppelt ist und das geschlossene Ende des „U“ 3304 an die MEMS-Plattform 310 gekoppelt ist, wie zum Beispiel in 3Q schematisch veranschaulicht. In der Ausführungsform von 3Q ist eines der offenen Enden 3305 der „U“-förmigen Brücke an das umgebende Substrat 311 an oder nahe bei der Ecke 380 gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen koppeln die Brücken 330 näher bei der Mitte der MEMS-Plattform 310 und weisen einen oder mehrere Jumper 352 auf, die zwischen die MEMS-Plattform 310 und das umgebende Substrat 311 gekoppelt und zwischen den Brücken 330 und den Ecken 380 angeordnet sind, wie zum Beispiel in 3R schematisch veranschaulicht. In 3R ist ein Ende jeder Brücke 330 an oder nahe bei einer Stelle, die gegenüber dem Mittelpunkt einer gegenüberliegenden Kante der MEMS-Plattform 310 ist, an das umgebende Substrat 311 gekoppelt, während das entfernte Ende jeder Brücke 330 an von diesem Mittelpunkt entfernten Stellen an die MEMS-Plattform 310 koppelt. In dieser Ausbildung sind die Enden jeder Brücke 330, die an das Substrat 380 koppelt, sehr nah beieinander, deshalb ist die vom Substrat 380 an die Brücken übertragene Beanspruchung minimal. Ein oder mehrere Jumper 352 verlaufen an Stellen zwischen den Brücken 310 und der Innenecke 380 durch den Zwischenraum zwischen der MEMS-Plattform 310 und dem umgebenden Substrat 311. In einigen Ausführungsformen sind die Brücken symmetrisch um die X- und die Y-Achse angeordnet, um Spannungsungleichgewichte zu mindern.
Eine alternative Ausführungsform eines MEMS-Bauelements ist in 3S und 3T schematisch veranschaulicht und enthält einen Beschleunigungsmesser 100 auf der MEMS-Plattform 310. Wie in 3S und 3T gezeigt, damit eine körperliche Spannung vom Substrat 311 den Balken 101 erreichen könnte, müsste die Spannung die Brücke 330 und das Verformungselement 109 durchqueren. Demzufolge können die Brücke 330 und das Verformungselement 109 als gemeinsam in einer Reihe eingerichtet oder angeordnet beschrieben werden. In einigen Ausführungsformen, etwa in den 3S und 3T, liegen die Brücke 330 und das Verformungselement 109 nicht in derselben Ebene (d. h. die Brücke 330 liegt in einer anderen X-Y-Ebene als das Verformungselement 109), daher liegen die Brücke 330 und das Verformungselement 109 nicht auf einem linearen Weg, und jegliche Spannungen, die vom Substrat 311 zum Balken 101 hin laufen, wären dazu nicht in der Lage, wenn sie in einer geraden Linie vom Substrat 311 zum Balken 101 hin liefen. In dieser Ausbildung, wie auch in den anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen, würde die Spannung eine Gestaltänderung in der Brücke 330 herbeiführen und mithin von der Brücke 330 absorbiert werden, daher würde die körperliche Spannung nur zu einem geringen Teil oder gar nicht das Verformungselement 109 erreichen.
Einige Ausführungsformen enthalten auch einen oder mehrere Leiter oder Busse 351, welche die integrierte Schaltung 350 elektrisch an die Bondkontaktstellen 354 koppeln. Alternativ oder zusätzlich enthalten einige Ausführungsformen einen oder mehrere Jumper 352 und Leiter 351, die elektrisch an eine oder mehrere Bondkontaktstellen 354 koppeln. Die Jumper 352 sind kurz und sind so biegsam wie oder noch biegsamer als die Brücken 330, um die relative Bewegung des Substrats 311 und der MEMS-Plattform 310 nicht zu behindern.
5 veranschaulicht schematisch einen eingekapselten MEMS-Sensor 500. Zu Veranschaulichungszwecken enthält der Sensor 500 ein verkapptes MEMS-Bauelement, das schematisch als Bauelement 300 veranschaulicht ist, jedoch könnten alternative Ausführungsformen beliebige von diversen MEMS-Bauelementen enthalten, etwa beliebige der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Der eingekapselte Sensor 500 enthält einen Leiterrahmen 501 mit einem Trägerkörper 502 und Anschlussbeinchen 503. Jedes der Anschlussbeinchen 503 ist elektrisch vom Trägerkörper 502 isoliert.
Das MEMS-Bauelement 300 ist körperlich an den Trägerkörperabschnitt 502 des Leiterrahmens 501 gekoppelt und ist über eine oder mehrere Drahtbondungen 509 elektrisch an die Anschlussbeinchen 503 gekoppelt. Das integrierte Bauelement 300, der Trägerkörper 502, eine oder mehrere Drahtbondungen 509 und ein Abschnitt jedes Anschlussbeinchens 503 sind in einem Kapselungsmaterial 507 eingekapselt. Der verpackte Sensor 300 kann durch die Anschlussbeinchen 503, die sich aus dem Kapselungsmaterial 507 heraus erstrecken, an ein Substrat 508 montiert sein.
