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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen Spannungen ausgebildet wird.
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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. Des Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich herkömmlich auftretende Spannungsspitzen deutlich zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Insbesondere ist es mithilfe der Ausnehmung möglich mechanische Spannungen durch elastische Verformung abzubauen. Gegenüber einem Verfahren ohne Ausbildung der Ausnehmung 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 der Ausnehmung 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 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 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 der Ausnehmung 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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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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.
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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 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen Spannungen ausgebildet wird.
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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 parallel zu der Oberfläche erstreckenden Ebene und eine zweite Fläche einer Projektion des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe auf die Ebene nicht oder zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise erreicht, dass – für den Fall, dass keine Überlappung der beiden Flächen vorliegt – kein aufgeschmolzenes Material in die Ausnehmung bzw. Ausnehmungen hinein fließt und somit die Ausnehmung besonders genau für einen Abbau von mechanischen Spannungen ausgelegt werden kann. Alternativ, bei Überlappung der beiden Flächen, wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Ausnehmung zusätzlich zum Abführen von mechanischen Spannungen auch für die Aufnahme eines im dritten Verfahrensschritt in einen flüssigen Aggregatzustand übergegangenen Materialbereichs vorgesehen ist. Somit kann beispielsweise der erstarrte Materialbereich zumindest teilweise gegenüber der Oberfläche im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren ohne Verwendung einer Ausnehmung herabgesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem vierten Verfahrensschritt eine weitere Ausnehmung bzw. eine Vielzahl weiterer Ausnehmungen in der Oberfläche im Bereich der Zugangsöffnung zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen Spannungen ausgebildet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Abbau von auftretenden lokalen mechanischen Spannungen besonders genau eingestellt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung und/oder eine weitere Ausnehmung und/oder eine Vielzahl weiterer Ausnehmungen in einer sich im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche erstreckenden Ebene im Wesentlichen rotationssymmetrisch zum Zugangskanal bzw. zu dem absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe, insbesondere zu dem Massenmittelpunkt des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe, ausgebildet wird. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein besonders symmetrischer Abbau von mechanischen Spannungen ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen anisotrop in die Oberfläche geätzt werden, wobei insbesondere nach dem anisotropen Ätzen die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen isotrop geätzt werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen 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. Des Weiteren lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass die Ausnehmung einen isotropen und einen anisotropen Bereich umfasst.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen derart ausgebildet werden, dass eine erste Erstreckung der Ausnehmung und/oder der weiteren Ausnehmung und/oder der Vielzahl weiterer Ausnehmungen im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche im Wesentlichen einer zweiten Erstreckung des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe entspricht. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass mechanische Spannungen insbesondere über den gesamten Bereich des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe bzw. über den gesamten Bereich des erstarrten Materialbereichs abgebaut werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der vierte Verfahrensschritt zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt wird.
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Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen bzw. die Strukturen nach dem Erzeugen des Zugangskanals in die Kappenoberfläche eingebracht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der vierte Verfahrensschritt insbesondere zeitlich vor dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen bzw. die Strukturen vor dem Einstellen des ersten Drucks und/oder der ersten chemischen Zusammensetzung eingebracht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen derart ausgebildet werden, dass zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt die Ausnehmung und/oder die weitere Ausnehmung und/oder die Vielzahl weiterer Ausnehmungen einen ringförmigen Hohlraum bzw. eine Vielzahl ringförmiger Hohlräume umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass mechanische Spannungen insbesondere auch unterhalb des Bereichs des absorbierenden Teils des Substrats oder der Kappe bzw. unterhalb des gesamten Bereichs des erstarrten Materialbereichs, unterhalb im Sinne von in Richtung von der Oberfläche weg bzw. in Richtung zu der ersten Kaverne hin, abgebaut werden können.
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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, 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 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen Spannungen umfasst.
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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.
