DE102015216799A1 - Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements, aufweisend die Schritte: a) Ausbilden wenigstens eines feststehenden Massenelements und wenigstens eines beweglichen Massenelements im MEMS-Element; und b) Anordnen wenigstens eines Fixierelements am feststehenden Massenelement und am beweglichen Massenelement, wobei das Fixierelement teilbar ausgebildet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein MEMS-Element.
  • Stand der Technik
  • Heutzutage verwendete Mikrosensoren bzw. Mikrosysteme, insbesondere im Consumerbereich, werden immer komplexer, wodurch immer mehr Funktionalitäten bei gleichzeitig kleiner werdenden Bauteilabmessungen in ein Bauteil integriert werden müssen. Beispielhaft seien hier Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren bzw. Gyroskope und sogenannte Inertial Measurement Units, d.h. Kombinationen aus jeweils einem Beschleunigungssensor und jeweils einem Drehratensensor genannt. Aktuelle Sensorabmessungen liegen in einer Größenordnung von ca. 2 × 2 mm2 und einer Bauteilhöhe von ca. < 1 mm. Die dadurch immer größer werdende Integrationsdichte führt insbesondere bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zu immer kleineren Strukturen bzw. Abmessungen. Als kritische Komponente der MEMS wird unter anderem der Sensorkern, d.h. derjenige Sensorteil, der zur eigentlichen Detektion von z.B. Beschleunigungen und/oder Drehraten vorgesehen ist, gesehen.
  • Insbesondere können die im Sensorkern vorherrschenden geringen Spaltabstände (engl. gaps) im unteren Mikrometerbereich zwischen beweglichen und feststehenden Strukturen zu großen technologischen Schwierigkeiten führen. So können unter anderem an die eigentliche MEMS-Fertigung anschließende Fertigungsprozesse (z.B. Handling- und Verpackungsprozesse, engl. packaging processes) ein Grund von erhöhten Bauteilausfällen (teilweise im 100 ppm-Bereich) sein. Ursache hierfür können beispielsweise eine Entkopplung von mechanischen Schwingungen bzw. Bewegungen sein, welche die Masse ab einer bestimmten Frequenz unkontrolliert bewegen lassen. Durch diese Bewegungen können die beweglichen Massen, teilweise mit sehr großem mechanischem Impuls, an die feststehenden Elektroden anschlagen. Durch diese Stoßprozesse können sowohl die beweglichen Massen als auch die feststehenden Elektroden beschädigt oder im Extremfall sogar zerstört werden. Zusätzlich können durch die genannten Stoßprozesse Partikel gebildet werden, die eine Funktionsfähigkeit der Bauteile weiter einschränken können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum herstellen eines MEMS-Elements, aufweisend die Schritte:
    • a) Ausbilden wenigstens eines feststehenden Massenelements und wenigstens eines beweglichen Massenelements im MEMS-Element; und
    • b) Anordnen wenigstens eines Fixierelements am feststehenden Massenelement und am beweglichen Massenelement, wobei das Fixierelement teilbar ausgebildet wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem MEMS-Element, aufweisend:
    • – wenigstens ein feststehendes Massenelement;
    • – wenigstens ein bewegliches Massenelement; und
    • – wenigstens ein am feststehenden Massenelement und am beweglichen Massenelement angeordnetes Fixierelement, wobei das Fixierelement teilbar ausgebildet ist.
