DE102015220892A1

DE102015220892A1 - Strukturen zur Reduzierung und Vermeidung von Spannungen an der Verschlussunterseite beim Laser-Reseal

Info

Publication number: DE102015220892A1
Application number: DE102015220892.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Reichenbach; Jochen Reinmuth; Achim Breitling; Julia Amthor
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: US10023460B2; US20170113921A1

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 ersten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein erster Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein zweiter Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen 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 integriert werden sollen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

– in einem ersten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein erster Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird, wobei
– in einem zweiten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein zweiter Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen ausgebildet wird.

Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements bereitgestellt, mit dem im Bereich der Zugangsöffnung auftretende lokale Spannungen abgebaut und verteilt werden können. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich im Bereich der Zugangsöffnung zwischen einem während des dritten Verfahrensschritts verschlossenen Teil der Zugangsöffnung und der ersten Kaverne auftretende lokale Spannungen abzubauen bzw. zu verteilen. Des Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich herkömmlich auftretende Spannungsspitzen, insbesondere an der Verschlussunterseite im Bereich des Zugangskanals bzw. der Zugangsöffnung, deutlich zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Insbesondere ist es mithilfe des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts möglich mechanische Spannungen durch elastische Verformung abzubauen. Gegenüber einem Verfahren ohne Ausbildung des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts hat das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise den Vorteil, dass ein nach dem dritten Verfahrensschritt erstarrter Materialbereich und/oder die Grenzflächen zwischen dem erstarrten Materialbereich und dem restlichen Substrat bzw. der restlichen Kappe und/oder der Bereich um die Grenzflächen herum weniger anfällig für Rissbildungen sind, da lokal auftretende Spannungen mithilfe des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts effektiv abgebaut bzw. auf einen größeren Materialbereich verteilt werden können. Somit ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren weniger kritisch, wenn der erstarrte Materialbereich beispielsweise im Fertigungsfluss ungewollt berührt wird, da der erstarrte Materialbereich durch reduzierte lokale Spannungen weniger Ursache und Ausgangspunkt von Rissen ist. 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, insbesondere an der Verschlussunterseite im Bereich des Zugangskanals bzw. der Zugangsöffnung, eine sehr große Zugspannung entstehen kann, ist weniger problematisch, da durch den Abbau von lokalen mechanischen Spannungen eine zusätzlich nötige auftretende mechanische Spannung die zu einem Bauteilversagen führt wesentlich höher ist als bei herkömmlichen Verfahren. 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 in dem mikromechanischen Bauelement vorliegende mechanische Spannung bzw. Vorspannung, insbesondere an der Verschlussunterseite im Bereich des Zugangskanals bzw. der Zugangsöffnung, wesentlich geringer ist als bei mit bereits bekannten Verfahren hergestellten mikromechanischen Bauelementen. 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. negative Effekte durch ein ungewolltes Berühren der Spitze beispielsweise im weiteren Fertigungsfluss kann durch Verwendung des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts effektiv reduziert werden. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren eine effektive Möglichkeit die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass der erstarrte Materialbereich bzw. 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 ersten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein erster Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausgebildet wird, wobei
– in einem zweiten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein zweiter Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen ausgebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass

