DE102015220890A1

DE102015220890A1 - Strukturen und Prozess zur Vermeidung eines Überstandes der Laser-reseal-Struktur über die Waferoberfläche

Info

Publication number: DE102015220890A1
Application number: DE102015220890.7A
Authority: DE
Inventors: Julia Amthor; Jochen Reinmuth; Frank Reichenbach; Jens Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US10000375B2; TWI690479B; US20170113920A1; CN107032293A; TW201726538A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe vorgeschlagen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist,, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt eine die erste Kaverne mit einer Umgebung des mikromechanischen Bauelements verbindende Zugangsöffnung in dem Substrat oder in der Kappe ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie bzw. Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen wird, wobei – in einem vierten Verfahrensschritt eine Ausnehmung in einer der ersten Kaverne abgewandten Oberfläche des Substrats oder der Kappe im Bereich der Zugangsöffnung zur Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 2015/120939 A1 bekannt. Ist ein bestimmter Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gewünscht oder soll ein Gasgemisch mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung in der Kaverne eingeschlossen sein, so wird der Innendruck oder die chemische Zusammensetzung häufig beim Verkappen des mikromechanischen Bauelements bzw. beim Bondvorgang zwischen einem Substratwafer und einem Kappenwafer eingestellt. Beim Verkappen wird beispielsweise eine Kappe mit einem Substrat verbunden wodurch die Kappe und das Substrat gemeinsam die Kaverne umschließen. Durch Einstellen der Atmosphäre bzw. des Drucks und/oder der chemischen Zusammensetzung des beim Verkappen in der Umgebung vorliegenden Gasgemischs, kann somit der bestimmte Innendruck und/oder die bestimmte chemische Zusammensetzung in der Kaverne eingestellt werden.
Mit dem aus der WO 2015/120939 A1 bekannten Verfahren kann gezielt ein Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements eingestellt werden. Mit diesem Verfahren ist es insbesondere möglich ein mikromechanisches Bauelement mit einer ersten Kaverne herzustellen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann, der bzw. die sich von einem zweiten Druck und einer zweiten chemischen Zusammensetzung zum Zeitpunkt des Verkappens unterscheiden.
Bei dem Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gemäß der WO 2015/120939 A1 wird in der Kappe bzw. in dem Kappenwafer oder in dem Substrat bzw. in dem Sensorwafer ein schmaler Zugangskanal zu der Kaverne erzeugt. Anschließend wird die Kaverne mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Schließlich wird der Bereich um den Zugangskanal lokal mithilfe eines Lasers erhitzt, das Substratmaterial verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robusten sowie eine lange Lebensdauer aufweisenden mikromechanischen Bauelements auf gegenüber dem Stand der Technik einfache und kostengünstige Weise bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik kompaktes, mechanisch robustes und eine lange Lebensdauer aufweisendes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen. Erfindungsgemäß gilt dies insbesondere für ein mikromechanisches Bauelement mit einer (ersten) Kaverne. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement ist es ferner auch möglich ein mikromechanisches Bauelement zu realisieren bei dem in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck und eine zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann. Beispielsweise ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, für die es vorteilhaft ist, wenn in einer ersten Kaverne ein erster Druck und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck eingeschlossen ist, wobei sich der erste Druck von dem zweiten Druck unterscheiden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn in einem mikromechanischen Bauelement eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung in einem mikromechanischen Bauelement integriert werden sollen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

– in einem vierten Verfahrensschritt eine Ausnehmung in einer der ersten Kaverne abgewandten Oberfläche des Substrats oder der Kappe im Bereich der Zugangsöffnung zur Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird.

Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements bereitgestellt, mit dem der erstarrte Materialbereich relativ zu der Oberfläche in das Substrat oder in die Kappe hinein versenkt herstellbar ist. Gegenüber einem Verfahren ohne Ausbildung der Ausnehmung hat das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise den Vorteil, dass der erstarrte Materialbereich weniger weit über die Oberfläche hinaus ragt, sodass der erstarrte Materialbereich weniger Angriffsfläche für mechanische Stöße bietet. Hierdurch ist der erstarrte Materialbereich und/oder sind die Grenzflächen zwischen dem erstarrten Materialbereich und dem restlichen Substrat bzw. der restlichen Kappe und/oder ist der Bereich um die Grenzflächen herum weniger anfällig für Rissbildungen. Mit anderen Worten wird der erstarrte Materialbereich durch das erfindungsgemäße Verfahren weniger anfällig für Beschädigungen und für ungewolltes Berühren beispielsweise im Fertigungsfluss und ist somit auch weniger Ursache und Ausgangspunkt von Rissen. Auch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weniger problematisch, wenn das Substratmaterial nur lokal erhitzt wird und sich das erhitzte Material sowohl beim Erstarren als auch beim Abkühlen relativ zu seiner Umgebung zusammenzieht. Auch dass somit im Verschlussbereich eine sehr große Zugspannung entstehen kann, ist weniger problematisch, da durch Herabsenken des erstarrten Materialbereichs die Angriffsfläche gegenüber mechanischen Stößen minimiert wird. Somit ist auch eine je nach Spannung und Material auftretende spontane Rissbildung weniger wahrscheinlich. Auch eine Rissbildung bei thermischer oder mechanischer Belastung des mikromechanischen Bauelements bei der Weiterverarbeitung oder im Feld ist weniger wahrscheinlich, da der Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung besser geschützt ist. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weniger kritisch, wenn sich beim Erstarren des Materialbereichs aufgrund der Rekristallisationsdynamik in der Mitte der aufgeschmolzenen Zone bzw. in der Mitte des erstarrten Materialbereichs eine Spitze bzw. ein Überstand der Spitze über die Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausbildet. Die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung einer solchen Spitze bzw. ein ungewolltes Berühren im weiteren Fertigungsfluss der Spitze kann durch Verwendung der Ausnehmung effektiv reduziert werden. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Spitze unterhalb einer ansonsten (d.h. bis auf den Bereich der Zugangsöffnung) im Wesentlichen planen Oberfläche der Kappe oder des Substrats liegt. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren eine effektive Möglichkeit die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass die Spitze Ursache bzw. Ausgangspunkt von Rissen ist. Somit wird ein Verfahren zum Herstellen eines gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robusten sowie eine lange Lebensdauer aufweisenden mikromechanischen Bauelements auf einfache und kostengünstige Weise bereitgestellt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „mikromechanisches Bauelement“ so zu verstehen, dass der Begriff sowohl mikromechanische Bauelemente als auch mikroelektromechanische Bauelemente umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt für die Herstellung eines bzw. für ein mikromechanisches Bauelement mit einer Kaverne vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auch für ein mikromechanisches Bauelement mit zwei Kavernen oder mit mehr als zwei, d.h. drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs, Kavernen vorgesehen.
Bevorzugt wird die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie bzw. Wärme in einen diese Energie bzw. diese Wärme absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen. Hierbei wird bevorzugt Energie bzw. Wärme in jeweils den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen, welche beispielsweise auf einem Wafer gemeinsam hergestellt werden, zeitlich nacheinander eingebracht. Es ist jedoch alternativ auch ein zeitlich paralleles Einbringen der Energie bzw. Wärme in den jeweiligen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, beispielsweise unter Verwendung von mehreren Laserstrahlen bzw. Laservorrichtungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappe mit dem Substrat eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne und eine zweite Kaverne umschließenden Kappe, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei

– in einem ersten Verfahrensschritt eine die erste Kaverne mit einer Umgebung des mikromechanischen Bauelements verbindende Zugangsöffnung in dem Substrat oder in der Kappe ausgebildet wird, wobei
– in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne eingestellt wird, wobei
– in einem dritten Verfahrensschritt die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie bzw. Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen wird, wobei