  • Die Massenelemente werden mittels des Fixierelements gegeneinander mechanisch fixiert, wodurch das bewegliche Massenelement vorteilhaft nicht mehr am feststehenden Massenelement anschlagen kann. Beispielsweise im Zuge eines nachfolgenden Abgleichprozesses für das Sensorelement kann das Fixierelement auf einfache Weise wieder entfernt werden, wobei zum Lösen des Fixierelements auch separate Schritte vorgesehen sein können. Im Ergebnis wird auf diese Weise eine kostengünstige integrierte Bauteilsicherung bereitgestellt, die bereits im Prozessfluss vorhanden ist, da zu seiner Herstellung keine zusätzlichen Masken bzw. Materialien erforderlich sind.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und des MEMS-Elements sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Fixierelement aus einem Bondmaterial ausgebildet wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft bereits im Prozess vorhandenes Material zur Herstellung des MEMS-Elements verwendet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass am beweglichen Massenelement wenigstens zwei Fixierelemente spiegelsymmetrisch angeordnet werden. Auf diese Weise kann die Gesamtfestigkeit des MEMS-Elements während Verpackungsprozessen vorteilhaft gesteigert sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Bondmaterial auf ein Substrat des MEMS-Elements abgeschieden wird, wobei das Substratmaterial unterhalb des Bondmaterials entfernt wird. Auf diese Weise wird das Fixierelement zunächst nicht freistehend ausgebildet. Mittels angepasster Ätzprozesse wird das Fixierelement anschließend zwischen dem feststehenden Massenelement und dem beweglichen Massenelement freigestellt. Dadurch kann ein besonders ressourcenschonendes Verfahren bereitgestellt werden, da lediglich Ätzparameter geeignet angepasst werden müssen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine Opferschicht auf ein Substrat des MEMS-Elements abgeschieden wird, wobei das Bondmaterial auf das Substrat des MEMS-Elements abgeschieden wird und wobei das Substrat unterhalb des Bondmaterials entfernt wird. Auf diese Weise wird ein alternatives Verfahren zum Herstellen des Fixierelements bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Fixierelement mit wenigstens einem zentralen balkenförmigen und/oder mäanderförmigen und/oder keilförmigen Abschnitt ausgebildet wird. Auf diese Weise werden unterschiedliche Auflösungsstrategien für das Fixierelement ermöglicht, beispielweise mittels eines elektrischen Stromflusses. Eine Schmelztemperatur zur Teilung bzw. Auftrennung des Fixierelements im Zentralbereich kann auf diese Weise leicht realisiert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente weisen gleiche Bezugszeichen auf. Die Figuren sind vor allem zum prinzipiellen Verständnis gedacht und nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt.
  • In den Figuren zeigt:
  • 1 eine Querschnittansicht durch ein mikromechanisches Sensorelement gemäß Stand der Technik;
  • 2 eine Querschnittansicht durch ein mikromechanisches Sensorelement mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen MEMS-Elements;
  • 3 eine Draufsicht auf einen Teilbereich der Anordnung von 2;
  • 4 bis 6 prinzipielle Wirkungen von Prozessschritten zum Herstellen eines Fixierelements;
  • 7 und 8 prinzipielle Wirkungen von Prozessschritten zum Herstellen einer weiteren Variante des Fixierelements;
  • 9 bis 11 mehrere mögliche geometrische Formen von Fixierelementen;
  • 12 bis 14 prinzipielle Darstellungen von Prozessschritten zur Teilung bzw. Auftrennung des Fixierelements; und
  • 15 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Mit der Erfindung sollen bewegliche Massen eines MEMS-Elements temporär, beispielsweise während der genannten Handling- und Packagingprozesse, mechanisch fixiert werden. Beispiele für derartige Prozesse sind: Bauteiltransport, Drahtbonden, Moldprozesse und/oder Sägeprozesse, usw. Die genannten Prozesse können in beträchtlichem Ausmaß mechanische Schwingungen in das Bauteil induzieren und können auf diese Weise die beweglichen Massen mechanisch anregen, was zu unkontrollierten Bewegungen und in weiterer Folge zu Bauteilschädigungen führen kann. Dabei kann es auch vorkommen, dass im Zuge eines Verarbeitungsprozesses, bei dem die MEMS-Struktur mit einer Auswerteeinheit zusammenmontiert wird, sich Partikel lösen und sich zwischen einer beweglichen Elektrode und einer feststehenden Elektrode platzieren, was Fehlfunktionen der MEMS Struktur zur Folge haben kann.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können sich die beweglichen Masse nicht unkontrolliert bewegen und Stoßprozesse sind somit nicht mehr bzw. nur mehr sehr eingeschränkt möglich. Im Ergebnis können dadurch Beschädigungen und/oder Ausfallraten von mikromechanischen Sensoren deutlich minimiert werden.
  • 1 zeigt eine prinzipielle Querschnittansicht eines herkömmlichen mikromechanischen Sensorelements 100, vorzugsweise eines Inertialsensors während eines der genannten Prozesse. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zum Zwecke einer hermetischen Kapselung von empfindlichen Strukturen wird das MEMS-Element 10 mittels Abscheideprozessen auf ein Substrat 20 abgeschieden und mit einem Kappenwafer 30 mittels eines Bondrahmens 14 zusammengebondet. Ein dazu benutztes gängiges Bondverfahren ist eutektisches Bonden von zum Beispiel Aluminium mit Germanium. Ein Sensorkern 11 des MEMS-Elements 10 ist zur Verdeutlichung symbolisch umrandet.