– in einem dritten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts zur Ausbildung der Zugangsöffnung ein dritter Zugangsöffnungsabschnitt im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche ausgebildet wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise erreicht, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt beabstandet von der Oberfläche und beabstandet von der ersten Kaverne anordenbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
der erste Zugangsöffnungsabschnitt mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet wird und/oder
der zweite Zugangsöffnungsabschnitt mithilfe von isotropem Ätzen ausgebildet wird und/oder
der dritte Zugangsöffnungsabschnitt mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass der erste Zugangsöffnungsabschnitt und/oder der dritte Zugangsöffnungsabschnitt anisotrop bzw. länglich, im Sinne einer größeren Ausdehnung des ersten Zugangsöffnungsabschnitts und/oder des dritten Zugangsöffnungsabschnitts im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche als parallel zu der Oberfläche bzw. im Sinne einer kleineren Ausdehnung des ersten Zugangsöffnungsabschnitts und/oder des dritten Zugangsöffnungsabschnitts im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche als parallel zu der Oberfläche, ausgebildet vorgesehen werden kann. Des Weiteren lässt sich hierdurch vorteilhaft der zweite Zugangsöffnungsabschnitt derart ausbilden, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt im Vergleich zu dem ersten Zugangsöffnungsabschnitt und/oder im Vergleich zu dem dritten Zugangsöffnungsabschnitt in das Substrat oder in die Kappe im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche hinein ausgebildet ist bzw., dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt eine Aufweitung bzw. eine Ausnehmung umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt derart ausgebildet wird, dass ein im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche verlaufender erster Abstand zwischen dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt und der Oberfläche maximal doppelt so groß wie ein im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche verlaufender zweiter Abstand zwischen einer maximalen Erstreckung des absorbierenden Teils und der Oberfläche ist. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt und der absorbierende Teil relativ nah beieinander angeordnet sind, sodass mithilfe des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts im Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung, insbesondere an der der ersten Kaverne zugewandten Seite der verschlossenen Zugangsöffnung, auftretende mechanische Spannungen und Spannungsspitzen effektiv abgebaut bzw. reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt derart ausgebildet wird, dass ein Verhältnis zwischen einer im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden Tiefe des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts gegenüber dem ersten Zugangsöffnungsabschnitt und/oder gegenüber dem dritten Zugangsöffnungsabschnitt und einem im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche verlaufenden dritten Abstand zwischen dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt und einer maximalen Erstreckung des absorbierenden Teils mindestens 0,5 ist, insbesondere gleich oder größer als 1 ist. Hierdurch können auftretende mechanische Spannungen und Spannungsspitzen besonders effektiv abgebaut bzw. reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt derart ausgebildet wird, dass der absorbierende Teil des Substrats oder der Kappe und das den zweiten Zugangsöffnungsabschnitt umgebende Material des Substrats oder der Kappe zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird vorteilhaft eine Verrundung zwischen einem im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand umgewandelten Materialbereich und dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt bzw. eine Verrundung des Zugangskanalverschlusses ermöglicht.
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 die Zugangsöffnung einen im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausgebildeten ersten Zugangsöffnungsabschnitt umfasst, wobei die Zugangsöffnung einen im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche ausgebildeten zweiten Zugangsöffnungsabschnitt zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen 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 die Zugangsöffnung einen im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats oder der Kappe ausgebildeten ersten Zugangsöffnungsabschnitt umfasst, wobei die Zugangsöffnung einen im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche ausgebildeten zweiten Zugangsöffnungsabschnitt zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen 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 Zugangsöffnung einen im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche ausgebildeten dritten Zugangsöffnungsabschnitt umfasst. Hierdurch wird ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, wobei der zweite Zugangsöffnungsabschnitt vorteilhaft beabstandet von der Oberfläche und beabstandet von der ersten Kaverne angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen einer im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden Tiefe des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts gegenüber dem ersten Zugangsöffnungsabschnitt und/oder gegenüber dem dritten Zugangsöffnungsabschnitt und einem im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche verlaufenden dritten Abstand zwischen dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt und einer maximalen Erstreckung eines während des Verschließens der Zugangsöffnung eingebrachte Energie bzw. Wärme absorbierenden Teils mindestens 0,5 ist, insbesondere gleich oder größer als 1 ist. Hierdurch wird ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, mit dem auftretende mechanische Spannungen und Spannungsspitzen besonders effektiv abgebaut bzw. reduziert werden können.
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 Teilbereich eines bereits bekannten mikromechanischen Bauelements.
5, 6, 7 und 8 zeigen in schematischen Darstellungen Teilbereiche eines mikromechanischen Bauelements gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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.
In 4 ist in einer schematischen Darstellung ein Teilbereich eines bereits bekannten mikromechanischen Bauelements dargestellt. 5, 6, 7 und 8 zeigen in schematischen Darstellungen Teilbereiche eines mikromechanischen Bauelements gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Zum Abbau von Spannungsspitzen an der Verschlussunterseite bzw. im Bereich unterhalb des absorbierenden Teils 21 wird bei der Strukturierung des Zugangskanals 11 in einer definierten Tiefe eine lokale Aufweitung bzw. Ausnehmung eingebracht. Dies ist in 5, 6, 7 und 8 beispielhaft dargestellt. Hierbei wird beispielsweise durch das Material bzw. das Substrat 3 bzw. die Kappe 7, das bzw. die unmittelbar an den Aufschmelzbereich 21 bzw. absorbierenden Teil 21 grenzt, durch elastische Verformung Spannungen im erstarrten Aufschmelzbereich 21 abgebaut. Des Weiteren können beispielsweise auch durch Verrundung Spannungsspitzen abgebaut bzw. reduziert bzw. vermieden werden.
Hierfür wird beispielsweise