– in einem vierten Verfahrensschritt eine Ausnehmung in einer der ersten Kaverne abgewandten Oberfläche des Substrats oder der Kappe im Bereich der Zugangsöffnung zur Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung derart ausgebildet wird, dass der erstarrte Materialbereich zwischen einer sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche erstreckenden Ebene und der ersten Kaverne angeordnet ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass der erstarrte Materialbereich gar nicht über die Oberfläche hinaus ragt, sodass der erstarrte Materialbereich noch weniger Angriffsfläche für mechanische Stöße bietet. Hierdurch ist der erstarrte Materialbereich und/oder sind die Grenzflächen zwischen dem erstarrten Materialbereich und dem restlichen Substrat bzw. der restlichen Kappe und/oder ist der Bereich um die Grenzflächen herum noch weniger anfällig für Rissbildungen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche erstreckenden Ebene größer als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs bzw. des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe auf die Ebene ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass wenn die Ausnehmung im Verhältnis zur Oberfläche flächig um mindestens die Höhe des bei einem Verfahren ohne Ausnehmung zu erwartenden Überstandes des Materialbereichs über die Oberfläche tiefergelegt wird, ein Überstehen des erstarrten Materialbereichs über die Oberfläche verhindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche erstreckenden Ebene kleiner als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs bzw. des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe auf die Ebene ist. Hierdurch lässt sich auf vorteilhafte Weise ermöglichen, dass die Menge des in den flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe reduzierbar ist und sodass ein durch das Einbringen der Energie erzeugtes Schmelzbad besser verfließen kann ohne dass zur Ausbildung der Ausnehmung unnötig viel Fläche der Oberfläche beansprucht wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung in einer sich im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche erstreckenden Ebene im Wesentlichen rotationssymmetrisch zum Zugangskanal bzw. zum Materialbereich bzw. zu dem absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass das Schmelzbad besonders vorteilhaft verfließen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung anisotrop in die Oberfläche geätzt wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass die Ausnehmung anisotrop bzw. länglich, im Sinne einer größeren Ausdehnung der Ausnehmung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche als parallel zu der Oberfläche bzw. im Sinne einer kleineren Ausdehnung der Ausnehmung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche als parallel zu der Oberfläche, ausgebildet vorgesehen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der vierte Verfahrensschritt zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Ausnehmung in die Oberfläche mit vorhandenem Zugangskanal eingebracht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass

– in dem vierten Verfahrensschritt eine weitere Ausnehmung bzw. bevorzugt eine Vielzahl weiterer Ausnehmungen in der Oberfläche im Bereich der Zugangsöffnung zur Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung bzw. die weitere Ausnehmung bzw. die Vielzahl weiterer Ausnehmungen mithilfe einer Hardmask strukturiert werden.
Des Weiteren ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei das Substrat oder die Kappe eine verschlossene Zugangsöffnung umfasst, wobei das Substrat oder die Kappe eine in einer der ersten Kaverne abgewandten Oberfläche des Substrats oder der Kappe und im Bereich der Zugangsöffnung angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme eines während eines Verschließens der Zugangsöffnung in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappe mit dem Substrat eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Ferner ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne und eine zweite Kaverne umschließenden Kappe, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei das Substrat oder die Kappe eine verschlossene Zugangsöffnung umfasst, wobei das Substrat oder die Kappe eine in einer der ersten Kaverne abgewandten Oberfläche des Substrats oder der Kappe und im Bereich der Zugangsöffnung angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme eines während eines Verschließens der Zugangsöffnung in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs des Substrats oder der Kappe umfasst. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein kompaktes, mechanisch robustes und kostengünstiges mikromechanisches Bauelement mit eingestelltem ersten Druck und zweiten Druck bereitgestellt. Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung derart ausgebildet ist, dass der erstarrte Materialbereich zwischen einer sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche erstreckenden Ebene und der ersten Kaverne angeordnet ist. Somit wird auf vorteilhafte Weise ein gegenüber mechanischen Stößen besonders robustes mikromechanisches Bauelement bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Druck geringer als der zweite Druck ist, wobei in der ersten Kaverne eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement für Drehratenmessung und Beschleunigungsmessung mit sowohl für die erste Sensoreinheit und für die zweite Sensoreinheit optimalen Betriebsbedingungen bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement mit geöffneter Zugangsöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung das mikromechanische Bauelement gemäß 1 mit verschlossener Zugangsöffnung.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Materialbereich eines Substrats oder einer Kappe eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 und 2 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 mit geöffneter Zugangsöffnung 11 in 1 und mit verschlossener Zugangsöffnung 11 in 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfasst das mikromechanische Bauelement 1 ein Substrat 3 und eine Kappe 7. Das Substrat 3 und die Kappe 7 sind miteinander, bevorzugt hermetisch, verbunden und umschließen gemeinsam eine erste Kaverne 5. Beispielsweise ist das mikromechanische Bauelement 1 derart ausgebildet, dass das Substrat 3 und die Kappe 7 zusätzlich gemeinsam eine zweite Kaverne umschließen. Die zweite Kaverne ist in 1 und in 2 jedoch nicht dargestellt.