  • In 1 auf das Sensorelement 100 einwirkende Kräfte F sind durch sich kreuzende Pfeile angedeutet, wodurch es zu ruckartigen Bewegungen des beweglichen Massenelements 13 kommen kann, welches gegen ein feststehendes Massenelement 12 anschlägt. Dadurch können sich Partikel 16 lösen, die sich in Spalte des beweglichen Massenelements 13 verhaken können und dadurch eine Sensiercharakteristik des Sensorelements 100 nachhaltig beeinträchtigen bzw. schädigen können.
  • Vorgeschlagen wird ein temporär angeordnetes Sicherungs- bzw. Fixierelement 15, welches die Massenelemente 12, 13 miteinander verbindet, wie in 2 angedeutet. Das Fixierelement 15 kann dabei in einem typischen Prozessfluss zur Fertigung mikromechanische Bauteile vollständig integriert werden. Es müssen zu diesem Zweck lediglich Maskenlayouts entsprechend angepasst werden. Die Sicherung wird typischerweise als eine Art Steg bzw. Brücke zwischen dem feststehenden Massenelement 12 und dem beweglichen Massenelement 13 ausgebildet.
  • Als Material für das Fixierelement 15 kann vorzugsweise das Material (z.B. Aluminium, Kupfer, Germanium, usw.) verwendet werden, welches auch für den Bondrahmen 14 des Sensorelements 100 verwendet wird. Vorteilhaft kann somit das bereits vorhandene Maskenlayout verwendet werden und es sind keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich. Dadurch wird das Fertigungsverfahren der mikromechanischen Bauteile nicht verändert und es kann die Sicherung somit vollständig in verwendete Prozessflüsse von MEMS integriert werden. In einer Abwandlung des Verfahrens können auch Materialien verwendet werden, die nicht direkt im typischen Prozessfluss der MEMS vorhanden sind, wie z.B. Siliziumnitrid, Chrom und/oder Titan.
  • 3 zeigt einen mit drei Pfeilen in 2 angedeuteten Bereich in Draufsicht, wobei ein Ausschnitt des beweglichen Massenelements 13 und des festen Massenelements 12 dargestellt ist. Vorzugsweise wird wenigstens ein Fixierelement 15 an wenigstens einer Stelle zwischen beweglichem und feststehendem Massenelement bzw. Elektrode aufgebaut. Zu einer noch besseren Fixierungswirkung kann vorgesehen sein, mehrere Fixierelemente 15 am beweglichen Massenelement 13 spiegelsymmetrisch anzuordnen (nicht dargestellt). Eine Anzahl der Fixierelemente 15 liegt vorzugsweise in einer Größenordnung von ca. 1 bis ca. 20, noch mehr bevorzugt in einer Größenordnung von ca. 2 bis ca. 10. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind vergrabene elektrische Leiterbahnen in den 2 und 3 nicht dargestellt. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass die beweglichen Massenelemente 13 durch eine temporäre Verbindung mechanisch fixiert werden. Somit befinden sich die beweglichen Masse in einer temporär definierten Position und unkontrollierte Bewegungen sind somit ausgeschlossen bzw. nur sehr eingeschränkt möglich.
  • Dadurch können Stoß- bzw. Anschlagsprozesse der Komponenten innerhalb des Bauteils weitgehend vermieden werden, wodurch Schädigungen bzw. Partikelbildungen stark eingeschränkt werden bzw. vorzugsweise nicht mehr auftreten.
  • Die 4 bis 6 zeigen Ergebnisse von Prozessschritten zur Erzeugung eines Fixierelements 15. 4 zeigt ein auf ein Substratmaterial des MEMS-Elements 10 abgeschiedenes Fixierelement 15. 5 zeigt ein Ergebnis eines im Wesentlichen senkrechen Ätzprozess auf das Fixierelement 15, wobei unterhalb des Fixierelements 15 Substratmaterial bestehen bleibt. Es ist deshalb erforderlich, wie in 6 angedeutet, zusätzlich einen seitlich wirkenden Ätzprozess bereitzustellen, um das Substratmaterial unterhalb des Fixierelements 15 vollständig zu entfernen, so dass die Massenelemente 12, 13 voneinander separiert sind und durch das Fixierelement 15 mechanisch fixiert sind („Herstellung ohne Opferschicht“).