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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 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen 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.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat oder die Kappe eine weitere Ausnehmung bzw. bevorzugt eine Vielzahl weiterer Ausnehmungen in der Oberfläche im Bereich der Zugangsöffnung zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung auftretenden lokalen Spannungen umfasst. Hierdurch wird ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, mit dem vorteilhaft ermöglicht wird, dass der Abbau von auftretenden lokalen mechanischen Spannungen besonders genau eingestellt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Kappe Silizium umfasst. Hierdurch wird ermöglicht, dass das mikromechanische Bauelement mit standardisierten Methoden der Schichttechnologie hergestellt werden kann.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement mit geöffneter Zugangsöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung das mikromechanische Bauelement gemäß 1 mit verschlossener Zugangsöffnung.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4, 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen in schematischen Darstellungen Teilbereiche eines mikromechanischen Bauelements gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 4, 5, 6, 7, 8 und 9 sind in schematischen Darstellungen Teilbereiche eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei sind in 4, 5, 6, 7, 8 und 9 unterschiedliche Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen zum Abbau von Spannungen im oder um den absorbierenden Teil 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 bzw. den Bereich, der aufgeschmolzen wird, angeordnet. Hierbei sind die Strukturen derart ausgebildet, dass das Material unmittelbar um den absorbierenden Teil 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 bzw. um den Aufschmelzbereich 21 durch elastische Verformung die Spannungen im erstarrten Schmelzbereich abbauen kann. Hierzu ist beispielsweise eine einzelne Struktur oder aber auch eine Vielzahl von Strukturen vorzugsweise rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt der Aufschmelzung angeordnet. In 4, 5, 6, 7, 8 und 9 werden beispielhafte Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen vorgeschlagen. Es sind jedoch auch anders geformte und sich anders erstreckende Ausnehmungen 17 vorgesehen, welche den erfindungsgemäßen Zweck erfüllen. Die in 4, 5, 6, 7, 8 und 9 vorgeschlagenen Strukturen werden vorzugsweise anisotrop in die Oberfläche 19 geätzt. Außerdem wird beispielsweise ein unterer Teil der in 9 dargestellten Strukturen nach dem anisotropen Ätzen isotrop geätzt. Beispielsweise umfasst hierbei die Oberfläche 19 eine Siliziumoberfläche. Beispielsweise liegt eine erste Erstreckung der Ausnehmungen 17 senkrecht zu der Oberfläche 19 bzw. die Tiefe, die die Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen in die Oberfläche 19 bzw. in die Siliziumoberfläche hineinreichen, im Bereich einer zweiten Erstreckung des absorbierenden Teils 21 senkrecht zu der Oberfläche 19 bzw. der Aufschmelztiefe beispielsweise des Siliziums. Alternativ ist jedoch auch vorgesehen, dass die erste Erstreckung geringer als die zweite Erstreckung ist. Weiter alternativ ist auch vorgesehen, dass die zweite Erstreckung geringer als die erste Erstreckung ist.
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In 3 ist beispielhaft dargestellt, dass
– in einem vierten Verfahrensschritt 104 die Ausnehmung 17 bzw. eine Stressrelease-Struktur in einer der ersten Kaverne 5 abgewandten Oberfläche 19 des Substrats 3 oder der Kappe 7 im Bereich der Zugangsöffnung 11 zum Abbau von bei verschlossener Zugangsöffnung 11 auftretenden lokalen Spannungen ausgebildet wird.
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In 4 und 5 sind zum Abbau von Spannungen unterschiedliche Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen bzw. ringförmige Strukturen dargestellt. Hierbei entspricht beispielsweise ein Abstand einer Ausnehmung 17 zum äußeren Rand des absorbierenden Teils 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 maximal dem Radius des absorbierenden Teils 21 bzw. des Aufschmelzbereichs 21. Insbesondere ist beispielsweise vorgesehen, dass der Abstand der Ausnehmung 17 zum äußeren Rand des absorbierenden Teils 21 des Substrats 3 oder der Kappe 7 dem halben Radius des absorbierenden Teils 21 bzw. des Aufschmelzbereichs 21 entspricht. Des Weiteren ist beispielsweise vorgesehen, dass die Ausnehmung 17 als Kreisring, als quadratischer Rahmen oder als Vieleck, insbesondere Viereck, Sechseck, Achteck, Zehneck und Zwölfeck oder als ein Vieleck mit mehr als zwölf Ecken, ausgebildet ist. Beispielsweise ist der quadratische Rahmung oder das Vieleck auch je nach Kristallorientierung, insbesondere je nach Siliziumkristallorientierung, beliebig ausgerichtet und/oder als ein weiteres Vieleck ausgebildet sein.
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In 6 sind beispielhaft zwei weitere mögliche Ausbildungen der Ausnehmung 17 dargestellt. Insbesondere sind in 6 eine Vielzahl von Ausnehmungen 17 dargestellt. Beispielsweise umfassen die Ausnehmung 17 bzw. die Vielzahl von Ausnehmungen 17 bzw. die Stressrelease-Struktur zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften ein oder mehrere ineinanderliegende unterbrochene Ringstrukturen. Diese Ringstrukturen überschneiden sich beispielsweise nicht bzw. zumindest teilweise mit dem Aufschmelzbereich 21 bzw. mit dem absorbierenden Teil 21 bzw. reichen in den Aufschmelzbereich 21 bzw. in den absorbiereden Teil 21 hinein.