– in einem ersten Verfahrensunterschritt während des in 3 dargestellten ersten Verfahrensschritts 101 zur Ausbildung der Zugangsöffnung 11 ein erster Zugangsöffnungsabschnitt 401 im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche 19 des Substrats 3 oder der Kappe 7 ausgebildet. Des Weiteren wird beispielsweise
– in einem zweiten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts 101 zur Ausbildung der Zugangsöffnung 11 ein zweiter Zugangsöffnungsabschnitt 403 im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche 19 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung 11 auftretenden mechanischen Spannungen ausgebildet. Beispielsweise wird anschließend zusätzlich
– in einem dritten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts 101 zur Ausbildung der Zugangsöffnung 11 ein dritter Zugangsöffnungsabschnitt 405 im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 19 ausgebildet wird.

Des Weiteren wird beispielsweise der erste Zugangsöffnungsabschnitt 401 mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet, der zweite Zugangsöffnungsabschnitt 403 mithilfe von isotropem Ätzen ausgebildet wird und der dritte Zugangsöffnungsabschnitt 405 mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet. Mit anderen Worten wird im Kappenwafer oder im Sensorwafer durch das Substrat ein schmaler Zugangskanal vorzugsweise durch anisotropes Ätzen zu der MEMS-Kaverne erzeugt. Danach wird beispielsweise in einer definierten Ätztiefe der Prozess auf eine isotrope Ätzung umgestellt, sodass eine lokale Aufweitung 403 des Zugangskanals 11 erfolgt. Anschließend wird der Zugangskanal beispielsweise durch anisotropes Ätzen fertiggestellt.
Die Ätztiefe bei der die Aufweitung beginnt bzw. ein im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 19 verlaufender Abstand zwischen der Oberfläche 19 und dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt 403 entspricht maximal der doppelten Aufschmelztiefe bzw. einem weiteren im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 19 verlaufenden Abstand zwischen der Oberfläche 19 und einer maximalen Erstreckung des absorbierenden Teils 21 und liegt vorteilhafterweise bei der 1,5-fachen Aufschmelztiefe.
Des Weiteren beträgt ein Verhältnis zwischen einer in 5 dargestellten Aufweitungsbreite 409 des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts 403 und einem Abstand 407 der Aufweitung 403 zum Aufschmelzbereich 21 mindestens 0,5 und liegt vorteilhafterweise bei größer als 1.
In 7 ist beispielhaft dargestellt, dass alternativ auch vorgesehen ist, dass der obere Teil der Aufweitung 403 im Aufschmelzbereich 21 liegt. Dies führt vorteilhaft zu einer Verrundung des Zugangskanalverschlusses bzw. des im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand und nach dem dritten Verfahrensschritt in einen festen Aggregatzustand übergegangenen Materialbereichs. Beispielsweise ist der Anteil der Aufweitung 403, der im Aufschmelzbereich 21 liegt kleiner als die Hälfte einer in 5 dargestellten Aufweitungshöhe 411.
Schließlich zeigt 8 Zugangskanäle 11, wobei die Zugangskanäle 11 jeweils einen zweiten Zugangsöffnungsabschnitt 403 bzw. isotropen Bereich 403 umfassen. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass der isotrope Bereich 403 beispielsweise auf einer der Oberfläche 19 abgewandten Seite des Zugangskanals 11 bzw. lediglich von der Oberfläche 19 und von der ersten Kaverne 5 beabstandet angeordnet ist. Beispielsweise werden die in 8 dargestellten Zugangskanäle 11 bzw. isotropen Bereiche 403 bzw. Strukturen derart geätzt, dass während des Ätzens am Ende der Ätzung bzw. auf einer der ersten Kaverne 5 zugewandten Seite des Zugangskanals 11 zuerst ein isotroper Ätzschritt erfolgt, wodurch am Ätzgrund eine Hinterschneidung entsteht, bevor der Zugangskanal mit einem weiteren anisotropen Ätzschritt vervollständigt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Hinterschneidung derart ausgebildet ist, das sich die Hinterschneidung im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 19 erstreckt bzw. im Vergleich zu dem restlichen Zugangskanal 11 parallel zu der Oberfläche 19 zumindest teilweise in die Kappe 7 hineinragt.
Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass der zweite Zugangsöffnungsabschnitt 403 bzw. die Aufweitung 403 bzw. Ausnehmung mit Strukturen zum Stressrelease kombiniert werden. Mit anderen Worten kann Optional die Struktur des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements auch mit Stressrelease-Strukturen außerhalb des Aufschmelzbereichs 21 kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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 einer 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 ersten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts (101) zur Ausbildung der Zugangsöffnung (11) ein erster Zugangsöffnungsabschnitt (401) im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche (19) des Substrats (3) oder der Kappe (7) ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts (101) zur Ausbildung der Zugangsöffnung (11) ein zweiter Zugangsöffnungsabschnitt (403) im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche (19) zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung (11) auftretenden mechanischen Spannungen 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 – in einem dritten Verfahrensunterschritt während des ersten Verfahrensschritts (101) zur Ausbildung der Zugangsöffnung (11) ein dritter Zugangsöffnungsabschnitt (405) im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Zugangsöffnungsabschnitt (401) mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet wird und/oder der zweite Zugangsöffnungsabschnitt (403) mithilfe von isotropem Ätzen ausgebildet wird und/oder der dritte Zugangsöffnungsabschnitt (405) mithilfe von anisotropem Ätzen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zugangsöffnungsabschnitt (403) derart ausgebildet wird, dass ein im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) verlaufender erster Abstand zwischen dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt (403) und der Oberfläche (19) maximal doppelt so groß wie ein im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) verlaufender zweiter Abstand zwischen einer maximalen Erstreckung des absorbierenden Teils (21) und der Oberfläche (19) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zugangsöffnungsabschnitt (403) derart ausgebildet wird, dass ein Verhältnis zwischen einer im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (19) verlaufenden Tiefe (409) des zweiten Zugangsöffnungsabschnitts (403) gegenüber dem ersten Zugangsöffnungsabschnitt (401) und/oder gegenüber dem dritten Zugangsöffnungsabschnitt (405) und einem im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) verlaufenden dritten Abstand (407) zwischen dem zweiten Zugangsöffnungsabschnitt (403) und einer maximalen Erstreckung des absorbierenden Teils (21) mindestens 0,5 ist, insbesondere gleich oder größer als 1 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zugangsöffnungsabschnitt (403) derart ausgebildet wird, dass der absorbierende Teil (21) des Substrats (3) oder der Kappe (7) und das den zweiten Zugangsöffnungsabschnitt (403) umgebende Material des Substrats (3) oder der Kappe (7) zumindest teilweise überlappen.
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 die Zugangsöffnung (11) einen im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche (19) des Substrats (3) oder der Kappe (7) ausgebildeten ersten Zugangsöffnungsabschnitt (401) umfasst, wobei die Zugangsöffnung (11) einen im Wesentlichen senkrecht und parallel zu der Oberfläche (19) ausgebildeten zweiten Zugangsöffnungsabschnitt (403) zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung (11) auftretenden mechanischen Spannungen 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 oder 9, wobei die Zugangsöffnung (11) einen im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) ausgebildeten dritten Zugangsöffnungsabschnitt (405) umfasst.