  • 7 und 8 zeigt Ergebnisse von Prozessschritte eines prozesstechnisch etwas aufwändigeren, alternativen Verfahrens zum Ausbilden des Fixierelements 15 („Herstellung mit Opferschicht“). In diesem Fall wird, wie in 7 angedeutet, das Fixierelement 15 zunächst auf eine Opferschicht 40 auf dem Substratmaterial des MEMS-Elements 10 abgeschieden. Dieser Schritt wird insofern notwendig, als aufgrund von Anisotropie des Si-Ätzprozesses (Trenchen) der Bereich unterhalb der Opferschicht 40 nicht vollständig entfernt werden kann, d.h. wenn die durch den Prozess bedingten Unterätzungen nicht ausreichend sind. Als Materialien für die Opferschicht 40 können Oxide oder Photoresiste eingesetzt werden.
  • Die 9 bis 11 zeigen verschiedene geometrische Ausgestaltungen des Fixierelements 15. In 9 ist eine balkenförmige Ausbildung des Fixierelements 15 dargestellt. In 10 ist eine zentrale mäanderförmige Ausgestaltung des Fixierelements 15 dargestellt. 11 zeigt ein Fixierelement 15 mit zwei zentralen keilförmigen Abschnitten, die an ihren Spitzenbereichen miteinander integral ausgebildet sind. Die gezeigten unterschiedlichen Ausgestaltungen können einen Einfluss auf einen Entfernungs- bzw. Löseprozess des Fixierelements 15 haben.
  • Die genannte Entfernung des Fixierelements 15 wird vorzugsweise mittels eines elektrischen Stromflusses mit dadurch erzeugter thermischer Energie bewerkstelligt. Dabei kann ein elektrischer Strom im Zuge eines Abgleichprozesses des Sensorelements 100 verwendet werden, wobei eine hohe elektrische Stromdichte im zentralen Bereich des Fixierelements 15 erzeugt wird. Aufgrund der Tatsache, dass das Fixierelement 15 im Zentralbereich vollständig mit Vakuum bzw. Luft umgeben ist, ist dort eine Abfuhr von thermischer Energie erschwert, wobei das Fixierelement 15 auf diese Weise im Zentralbereich durchtrennt wird bzw. im Wesentlichen abschmilzt.
  • Der genannte Prozess des Entfernens bzw. Auftrennens des Fixierelements 15 ist in den 12 bis 14 angedeutet. Erkennbar sind zwei Einspeisepunkte, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, wodurch ein elektrischer Stromfluss durch das Fixierelement 15 generiert wird. 13 deutet an, dass bei Unterschreiten einer definierten Schmelztemperatur TS (z.B. ca. 660° C bei Aluminium) das Fixierelement 15 unverändert bleibt. 14 deutet an, dass bei Überschreiten der definierten Schmelztemperatur TS das Fixierelement 15 aufgrund von Joule´scher Wärme durchschmilzt und auf diese Weise aufgetrennt wird, so dass nunmehr die beiden Massenelemente 12, 13 voneinander separiert sind und sich das bewegliche Massenelement 13 in Relation zum feststehenden Massenelement 12 frei bewegen kann, womit das ursprüngliche Funktionsprinzip des Sensorelements 100 bereitgestellt wird.
  • Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass der freitragende Teil des Fixierelements 15 von Luft bzw. Vakuum ganzheitlich umgeben wird und somit Wärmeleitungseffekte vernachlässigt werden können. Auf diese Weise ist die Temperaturerhöhung im freitragenden Teil des Fixierelements 15 effektiv am höchsten ausgebildet.
  • Vorteilhaft kann das Fixierelement 15 in einem vergleichsweise einfachen und kurzen (im Bereich von ms) Prozessschritt entfernt werden, wodurch eine Funktionsfähigkeit der Bauteile nach Lösen der Sicherung nicht beeinträchtigt wird. Beispielhaft kann das Fixierelement 15 bereits während des Testens des Sensors durch einen gezielten Stromfluss entfernt werden.