Die Materialeigenschaften des Kapselungsmaterials (d. h. zum Beispiel einer Pressmasse, wie aus dem Stand der Technik bekannt), etwa der Youngsche Modul und der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK), variieren temperaturabhängig stark. Der Youngsche Modul der Pressmasse ändert sich in einem Temperaturbereich von -50C bis 150C um mehr als 2 Größenordnungen. Insbesondere verändert diese sich insofern, als sie von einem steifen Material (E=24GPa) bei geringen Temperaturen (-50C bis 25C) zu einem weichen Material (E=0,8GPa) bei über 100C wird. Zudem verändert sich ihr WAK mehr als drei Mal in diesem Temperaturbereich (von 12e-6/C bis 38e-6/C), und er ist weitaus größer als der WAK von Silicium (2e-6/C). Folglich werden große Wärmespannungen erzeugt und an den MEMS-Sensor 300 übertragen. Dies führt im Temperaturbereich von 175C bis -40C zu einer großen Empfindlichkeitsänderung im MEMS-Sensor. Dieses Problem wird in den MEMS-Sensoren basierend auf den kapazitiven Wandlungen noch deutlicher bemerkbar, und es ist wünschenswert, dieses Problem für Sensoren anzugehen, deren kapazitive Zwischenräume kleiner als oder genau 1 Mikrometer groß sind.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens 600 zum Fertigen eines Chips oder eines Wafers mit einem Entspannungsgraben ist in 6A veranschaulicht, und in den 7A-7F sind Teilansichten eines Bauelements 799 in verschiedenen Fertigungsphasen schematisch veranschaulicht. Die Ansichten in den 7A-7F zeigen nur ein Ende eines MEMS-Bauelements 799. Auch wenn das Verfahren 600 und die 7A-7F die Fertigung eines MEMS-Bauelements 799 auf einem Siliciumwafer 700 schematisch veranschaulichen, wäre der Durchschnittsfachmann in der Lage, die Schritte des Verfahrens 600 für die Fertigung eines MEMS-Bauelements unter Verwendung eines SOI-Wafers anzupassen, zum Beispiel durch die Fertigung einer MEMS-Insel (z. B. der MEMS-Insel 740) wie beim Wafer 700 unten.
Das Verfahren 600 fängt mit dem Schritt 601 an, bei dem ein Wafer 700 bereitgestellt wird, der dem Wafer 311 ähneln kann und zum Beispiel möglicherweise ein Siliciumwafer ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der Wafer hat zum Beispiel möglicherweise eine Dicke 707 von 780 Mikrometern. In 7A ist nur ein Abschnitt des Wafers 700 gezeigt. Insbesondere ist der in 7A schematisch veranschaulichte Abschnitt nur ein Teil eines MEMS-Bauelements, und der Wafer 700 enthält viele andere identische MEMS-Bauelemente.
Als Nächstes wird beim Schritt 602 bei dem Verfahren eine nicht freigegebene MEMS-Struktur gebildet. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, enthält ein MEMS-Bauelement mindestens ein Bauteil (z. B. einen Balken oder eine seismische Masse), das mit Bezug auf ein anderes Merkmal (z. B. ein Substrat oder einen fixierten Finger) beweglich ist. Es ist jedoch bekannt, dass beim Fertigen von MEMS-Bauelementen das bewegliche Bauteil so gefertigt wird, dass es in einer Zwischenfertigungsphase mit Bezug auf das Substrat noch nicht beweglich ist. Eine solche MEMS-Struktur lässt sich als „immobil“ oder „immobilisiert“ beschreiben.
Zum Beispiel enthält der Schritt 602 in 7A, nachdem andere Merkmale wie eine Polysiliciumschicht 745 und eine Polynitridzwischenschicht 750 gebildet worden sind, das Aufbringen einer Schicht 710 aus Oxid und das Strukturieren der Oxidschicht 710 durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, um eine Oxidregion 713 zu bilden. Bei dem Verfahren wird dann eine Polysiliciumbalkenschicht 770 aufgebracht, aus der MEMS-Strukturen 771 und 772 gefertigt werden. Die MEMS-Strukturen 771 und 772 sind in körperlichem und elektrischem Kontakt mit der Polysiliciumschicht 745 bzw. der Polynitridzwischenschicht 750, um eine elektrische Kommunikation zwischen den MEMS-Strukturen 771 und 772 und Anschlüssen oder Schaltungen bereitzustellen. An dieser Stelle im Prozess sind die MEMS-Strukturen 771 und 772 mit Bezug auf den Wafer 770 nicht beweglich, da sie durch die Oxidregion 713 befestigt sind. So lässt sich eine zusätzliche Bearbeitung durchführen, während die MEMS-Strukturen 771 und 772 immobilisiert sind.
Der Schritt 602 enthält auch die Strukturierung der Balkenschicht 770, nach der ein Polysiliciumbereich 779 zurückbleibt, um einen Jumper zu bilden, der durch einen Zwischenraum verläuft, zum Beispiel den Jumper 352 in 3B. Ein solcher Bereich 779 ist zum Beispiel in 7B schematisch veranschaulicht.
Bei dem Verfahren 600 wird beim Schritt 603 als Nächstes der Zwischenraum 781 gebildet, wie in 7C und 7D schematisch veranschaulicht. Um den Zwischenraum 781 zu ätzen, wird die Schicht aus Oxid 710, die annähernd 2 Mikrometer dick ist, so strukturiert, dass an der gewünschten Stelle des Zwischenraums 781 eine Öffnung 719 bereitgestellt wird. Die Öffnung 719 im Oxid 710 hat zum Beispiel möglicherweise eine Breite 704 von ungefähr 20 Mikrometern. Dann lässt sich der Zwischenraum 781 zum Beispiel durch reaktives Ionentiefenätzen (Deep Reactive-Ion Etching, „DRIE“) durch die Öffnung 719 ätzen. Der Zwischenraum 781 hat danach eine Breite 709, die annähernd gleich der Breite 704 der Öffnung 719 ist.
Der Zwischenraum 781 definiert die Insel 740 (die letztlich eine MEMS-Plattform sein wird, z. B. die Plattform 310). Beim Prozess des Bildens des Zwischenraums 781 wird jedoch nicht das ganze Substrat innerhalb des Bereichs des Zwischenraums 781 entfernt. Vielmehr bleiben Abschnitte des Substratmaterials dort zurück, um Brücken wie zum Beispiel die Brücken 330 in 3B zu bilden.
Optional wird der Wafer 700 beim Schritt 604 umgedreht, und die Rückseite 703 des Wafers 700 wird geschliffen. Durch das Schleifen beim Schritt 605 wird die Dicke 707 des Wafers 700 reduziert.
Als Nächstes wird beim Schritt 605 eine Rückseitenverkappung 730 an die Rückoberfläche 706 des Wafers 730 gebondet, wie in 7E schematisch veranschaulicht. Die Verkappung 730 kann aus Silicium sein und kann durch eine Silicium-Direktbondung oder durch eine Metall-Metall-Bindung wie eine Au-Au-Bindung oder eine GE-AL-Bindung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, an den Wafer 700 gebondet werden.