Beispielsweise herrscht in der ersten Kaverne 5, insbesondere bei wie in 2 dargestellter verschlossener Zugangsöffnung 11, ein erster Druck. Außerdem ist ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingeschlossen. Des Weiteren herrscht beispielsweise in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck und es ist ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung in der zweiten Kaverne eingeschlossen. Bevorzugt ist die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 angeordnet. Bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zugangsöffnung 11 beispielhaft in der Kappe 7 angeordnet. Erfindungsgemäß kann es jedoch alternativ hierzu auch vorgesehen sein, dass die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 angeordnet ist.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der erste Druck in der ersten Kaverne 5 geringer ist als der zweite Druck in der zweiten Kaverne. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass in der ersten Kaverne 5 eine in 1 und 2 nicht dargestellte erste mikromechanische Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine in 1 und 2 nicht dargestellte zweite mikromechanische Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet sind.
In 3 ist in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei wird

– in einem ersten Verfahrensschritt 101 die die erste Kaverne 5 mit einer Umgebung 9 des mikromechanischen Bauelements 1 verbindende, insbesondere schmale, Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 ausgebildet. 1 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem ersten Verfahrensschritt 101. Außerdem wird
– in einem zweiten Verfahrensschritt 102 der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingestellt bzw. die erste Kaverne 5 mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Ferner wird beispielsweise
– in einem dritten Verfahrensschritt 103 die Zugangsöffnung 11 durch Einbringen von Energie bzw. Wärme in einen absorbierenden Teil 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 mithilfe eines Lasers verschlossen. Es ist beispielsweise alternativ auch vorgesehen, dass
– in dem dritten Verfahrensschritt 103 der Bereich um den Zugangskanal lediglich bevorzugt durch einen Laser lokal erhitzt wird und der Zugangskanal hermetisch verschlossen wird. Somit ist es vorteilhaft möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Energiequellen als mit einem Laser zum Verschließen der Zugangsöffnung 11 vorzusehen. 2 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem dritten Verfahrensschritt 103.

Zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt 103 können in einem in 2 beispielhaft dargestellten lateralen Bereich 15 an der Oberfläche 19 sowie in der Tiefe senkrecht zu einer Projektion des lateralen Bereichs 15 auf die Oberfläche 19, d.h. entlang der Zugangsöffnung 11 und in Richtung der ersten Kaverne 5, des mikromechanischen Bauelements 1 mechanische Spannungen auftreten. Diese mechanischen Spannungen, insbesondere lokale mechanischen Spannungen, herrschen insbesondere an und in der Nähe einer Grenzfläche zwischen einem im dritten Verfahrensschritt 103 in einen flüssigen Aggregatzustand übergehenden und nach dem dritten Verfahrensschritt 103 in einen festen Aggregatzustand übergehenden und die Zugangsöffnung 11 verschließenden Materialbereich 13 der Kappe 7 und einem während dem dritten Verfahrensschritt 103 in einem festen Aggregatzustand verbleibenden Restbereich der Kappe 7. Hierbei ist in 2 der die Zugangsöffnung 11 verschließende Materialbereich 13 der Kappe 7 lediglich als schematisch anzusehen bzw. schematisch dargestellt, insbesondere hinsichtlich seiner lateralen, insbesondere parallel zu der Oberfläche 19 verlaufenden, Erstreckung bzw. Formgebung und insbesondere hinsichtlich seiner senkrecht zur lateralen Erstreckung, insbesondere senkrecht zu der Oberfläche 19 verlaufenden, Ausdehnung bzw. Konfiguration.