  • Vorteilhaft kann das genannte Auftrennen bzw. Teilen des Fixierelements 15 während eines Sensorabgleichs durchgeführt werden, wodurch keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich sind. In weiteren Alternativen kann der Impuls zum Auftrennen beispielsweise auch mittels Laserstrahlung, Ultraschallenergie, Funkenentladung bzw. elektrischem Kurzschluss, ganzheitlicher Temperaturerhöhung und/oder Kombinationen aus den genannten Prozessen erzeugt werden.
  • Vorteilhaft ist die Schichtdicke des Fixierelements 15 gering ausgebildet, wobei Schichtdicken im Bereich von ca. < 5 µm vorteilhaft sind. Laterale Abmessungen der Fixierelemente 15 betragen zwischen ca. 1 µm und ca. 50 µm. Durch die genannten geringen geometrischen Abmessungen wird beim Lösen der Fixierelemente 15 Material mit sehr geringem Volumen aufgeschmolzen, welches sich nach dem Lösen in Form einer intermetallischen Phase im Sensorkern bzw. an den beweglichen bzw. feststehenden Massenelementen 12, 13 anordnet. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Partikelbildung durch eventuell abgelöstes Fixiermaterial minimiert werden.
  • Vorteilhaft lässt sich das derart hergestellte MEMS-Element 10 mit dem Fixierelement 15 bei sämtlichen Inertialsensoren einsetzen, beispielsweise bei Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskopen und Inertial Measurement Units.
  • Eine derartige integrierte und temporäre Sicherungs- bzw. Fixierungsvariante kann zu deutlich zuverlässigeren Bauteilen mit signifikant höherer Ausbeute führen.
  • 15 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Schritt 200 werden wenigstens ein feststehendes Massenelement 12 und wenigstens ein bewegliches Massenelement 13 im MEMS-Element 10 ausgebildet. In einem Schritt 210 wird wenigstens ein Fixierelement 15 am feststehenden Massenelement 13 und am beweglichen Massenelement 12 angeordnet, wobei das Fixierelement 15 teilbar ausgebildet wird.
  • Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements bereitgestellt, welches einen ressourcenschonenden mechanischen Sicherungsmechanismus ohne zusätzliche Prozessschritte ermöglicht.
  • Obwohl die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen offenbart worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit vorgehend nicht oder nur teilweise beschriebene Ausführungsformen realisieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Elements (10), aufweisend die Schritte: a) Ausbilden wenigstens eines feststehenden Massenelements (12) und wenigstens eines beweglichen Massenelements (13) im MEMS-Element (10); und b) Anordnen wenigstens eines Fixierelements (15) am feststehenden Massenelement (13) und am beweglichen Massenelement (12), wobei das Fixierelement (15) teilbar ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fixierelement (15) aus einem Bondmaterial ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei am beweglichen Massenelement (13) wenigstens zwei Fixierelemente (15) spiegelsymmetrisch angeordnet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Bondmaterial auf ein Substrat des MEMS-Elements (10) abgeschieden wird, wobei das Substrat unterhalb des Bondmaterials entfernt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Opferschicht (40) auf ein Substrat des MEMS-Elements (10) abgeschieden wird, wobei das Bondmaterial auf das Substrat des MEMS-Elements (10) abgeschieden wird und wobei das Substrat unterhalb des Bondmaterials entfernt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fixierelement (15) mit wenigstens einem zentralen balkenförmigen und/oder mäanderförmigen und/oder keilförmigen Abschnitt ausgebildet wird.
  7. Verwendung eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten MEMS-Elements (10) in einem Inertialsensor.
  8. MEMS-Element (10), aufweisend: – wenigstens ein feststehendes Massenelement (12); – wenigstens ein bewegliches Massenelement (13); und – wenigstens ein am feststehenden Massenelement (12) und am beweglichen Massenelement (13) angeordnetes Fixierelement (15), wobei das Fixierelement (15) teilbar ausgebildet ist.
  9. MEMS-Element (10) nach Anspruch 8, wobei das Fixierelement (15) aus einem Bondmaterial ausgebildet ist.
  10. MEMS-Element (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Fixierelement (15) wenigstens einen zentralen balkenförmigen und/oder mäanderförmigen und/oder keilförmigen Abschnitt aufweist.
  11. MEMS-Element (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Fixierelement (15) mittels eines elektrischen Stromflusses durch das Fixierelement (15) teilbar ist.
  12. Inertialsensor aufweisend ein MEMS-Element (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11.
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