Die Rückseitenverkappung 730 lässt sich hermetisch dicht an der Rückoberfläche 706 um den Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 herum anbringen. Der Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 beschreibt die Insel 740 um, sodass die Insel 740 gegen die körperliche Belastung vom Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 her körperlich isoliert wird. Falls eine Wärmespannung zum Beispiel bewirkt, dass die Rückseitenverkappung 730 sich entlang der X-Achse ausdehnt, geht diese Spannung nicht direkt auf die Insel 740 über.
Die Rückseitenverkappung 730 definiert eine Rückseitenkavität 735 (die zum Beispiel der Kavität 353 in 3A entspricht) zwischen der Rückoberfläche 706 und einer Innenoberfläche 731 der Rückseitenverkappung 730, um die Insel 740 gegen Spannungen der Rückseitenverkappung 730 weiter körperlich zu isolieren. In einigen Ausführungsformen besteht keine körperliche Kopplung direkt zwischen der Verkappung 730 und der Insel 740. In anderen Ausführungsformen können sich eine oder mehrere optionale Säulen 736 zwischen der Innenoberfläche 731 der Rückseitenverkappung 730 und der Rückoberfläche 706 des Wafers 700 erstrecken, um zu ermöglichen, dass die Insel 740 von der Rückseitenverkappung getragen wird, und um zum Definieren und Erhalten der Rückseitenkavität 735 beizutragen. In einigen Ausführungsformen können die Säule oder die Säulen 736 ein integraler Teil der Rückseitenverkappung 730 sein.
Beim Schritt 606 wird bei dem Verfahren 600 das Oxid an der Oxidregion 713 durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und Prozesse entfernt. Durch die Entfernung der oberen Oxidschicht 713 wird die MEMS-Struktur (z. B. 771, 772) freigegeben, sodass diese Strukturen anschließend mit Bezug auf den Wafer 700 beweglich sind.
Beim Schritt 607 wird eine obere Verkappung 790 an den Wafer 700 gebondet, um das Bauelement abzudichten. Die obere Verkappung 790 hat keinen körperlichen Kontakt zur Insel 740, ist jedoch an den Wafer 700 gekoppelt, um den Zwischenraum 781 umzubeschreiben.
Die obere Verkappung 790 kann elektrisch leitfähig sein und ist zum Beispiel möglicherweise aus Silicium und kann durch eine Metall-Metall-Bindung an das Substrat 700 gebondet sein. In einigen Ausführungsformen ist die Verkappung 790 möglicherweise ein Teil eines Kappenwafers, der so ähnliche Abmessungen wie der Wafer 700 hat. Ein solcher Kappenwafer hat möglicherweise viele Kappenteilabschnitte, wobei jeder Kappenteilabschnitt einem Bauelement auf dem zu verkappenden Wafer 700 entspricht. Der Außenumfang 791 der oberen Verkappung 790 kann (z. B. auf der Z-Achse, wie in 7F schematisch veranschaulicht) dünner sein als andere Abschnitte der Verkappung 790, um die Zerteilung oder das Schleifen zum Öffnen zu erleichtern.
In der Ausführungsform von 7F ist die obere Verkappung 790 an die Wand 775 gebondet. Die obere Verkappung 790 lässt sich auf diverse aus dem Stand der Technik bekannte Arten an den Wafer 770 oder die Wand 775 bonden. In 7F ist die obere Verkappung 790 zum Beispiel durch eine eutektische Metallbondung 792, zum Beispiel eine AL-GE-Bindung, an die Wand 775 gebondet.
Schließlich werden der Wafer und seine Verkappungen beim Schritt 608 in einzelne, verkappte MEMS-Bauelemente zerteilt.
Eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens 650 zum Fertigen eines Chips oder eines Wafers mit einem Entspannungsgraben ist in 6B veranschaulicht, und in den 8A-8P sind Teilansichten eines Bauelements 799 in verschiedenen Fertigungsphasen schematisch veranschaulicht. Die Ansichten in den 8A-8P zeigen nur ein Ende eines MEMS-Bauelements 799. Auch wenn das Verfahren 650 und die 8A-8P die Fertigung eines MEMS-Bauelements 799 auf einem Siliciumwafer 700 schematisch veranschaulichen, wäre der Durchschnittsfachmann in der Lage, die Schritte des Verfahrens 650 für die Fertigung eines MEMS-Bauelements unter Verwendung eines SOI-Wafers anzupassen, zum Beispiel durch die Fertigung einer MEMS-Insel (z. B. der MEMS-Insel 740) wie beim Wafer 700 unten.
Das Verfahren 650 fängt mit dem Schritt 651 an, bei dem ein Wafer 700 bereitgestellt wird, der dem Wafer 311 ähneln kann, und ist zum Beispiel möglicherweise ein Siliciumwafer, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der Wafer hat zum Beispiel möglicherweise eine Dicke 707 von 780 Mikrometern. In 8A ist nur ein Abschnitt des Wafers 700 gezeigt. Insbesondere ist der in 8A schematisch veranschaulichte Abschnitt nur ein Teil eines MEMS-Bauelements, und der Wafer 700 enthält viele andere identische MEMS-Bauelemente.
Beim Schritt 652 wird ein Graben 705 in die obere Oberfläche 701 des Wafers 700 geätzt. In einigen Ausführungsformen hat der Graben 705 eine Tiefe 708, die mehr als die Hälfte der Dicke des Wafers 700, jedoch weniger als die Gesamtdicke 707 des Wafers 700 ausmacht. Zum Beispiel hat der Wafer 700 in der Ausführungsform von 8A eine Dicke 707 von ungefähr 780 Mikrometern, und die Tiefe 708 des Grabens 705 beträgt annähernd 500 Mikrometer. Der Graben 705 beschreibt einen Abschnitt des Wafers 700 um, um eine MEMS-Insel 740 zu bilden, wie zum Beispiel durch die Art veranschaulicht, in der der Entspannungszwischenraum 340 die MEMS-Plattform 310 in 3B umbeschreibt. Der Graben 705 ist nicht durchgehend, insofern als einige Abschnitte des Wafers 700 beibehalten werden und zwischen der Insel 740 und den übrigen Abschnitten des Wafers 700 verlaufen. Diese übrigen Abschnitte bilden Brücken wie zum Beispiel die Brücken 330 in 3B.