Wie in 3 beispielhaft dargestellt, wird zusätzlich

– in einem vierten Verfahrensschritt 104 eine Ausnehmung 17 in einer der ersten Kaverne 5 abgewandten Oberfläche 19 des Substrats 3 oder der Kappe 7 im Bereich der Zugangsöffnung 11 zur Aufnahme bzw. teilweisen Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt 103 in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs 13 bzw. zumindest teilweise in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten absorbierenden Teils 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 ausgebildet. Wie in 3 beispielhaft dargestellt, wird der vierte Verfahrensschritt 104 beispielsweise zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt 101 und zeitlich vor dem zweiten Verfahrensschritt 102 durchgeführt. Es ist jedoch alternativ auch vorgesehen, dass der vierte Verfahrensschritt 104 zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt 101 oder zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt 102 durchgeführt wird. Somit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft an unterschiedliche Fertigungsprozesse auf einfache Weise anpassen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass vor dem Laserreseal bzw. zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt 101 Strukturen bzw. die Ausnehmung 17 bzw. eine Vielzahl von Ausnehmungen 17 im Bereich des Zugangskanals bzw. der Zugangsöffnung 11 in die Oberfläche 19 bzw. Siliziumoberfläche eingebracht werden um die Verschlussebene bzw. den Materialbereich 13 zu versenken bzw. tiefer zu legen, sodass der bei der Erstarrung des Schmelzbades entstehende Überstand unter der Waferoberfläche bzw. Oberfläche 19 liegt.
In 4 ist in einer schematischen Darstellung ein bereits erstarrter Materialbereich 13 des Substrats 3 oder der Kappe 7 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Hierbei ragt die erstarrte Materialbereich 13 bzw. die Spitze über die Oberfläche 19 der Kappe 7 heraus. In 5, 6 und 7 sind in schematischen Darstellungen mikromechanische Bauelement 1 gemäß einer dritten, einer vierten und einer fünften beispielhaften Ausführungsform zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es werden mehrere verschiedene Strukturen bzw. Strukturen von Ausnehmungen 17 vorgeschlagen, wobei die Strukturen vorzugsweise anisotrop in die Oberfläche 19 bzw. Siliziumoberfläche geätzt werden. Hierbei umfasst beispielhaft die Kappe 7 eine in der der ersten Kaverne 5 abgewandten Oberfläche 19 der Kappe 7 angeordnete Ausnehmung 17. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Kappe 7 eine Vielzahl von Ausnehmungen 17. Ferner ist die Ausnehmung 17 bzw. ist die Vielzahl von Ausnehmungen 17 im Bereich der Zugangsöffnung 11 zur Aufnahme eines während eines Verschließens der Zugangsöffnung 11 in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs 13 der Kappe 7 angeordnet. In allen in 5, 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Ausnehmung 17 bzw. die Vielzahl von Ausnehmungen 17 derart ausgebildet, dass der erstarrte Materialbereich 13 zwischen einer sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche 19 erstreckenden Ebene und der ersten Kaverne 5 angeordnet ist.
5 zeigt ein mikromechanisches Bauelement 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Ausnehmung 17 derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung 17 auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche 19 erstreckenden Ebene größer als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs 13 bzw. des absorbierenden Teils 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 auf die Ebene ist. Beispielsweise ist zusätzlich oder alternativ auch vorgesehen, dass zum Versenken des Reseal-Überstandes vorteilhafterweise ein flächiger Bereich, der größer ist als der Aufschmelzbereich, um den Zugangskanal mittels anisotropen Ätzens geätzt wird. Hierbei beträgt die Ätztiefe beispielsweise mindestens die Höhe des zu erwartenden Überstandes. Ferner wird die Größe des flächigen Bereichs beispielsweise so gewählt, dass der Aufschmelzbereich unter Einbeziehung aller Toleranzen immer innerhalb dessen liegt.
Außerdem zeigt 6 ein mikromechanisches Bauelement 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Ausnehmung 17 derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung 17 auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche 19 erstreckenden Ebene kleiner als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs 13 bzw. des absorbierenden Teils 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 auf die Ebene ist.
Des Weiteren zeigt 7 ein mikromechanisches Bauelement 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Ausnehmung 17 in einer sich im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 19 erstreckenden Ebene im Wesentlichen rotationssymmetrisch zum Zugangskanal 11 bzw. zum Materialbereich 13 bzw. zu dem absorbierenden Teil 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 ausgebildet wird. Insbesondere in dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Ausnehmung 17 bzw. die Vielzahl von Ausnehmungen 17 anisotrop in die Oberfläche 19 geätzt.