Um den Graben 705 zu ätzen, wird eine Schicht aus Oxid 710, die annähernd 2 Mikrometer dick ist, auf der oberen Oberfläche 702 des Wafers 700 aufgewachsen und dann so strukturiert, dass an der gewünschten Stelle des Grabens 705 eine Öffnung 719 bereitgestellt wird. Die Öffnung 719 im Oxid 710 hat zum Beispiel möglicherweise eine Breite 704 von ungefähr 20 Mikrometern. Dann lässt sich der Graben 705 zum Beispiel durch reaktives Ionentiefenätzen (Deep Reactive-Ion Etching, „DRIE“) durch die Öffnung 719 ätzen. Der Graben 705 hat danach eine Breite 709, die annähernd gleich der Breite 704 der Öffnung 719 ist.
Beim Schritt 653 wird zusätzliches Oxid 711 auf den Wänden 715 des Grabens 705 aufgewachsen, um den Graben 705 auszukleiden, wie in 8B schematisch veranschaulicht. Das zusätzliche Oxid 711 kann ungefähr 2 Mikrometer dick sein und kann praktisch in der anfänglichen Oxidschicht 710 aufgehen, um zu einem zusammenhängenden Teil der Oxidschicht 710 zu werden. Wie hierin verwendet, bedeutet „Auskleiden“ des Grabens 705, dass eine dünne Schicht aus Oxid auf die Wände 715 des Grabens aufgetragen wird, jedoch ohne dass der Graben 705 gefüllt wird. Mit anderen Worten, der ausgekleidete Graben 705 ist nach wie vor ein Graben im Wafer 700, der eine Breite 704 von annähernd 16 Mikrometern hat.
Als Nächstes wird beim Schritt 654 eine Schicht aus Opferpolysilicium 720 auf der Oxidschicht 710 aufgebracht, um den Wafer 700 zu bedecken und den Graben 705 zu füllen. Wie in 8C schematisch veranschaulicht, kann die Schicht aus Opferpolysilicium 720 annähernd 10 Mikrometer dick sein. Das Opferpolysilicium 720 wird beim Schritt 655 dann geätzt, um das Opferpolysilicium 720 über der Oberseite 701 des Wafers zu entfernen, wobei jedoch das den Graben 705 füllende Opferpolysilicium 720 dort zurückgelassen wird, wie in 8D schematisch veranschaulicht. Dieser Körper aus übrigem Opferpolysilicium 720, welches den Graben 705 füllt, kann als „Pfropfen“ 721 bezeichnet werden.
Als Nächstes wird beim Prozess 650 zur Rückseite 703 des Wafers 700 übergegangen. Beim Schritt 655 wird der Wafer 700 umgedreht, und die Rückseite 703 des Wafers 700 wird geschliffen. Durch das Schleifen beim Schritt 655 wird die Dicke 707 des Wafers 700 reduziert, um das Opferpolysilicium 720 im Graben 705 an der Rückseite des Wafers 700 freizulegen, wie in 8D schematisch veranschaulicht. Weil der Wafer 700 in der vorliegenden Ausführungsform annähernd 780 Mikrometer dick und der Graben 705 annähernd 500 Mikrometer tief ist und sich von der Oberseite 701 des Wafers her erstreckt, werden durch das Schleifen beim Schritt 655 mindestens 280 Mikrometer des Wafers entfernt (d. h. 780 Mikrometer anfängliche Dicke - 280 durch Schleifen entfernte Mikrometer = 500 Mikrometer restliche Waferdicke), um das Opferpolysilicium 720 freizulegen. Durch das Schleifen 655 wird eine Rückoberfläche 706 des Wafers 700 freigelegt, nur nicht dort, wo das Polysilicium 720 und das Grabenauskleidungsoxid 711 freigelegt sind.
Als Nächstes wird beim Schritt 656 eine Rückseitenverkappung 730 an die Rückoberfläche 706 des Wafers 700 gebondet. Die Verkappung 730 kann aus Silicium sein und kann durch eine Silicium-Direktbondung oder durch eine Metall-Metall-Bindung wie eine Au-Au-Bindung oder eine GE-AL-Bindung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, an den Wafer 730 gebondet werden.
Die Rückseitenverkappung 730 lässt sich hermetisch dicht an der Rückoberfläche 706 um den Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 herum anbringen. Der Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 beschreibt die Insel 740 um, sodass die Insel 740 gegen die körperliche Belastung vom Umfang 732 der Rückseitenverkappung 730 her körperlich isoliert wird, nachdem das Opferpolysilicium 720 entfernt worden ist (unten beschrieben). Falls eine Wärmespannung zum Beispiel bewirkt, dass die Rückseitenverkappung 730 sich entlang der X-Achse ausdehnt, geht diese Spannung nicht direkt auf die Insel 740 über.
Die Rückseitenverkappung 730 definiert eine Rückseitenkavität 735 (die zum Beispiel der Kavität 353 in 3A entspricht) zwischen der Rückoberfläche 706 und einer Innenoberfläche 731 der Rückseitenverkappung 730, um die Insel 740 gegen Spannungen der Rückseitenverkappung 730 weiter körperlich zu isolieren. In einigen Ausführungsformen besteht keine körperliche Kopplung direkt zwischen der Verkappung 730 und der Insel 740. In anderen Ausführungsformen können sich eine oder mehrere optionale Säulen 736 zwischen der Innenoberfläche 731 der Rückseitenverkappung 730 und der Rückoberfläche 706 des Wafers 700 erstrecken, um zu ermöglichen, dass die Rückseitenverkappung getragen wird, und zum Definieren und Erhalten der Rückseitenkavität 735 beizutragen. In einigen Ausführungsformen können die Säule oder die Säulen 736 ein integraler Teil der Rückseitenverkappung 730 sein. Weil das Sensorsubstrat 700 von den Säulen 736 getragen wird, könnten die Brücken 330 weggelassen oder entfernt werden.
Um wieder auf die Oberseite des Wafers zurückzukommen, beim Schritt 657 werden leitfähige Leiterbahnen 745 auf der Oxidschicht 710 aufgebracht. Diese Leiterbahnen 745 sind in 8E schematisch veranschaulicht und können aus Polysilicium oder Metall sein, um nur einige Beispiele zu nennen.
Beim Schritt 658 wird eine zusätzliche Schicht aus Oxid 712 hinzugefügt, um die Leiterbahnen 745 zu bedecken, wie in 8F schematisch veranschaulicht. Die zusätzliche Schicht aus Oxid 712 bedeckt auch die Oberseite des Polysiliciumpfropfens 721, geht in die Polysiliciumschicht 710 über und wird zu einem Teil von ihr. Die zusätzliche Schicht aus Oxid 712 kann die Leiterbahnen 745 während anschließender Fertigungsschritte schützen.
Beim Schritt 659 wird ein Teil des Oxids 710 (welches einen Teil des Oxids 712 enthält) entfernt, um einen Teil der Oberseite 701 des Wafers 700 um den Graben 705 herum freizulegen, wie in 8G schematisch veranschaulicht. Demzufolge gehen das den Graben 705 auskleidende Oxid 711 sowie die Oxidschicht 710 und die zusätzliche Oxidschicht 712 nicht mehr ineinander über. Als Nächstes wird beim Schritt 660 eine Schicht aus Nitrid 750 hinzugefügt, um die Oxidschicht 710 und mindestens einen Abschnitt der freigelegten oberen Oberfläche 701 des Wafers 700 zu bedecken, wie in 8H schematisch veranschaulicht. Die Nitridschicht 750 ist annähernd 1200 Ångström dick und passiviert und dichtet das Oxid 710 ab.
Eine weitere, zweite Schicht aus Polysilicium 755 wird beim Schritt 661 hinzugefügt, um das Oxid 710 und die Polynitridzwischenschicht 750 weiter zu schützen. Eine Ausführungsform der zweiten Polysiliciumschicht 755 ist in 81 schematisch veranschaulicht. Die zweite Polysiliciumschicht 755 kann leitfähig sein und kann auch elektrische Durchverbindungen zwischen Merkmalen des Bauelements bereitstellen.
Eine obere Schicht aus Oxid 713, wie in 8J schematisch veranschaulicht, wird beim Schritt 662 hinzugefügt und bedeckt die zweite Polysiliciumschicht 755, jegliche freigelegten Abschnitte der Polynitridzwischenschicht 750 sowie jegliche freigelegten Abschnitte der oberen Oberfläche 701 des Wafers 700 und den Polysiliciumpfropfen 721. Die obere Schicht aus Oxid 713 kann in das Grabenauskleidungsoxid 711 übergehen. Die obere Oxidschicht 713 geht jedoch nicht in die anfängliche Oxidschicht 710 oder die spätere Oxidschicht 712 über, denn diese Schichten werden nun durch eine oder mehrere der Polynitridzwischenschicht 750 und der zweiten Polysiliciumschicht 755 isoliert.
Beim Schritt 662 werden ein oder mehrere Verankerungskanäle 761, 762 und 763 durch die obere Oxidschicht 713 zu einer darunterliegenden Polysiliciumschicht wie Abschnitten der Polysiliciumschichten 745 und 755 hin geätzt, wie in 8K schematisch veranschaulicht. Die Verankerungskanäle 761, 762 und 763 bieten Zugang für körperliche und elektrische Verbindungen zwischen den Abschnitten der Polysiliciumschichten 745 und 755 und MEMS-Strukturen, die unten beschrieben werden.
Als Nächstes wird beim Schritt 663 eine Balkenschicht 770 aus Polysilicium auf der oberen Oxidschicht 713 aufgebracht, wie in 8L schematisch veranschaulicht. Die Balkenschicht 770 kann 8 bis 16 Mikrometer dick sein und bedeckt anfänglich die obere Oxidschicht 713 und füllt die Kanäle 761, 762 und 763 für die Kopplung an die Polysiliciumschichten 745 und 755. Die Balkenschicht wird strukturiert, um MEMS-Strukturen (z. B. 771, 772) und eine Außenwand 775, welche den Graben 705 umbeschreibt, zu bilden.
Um einen Jumper, der durch einen Zwischenraum verläuft, zum Beispiel den Jumper 352 in 3B, zu bilden, wird in einigen Ausführungsformen die Balkenschicht 770 so strukturiert, dass ein Polysiliciumbereich 779 über dem Graben 705 zurückbleibt, wie zum Beispiel in 8P schematisch veranschaulicht. Der Polysiliciumbereich 779 bleibt zurück, nachdem der Polysiliciumpfropfen 721 und das Polysilicium in der Freigabeaussparung 765 und der Abschnitt der oberen Oxidschicht 713 entfernt worden sind, wie unten beschrieben. Der Polysiliciumbereich 779 wird während der anschließenden Schritte zur Ätzung des Polysiliciumpfropfens 721 geschützt und wird nicht weggeätzt. Der aus dem Polysiliciumbereich 779 gebildete Jumper 352 kann zum Beispiel elektrisch an eine MEMS-Struktur (z. B. 771) oder an die Leiterbahn 745 koppeln.
Der Polysiliciumpfropfen 721 wird beim Schritt 664 entfernt, indem alle anderen Abschnitte des Polysiliciums auf der oberen Oxidschicht 713, zum Beispiel mit einem Photoresist, maskiert werden und eine Aussparung 765 in die Oxidschicht 710 geätzt wird, um den Polysiliciumpfropfen 721 freizulegen. Der Polysiliciumpfropfen wird dann weggeätzt, indem zum Beispiel Xenondifluorid aufgetragen wird. Durch die Ätzung wird der Polysiliciumpfropfen 721 entfernt, und der Zwischenraum 781 zwischen der Insel 740 und dem Körper des Wafers 700 bleibt zurück, wie in 8M schematisch veranschaulicht. An dieser Stelle wird die Insel 340 vom Rest des Wafers 700 aufgehängt, ist mit Bezug auf den Rest des Wafers beweglich und kann als MEMS-Plattform beschrieben werden, etwa als die MEMS-Plattform 310 in 3A.