In 6 und 7 wird beispielhaft dargestellt, dass die Menge an Material, welches beim Laserreseal aufgeschmolzen wird, durch eine oder mehrere geätzte Einzelstrukturen derart reduziert werden kann, dass das Schmelzbad verfließen kann und nach Erstarren nicht mehr über die Waferoberfläche 19 hinausragt. Die Tiefe, die die Strukturen in die Siliziumoberfläche 19 hineinreichen, kann an den Anteil der geätzten Fläche innerhalb des Aufschmelzbereichs angepasst werden. Je mehr Material entfernt wird, desto weniger tief muss die Ätzung erfolgen. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass das verbleibende Material zum Verschluss des Zugangskanals 11 ausreicht.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Bereich, der größer ist als der Aufschmelzbereich, flächig um mindestens die Höhe des zu erwartenden Überstandes tiefergelegt wird oder die Menge des aufschmelzenden Materials im Aufschmelzbereich durch eine oder mehrere in die Oberfläche 19 geätzte Einzelstrukturen reduziert wird, sodass das Schmelzbad verfließen kann. In diesem Fall kann die Tiefe, die die Strukturen in die Siliziumoberfläche 19 hineinreichen von wenigen Mikrometern bis über die Aufschmelztiefe der Kappe 7 bzw. des Substrats 3 bzw. des Siliziums hinaus betragen. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die Ausnehmung 17 bzw. die Vielzahl von Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen mit Strukturen zum Stressrelease kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/120939 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (1) mit einem Substrat (3) und mit einer mit dem Substrat (3) verbundenen und mit dem Substrat (3) eine erste Kaverne (5) umschließenden Kappe (7), wobei in der ersten Kaverne (5) ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt (101) eine die erste Kaverne (5) mit ei ner Umgebung (9) des mikromechanischen Bauelements (1) verbindende Zugangsöffnung (11) in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt (102) der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne (5) eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt (103) die Zugangsöffnung (11) durch Einbringen von Energie bzw. Wärme in einen absorbierenden Teil (21) des Substrats (3) oder der Kappe (7) mithilfe eines Lasers verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem vierten Verfahrensschritt (104) eine Ausnehmung (17) in einer der ersten Kaverne (5) abgewandten Oberfläche (19) des Substrats (3) oder der Kappe (7) im Bereich der Zugangsöffnung (11) zur Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt (103) in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs (13) des Substrats (3) oder der Kappe (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kappe (7) mit dem Substrat (3) eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (17) derart ausgebildet wird, dass der erstarrte Materialbereich (13) zwischen einer sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche (19) erstreckenden Ebene und der ersten Kaverne (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (17) derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung (17) auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche (19) erstreckenden Ebene größer als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs (13) bzw. des absorbierenden Teils (21) des Substrats (3) oder der Kappe (7) auf die Ebene ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (17) derart ausgebildet wird, dass eine erste Fläche einer Projektion der Ausnehmung (17) auf eine sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche (19) erstreckenden Ebene kleiner als eine zweite Fläche einer Projektion des erstarrten Materialbereichs (13) bzw. des absorbierenden Teils (21) des Substrats (3) oder der Kappe (7) auf die Ebene ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (17) in einer sich im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (19) erstreckenden Ebene im Wesentlichen rotationssymmetrisch zum Zugangskanal (11) bzw. zum Materialbereich (13) bzw. zu dem absorbierenden Teil (21) des Substrats (3) oder der Kappe (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (17) anisotrop in die Oberfläche (19) geätzt wird.
Mikromechanisches Bauelement (1) mit einem Substrat (3) und mit einer mit dem Substrat (3) verbundenen und mit dem Substrat (3) eine erste Kaverne (5) umschließenden Kappe (7), wobei in der ersten Kaverne (5) ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei das Substrat (3) oder die Kappe (7) eine verschlossene Zugangsöffnung (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) oder die Kappe (7) eine in einer der ersten Kaverne (5) abgewandten Oberfläche (19) des Substrats (3) oder der Kappe (7) und im Bereich der Zugangsöffnung (11) angeordnete Ausnehmung (17) zur Aufnahme eines während eines Verschließens der Zugangsöffnung (11) in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereichs (13) des Substrats (3) oder der Kappe (7) umfasst.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 8, wobei die Kappe (7) mit dem Substrat (3) eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 8, wobei die Ausnehmung (17) derart ausgebildet ist, dass der erstarrte Materialbereich (13) zwischen einer sich im Wesentlichen entlang der Oberfläche (19) erstreckenden Ebene und der ersten Kaverne (5) angeordnet ist.