Die MEMS-Strukturen 771, 772 und die Außenwand 775 werden durch diesen Schritt nicht geätzt. Nach dem Schritt 664 wird die Maskierungsschicht beim Schritt 665 entfernt.
Beim Schritt 666 werden das Grabenauskleidungsoxid 711 wie auch die obere Oxidschicht 713 durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und Prozesse entfernt, etwa durch eine HF-Dampfätzung. Durch die Entfernung der oberen Oxidschicht 713 wird die MEMS-Struktur (z. B. 771, 772) freigegeben, sodass diese Strukturen anschließend mit Bezug auf den Wafer 700 beweglich sind.
Beim Schritt 667 wird eine obere Verkappung 790 an den Wafer 700 gebondet, um das Bauelement abzudichten. Die obere Verkappung 790 hat keinen körperlichen Kontakt zur Insel 740, ist jedoch an den Wafer 700 gekoppelt, um den Zwischenraum 781 umzubeschreiben, wie in Verbindung mit der Umfangsregion 360 oben beschrieben.
Die obere Verkappung 790 kann elektrisch leitfähig sein und ist zum Beispiel möglicherweise aus Metall oder Silicium. In einigen Ausführungsformen ist die Verkappung 790 möglicherweise ein Teil eines Kappenwafers, der so ähnliche Abmessungen wie der Wafer 700 hat. Ein solcher Kappenwafer hat möglicherweise viele Kappenteilabschnitte, wobei jeder Kappenteilabschnitt einem Bauelement auf dem zu verkappenden Wafer 700 entspricht. Der Außenumfang 791 der oberen Verkappung 790 kann (z. B. auf der Z-Achse, wie in 8N schematisch veranschaulicht) dünner sein als andere Abschnitte der Verkappung 790, um die Zerteilung zu erleichtern.
In der Ausführungsform von 8N ist die obere Verkappung 790 an die Wand 775 gebondet. Die obere Verkappung 790 lässt sich auf diverse aus dem Stand der Technik bekannte Arten an den Wafer 770 oder die Wand 775 bonden. In 8N ist die obere Verkappung 790 zum Beispiel durch eine eutektische Metallbondung 792, zum Beispiel eine AL-GE-Bindung, an die Wand 775 gebondet.
Schließlich werden der Wafer und seine Verkappungen beim Schritt 668 in einzelne, verkappte MEMS-Bauelemente zerteilt. Ein solches Bauelement 799 ist zum Beispiel in 8O schematisch veranschaulicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist die MEMS-Plattform 310 ohne die Brücken 330, jedoch durch eine oder mehrere Säulen 736 innerhalb des Substrats 311 aufgehängt. Eine solche Ausführungsform lässt sich zum Beispiel durch 8D schematisch veranschaulichen. Eine solche Ausführungsform lässt sich gemäß dem Prozess 650 von 6A fertigen, bei dem jedoch durch die Ätzung des Grabens (z. B. beim Schritt 652) keine Brücken 330 gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Säule 736 möglicherweise eine Gruppierung aus zwei oder mehr Säulen, die in der Nähe der Mitte 737 der MEMS-Plattform 310 angeordnet sind, wie zum Beispiel in 7G und 7H schematisch veranschaulicht. In einer Ausführungsform mit einer Gruppierung von Säulen 736 ist die Distanz 738 zwischen den Säulen möglicherweise gering und macht beispielsweise weniger als fünf Prozent der Länge der kürzesten Kante der MEMS-Plattform 310 aus. In einer solchen Ausführungsform hat die Wärmeausdehnung der MEMS-Plattform 310 oder der Verkappung 730 eine geringere Wirkung auf die Bewegung der Säulen 736 in der Gruppierung, denn die Distanz zwischen ihnen ist relativ gering, und daher ist die Möglichkeit zu einer Ausdehnung (z. B. entlang der X-Achse) entsprechend gering.
Die Erfinder haben entdeckt, dass MEMS-Produkte mit einer gegen Spannungen isolierten MEMS-Plattform, wie oben beschrieben, eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Chipspannung zeigen, wie im Graphen 900 in 9 gezeigt, in welcher die horizontale Achse Prozesstechniken beschreibt und die vertikale Achse logarithmisch ist und welche die Chipspannung in MPa in einem Temperaturbereich von 165 Grad Celsius zeigt.
Die Punkte auf der oberen Kurve 910 geben die Chipspannung in einem MEMS-Produkt an, das in einem umspritzten Gehäuse eingekapselt ist. Der Punkt 911 zeigt eine Chipspannung von fast 100 MPa für ein MEMS-Bauelement in einem umspritzten Gehäuse. Der Punkt 912 zeigt eine Chipspannung von etwas weniger als 100 MPa für ein ähnliches MEMS-Bauelement mit einem 100 Mikrometer tiefen Entspannungsgraben, wobei ein Graben - im Gegensatz zu einem Entspannungszwischenraum 340, der hierin beschrieben wird - sich nicht ganz durch das Substrat erstreckt. Der Punkt 913 zeigt eine Chipspannung von etwas mehr als 1 MPa für ein MEMS-Produkt mit einem Entspannungszwischenraum 340, wie zum Beispiel oben beschrieben. Wie gezeigt, bietet der Entspannungszwischenraum eine im Wesentlichen größere Verringerung der Chipspannung als die Techniken des Stands der Technik.
Die Punkte auf der unteren Kurve 920 geben die Chipspannung in einem MEMS-Produkt in einem Gehäuse mit Kavität an. Der Punkt 921 zeigt eine Chipspannung von etwas mehr als 1 MPa für ein MEMS-Bauelement in einem Gehäuse mit Kavität. Der Punkt 922 zeigt eine Chipspannung von etwas weniger als 1 für ein ähnliches MEMS-Bauelement mit einem 100 Mikrometer tiefen Entspannungsgraben, wobei ein Graben - im Gegensatz zu einem Entspannungszwischenraum 340, der hierin beschrieben wird - sich nicht ganz durch das Substrat erstreckt. Der Punkt 923 zeigt eine Chipspannung von ungefähr 0,01 MPa für ein MEMS-Produkt mit einem Entspannungszwischenraum 340, wie zum Beispiel oben beschrieben. Wie gezeigt, bietet der Entspannungszwischenraum eine im Wesentlichen größere Verringerung der Chipspannung als die Techniken des Stands der Technik.
Folgende beispielhafte Gegenstände sind offenbart:

P1. MEMS-Bauelement, umfassend:
- eine Substratschicht, die ein Substrat umfasst;
- eine MEMS-Plattform innerhalb der Substratschicht, die einen Entspannungszwischenraum zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat definiert;
- eine MEMS-Struktur, die durch mindestens ein Verformungselement von der MEMS-Plattform beweglich aufgehängt ist, wobei das mindestens eine Verformungselement eine Verformungselementresonanzfrequenz aufweist;
- eine Vielzahl von Brücken, die zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform angeordnet sind und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verlaufen, wobei jede der Vielzahl von Brücken eine Brückenresonanzfrequenz aufweist, wobei das Verhältnis der Verformungselementresonanzfrequenz zur Brückenresonanzfrequenz mindestens 25:1 beträgt, sodass die Brücken derart ausgebildet sind, dass sie die MEMS-Plattform vom Substrat starr aufhängen; und
- mindestens einen biegsamen, elektrisch leitfähigen Jumper, der elektrisch an die MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform gekoppelt ist und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verläuft, wobei der biegsame, elektrisch leitfähige Jumper derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet.
P10. MEMS-Bauelement, umfassend:
- eine Substratschicht, die eine Substratschichtebene definiert und ein Substrat und eine MEMS-Plattform innerhalb der Substratschicht umfasst, wobei die MEMS-Plattform einen Entspannungszwischenraum innerhalb der Substratschicht zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat definiert;
- eine MEMS-Schicht, die eine MEMS-Schichtebene definiert, die zur Substratschichtebene parallel, jedoch zur ihr versetzt ist, wobei die MEMS-Schicht eine MEMS-Struktur umfasst, die durch mindestens ein Verformungselement von der MEMS-Plattform beweglich aufgehängt ist, wobei das mindestens eine Verformungselement in der MEMS-Schichtebene liegt, wobei das mindestens eine Verformungselement eine Verformungselementresonanzfrequenz aufweist;
- eine Vielzahl von Brücken innerhalb der Substratschichtebene, die zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform angeordnet sind und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verlaufen, wobei jede der Vielzahl von Brücken eine Brückenresonanzfrequenz aufweist, wobei das Verhältnis der Verformungselementresonanzfrequenz zur Brückenresonanzfrequenz mindestens 25:1 beträgt, sodass die Brücken derart ausgebildet sind, dass sie die MEMS-Plattform vom Substrat starr aufhängen; und
- mindestens einen biegsamen, elektrisch leitfähigen Jumper, der elektrisch an die MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform gekoppelt ist und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verläuft, wobei der biegsame, elektrisch leitfähige Jumper derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet.
P30. MEMS-Bauelement, umfassend:
- eine Substratschicht, die ein Substrat umfasst;
- eine MEMS-Plattform innerhalb der Substratschicht, die einen Entspannungszwischenraum zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat definiert;
- eine MEMS-Struktur, die durch mindestens ein Verformungselement von der MEMS-Plattform beweglich aufgehängt ist;
- mindestens einen biegsamen, elektrisch leitfähigen Jumper, der elektrisch an die MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform gekoppelt ist und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat und der MEMS-Plattform verläuft, wobei der biegsame, elektrisch leitfähige Jumper derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet;
- eine untere Verkappung, die an das Substrat gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Basis definiert;
- eine obere Verkappung, die an das Substrat gekoppelt ist, sodass die MEMS-Basis zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Basis definiert; und
- mindestens eine Säule, die durch einen unteren Entspannungszwischenraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform verläuft.

Claims

Vorrichtung (100), die eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und Gräben enthält, um die MEMS-Struktur zu entspannen, umfassend: eine MEMS-Struktur (302) auf einem Substrat (311), wobei das Substrat (311) mindestens einen Graben enthält, der durch das Substrat (311) läuft, um die MEMS-Struktur (302) zu entspannen; und mindestens einen biegsamen elektrischen Leiter, der elektrisch an die MEMS-Struktur (302) gekoppelt ist und durch den mindestens einen Graben im Substrat (311) verläuft, wobei der biegsame elektrische Leiter derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den mindestens einen Graben leitet, und derart ausgebildet ist, dass er sich biegt, falls eine Bewegung auf einer der Seiten des mindestens einen Grabens erfolgt, wobei der mindestens eine Graben eine MEMS-Plattform (310) innerhalb des Substrats (311) definiert, wobei die MEMS-Struktur (302) auf der MEMS-Plattform (310) ist, wobei die Vorrichtung ferner mindestens eine Brücke (330) umfasst, welche aus dem Material des Substrates (311) gefertigt ist und welche das Substrat (311) und die MEMS-Plattform (310) körperlich koppelt, wobei die Brücke (330) ein erstes Segment umfasst, das sich von dem Substrat (311) her in der Richtung der MEMS-Plattform (310) erstreckt, und ein zweites Segment, das sich von dem ersten Segment her erstreckt, wobei das zweite Segment im Wesentlichen inkompressibel ist und in einem Winkel zu dem ersten Segment angeordnet ist, und der Winkel so konfiguriert ist, dass er sich unter mechanischer Spannung ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, das ferner eine an das Substrat (311) gekoppelte obere Verkappung umfasst, die eine Abdichtung herstellt und die MEMS-Struktur (302) umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Brücke (330) eine Vielzahl von Brücken umfasst, die zwischen dem Substrat (311) und der MEMS-Plattform (310) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei mindestens eine der Vielzahl von Brücken (330) eine Z-förmige Brücke, eine L-förmige Brücke oder eine U-förmige Brücke ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Graben eine MEMS-Plattform (310) innerhalb des Substrats (311) definiert, wobei die MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform (310) ist, wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfasst: eine untere Verkappung, die an das Substrat (311) gekoppelt ist; und mindestens eine Säule, die die untere Verkappung körperlich an die MEMS-Plattform (310) koppelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter einen Jumper (352) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter einen elektrischen Leiter auf mindestens einer Brücke (330) umfasst, wobei der elektrische Leiter elektrisch an die MEMS-Struktur gekoppelt ist.
MEMS-Bauelement (301), umfassend: ein Substrat (311); eine MEMS-Plattform (310), die innerhalb des Substrats (311) aufgehängt ist und einen Entspannungszwischenraum (340) definiert, der die MEMS-Plattform (310) in jeder Richtung abgrenzt; eine MEMS-Struktur (302) auf der MEMS-Plattform (310); ein Aufhängungsmittel zum starren Aufhängen der MEMS-Plattform (310) innerhalb des Substrats (311); und ein elektrisches Leitermittel, das durch den Entspannungszwischenraum (340) verläuft und derart ausgebildet ist, dass es ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum (340) leitet, wobei das Aufhängungsmittel eine Vielzahl von Brücken (330) umfasst, wobei jede der Vielzahl von Brücken (330) aus dem Material des Substrates (311) gefertigt ist, wobei jede Brücke (330) der Vielzahl von Brücken (330) ein erstes Segment umfasst, das sich von dem Substrat (311) in Richtung der MEMS-Plattform (310) erstreckt, und ein zweites Segment, das sich von dem ersten Segment erstreckt, wobei das zweite Segment im Wesentlichen inkompressibel ist und in einem Winkel zu dem ersten Segment angeordnet ist, und der Winkel so konfiguriert ist, dass er sich unter mechanischer Spannung ändert.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 8, wobei: das Substrat (311) ferner eine Umfangsregion (360) umfasst, die den Entspannungszwischenraum (340) abgrenzt; eine untere Verkappung, die an die Umfangsregion (360) gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform (310) definiert; und eine obere Verkappung, die an das Substrat (311) gekoppelt ist, sodass die MEMS-Plattform (310) zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Plattform (310) definiert.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 9, wobei das Aufhängungsmittel mindestens einen Untersatz umfasst, der sich zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform erstreckt.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei: jede der Vielzahl von Brücken (330) Folgendes umfasst: ein drittes Segment, das sich vom zweiten Segment her erstreckt, in einem Winkel zum zweiten Segment angeordnet und an die MEMS-Plattform (310) gekoppelt ist.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens eine der Vielzahl von Brücken (330) eine Z-förmige Brücke, eine L-förmige Brücke oder eine U-förmige Brücke ist.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das elektrische Leitermittel mindestens einen leitfähigen Jumper (352) umfasst, der durch den Entspannungszwischenraum (340) verläuft, wobei der mindestens eine leitfähige Jumper (352) elektrisch an die MEMS-Struktur gekoppelt ist.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Aufhängungsmittel und das elektrische Leitermittel einen elektrischen Leiter auf mindestens einer Brücke (330) umfassen, wobei der elektrische Leiter elektrisch an die MEMS-Struktur gekoppelt ist.
MEMS-Bauelement, umfassend: ein Substrat (311); eine MEMS-Plattform (310) innerhalb des Substrats (311), die einen Entspannungszwischenraum zwischen der MEMS-Plattform und dem Substrat ohne eine aus dem Material des Substrates (311) gefertigte Brücke definiert; eine MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform; und mindestens einen biegsamen elektrischen Leiter, der elektrisch an eine MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform (310) gekoppelt ist und durch den Entspannungszwischenraum zwischen dem Substrat (311) und der MEMS-Plattform verläuft, wobei der biegsame elektrische Leiter derart ausgebildet ist, dass er ein elektrisches Signal durch den Entspannungszwischenraum leitet; und eine untere Verkappung, die an das Substrat (311) gekoppelt ist und einen unteren Hohlraum zwischen der unteren Verkappung und der MEMS-Plattform (310) definiert; und mindestens eine Säule, die körperlich an die untere Verkappung und die MEMS-Plattform (310) gekoppelt und derart ausgebildet ist, dass sie die MEMS-Plattform (310) trägt, ohne dass Brücken durch den Entspannungszwischenraum verlaufen, wobei der Entspannungszwischenraum die MEMS-Plattform (310) umgibt.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 15, ferner umfassend: eine obere Verkappung, die an das Substrat (311) gekoppelt ist, sodass die MEMS-Plattform (310) zwischen der oberen Verkappung und der unteren Verkappung angeordnet ist, und einen oberen Hohlraum zwischen der oberen Verkappung und der MEMS-Plattform (310) definiert.
Verfahren zum Fertigen eines MEMS-Bauelements (301), umfassend: Bereitstellen eines Substrats (311); Fertigen eines Entspannungszwischenraums (340) durch das Substrat (311), der eine MEMS-Plattform (310) definiert, wobei der Zwischenraum die MEMS-Plattform (310) in jeder Richtung abgrenzt; und Fertigen einer MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform (310), wobei das Bereitstellen eines Substrates (311) Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrates (311) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; und wobei das Fertigen eines Entspannungszwischenraums (340) und das Fertigen einer MEMS-Struktur Folgendes umfassen: Ätzen eines Grabens, der sich in die erste Seite des Substrats (311) erstreckt und sich teilweise durch das Substrat (311) erstreckt, wobei der Graben eine MEMS-Plattform (310) abgrenzt; Füllen des Grabens mit Grabenopfermaterial; Fertigen der MEMS-Struktur auf der MEMS-Plattform (310); Schleifen der zweiten Seite des Substrats (311), um das Grabenopfermaterial freizulegen; und Entfernen des Grabenopfermaterials.
Verfahren zum Fertigen eines MEMS-Bauelements nach Anspruch 17, wobei die MEMS-Struktur vor der Fertigung des Entspannungszwischenraums (340) gefertigt wird.
Verfahren zum Fertigen eines MEMS-Bauelements nach Anspruch 17, wobei die MEMS-Struktur nach der Fertigung des Entspannungszwischenraums (340) gefertigt wird.