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In 7 sind beispielhaft zwei weitere mögliche Ausbildungen der Ausnehmung 17 dargestellt. Beispielsweise umfasst hier die Ausnehmung 17 eine um den Aufschmelzbereich 21 bzw. den absorbierenden Teil 21 verlaufende Ringstruktur sowie speichenartig bzw. radial zur Mitte bzw. zum Massenmittelpunkt des Aufschmelzbereichs 21 verlaufende und mit der Ringstruktur verbundene Gräben. Hierbei reichen die Gräben beispielsweise lediglich teilweise in den absorbierenden Teil 21 hinein und sind zumindest teilweise außerhalb des absorbierenden Teils 21 angeordnet. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die Gräben im Bereich der Zugangsöffnung 11 miteinander verbunden ausgebildet sind. In anderen Worten können sich die Gräben in der Mitte treffen oder vorzugsweise vorher enden. Beispielsweise ist ferner unter Einbeziehung aller Toleranzen sicher zu stellen, dass die Enden innerhalb des Aufschmelzbereichs 21 liegen. Des Weiteren ist in 7 eine weitere mögliche Ausbildung einer Vielzahl weiterer Ausnehmungen 17 dargestellt. Hierbei sind eine Vielzahl von Einzelstrukturen 17 in und um den Aufschmelzbereich 21 angeordnet, die das Material elastischer machen und durch die matrix-artige Anordnung tolerant für Justageversätze sind. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Einzelstrukturen 17 aus Vier-, Sechs- oder Achtecken oder eine Kombination daraus ausgebildet sind.
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8 zeigt beispielhaft eine weitere mögliche Ausbildung der Ausnehmung 17. Hierbei umfasst die Ausnehmung 17 beispielsweise eine ringförmige Struktur oder mehrere ringförmig ausgeformte und innerhalb des Aufschmelzbereichs 21 um den Zugangskanal 11 angeordnete Einzelstrukturen. Hierbei ist die Tiefe der Ausnehmung 17 bzw. Struktur bzw. die Erstreckung der Ausnehmung 17 senkrecht zu der Oberfläche 19 größer als die Erstreckung des absorbierenden Teils 21 bzw. als die Aufschmelztiefe. Somit ist es möglich, dass nachdem ein im Bereich des absorbierenden Teils 21 erstarrter Materialbereich nach dem Aufschmelzen des Materialbereichs ein ringförmiger Hohlraum 301 oder mehrere ringförmig um den Zugangskanal 11 angeordnete Hohlräume 301 unterhalb der Aufschmelzung symmetrisch um den Zugangskanal 11 ausgebildet sind bzw. verbleiben. Durch diese Hohlräume 301 kann Stress bzw. mechanische Spannung im Bereich der Unterseite des Zugangslochverschlusses bzw. auf einer der ersten Kaverne 5 zugewandten Seite des absorbierenden Teils 21 abgebaut werden. Beispielsweise ist hierbei die Breite bzw. eine Erstreckung der Ausnehmung 17 derart ausgebildet, dass beispielsweise der Laser im dritten Verfahrensschritt 103 den Ätzgrund bzw. eine Grenzfläche zwischen der Ausnehmung 17 und der Kappe 7 nicht erreicht bzw. dass der Laser den Ätzgrund bzw. die Grenzfläche nicht bestrahlt. Alternativ ist auch vorgesehen, dass der Einfallwinkel des Laserstrahls im dritten Verfahrensschritt 103 derart eingestellt wird, dass der Laserstrahl bzw. Laserpuls nicht senkrecht auf die Ausnehmungsoberfläche bzw. auf die Grenzfläche zwischen der Ausnehmung 17 und der Kappe 7 auftrifft.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beispielsweise optional die Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen mit Stressrelease-Strukturen bzw. weiteren Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen außerhalb des Aufschmelzbereichs 21 bzw. des absorbierenden Teils 21 kombiniert werden. Unterschiedliche Ätztiefen können hierbei beispielsweise mit Hilfe des aspect ratio dependent etch (rate) (ARDE)-Effekts realisiert werden.
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Schließlich zeigt 9 Ausnehmungen 17, wobei die Ausnehmungen 17 jeweils einen isotropen Bereich 303 umfassen. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass der isotrope Bereich 303 insbesondere auf einer der Oberfläche 19 abgewandten Seite der Ausnehmung 17 angeordnet ist. Beispielsweise werden die in 9 dargestellten Ausnehmungen 17 bzw. Strukturen derart geätzt, dass am Ende der Ätzung bzw. auf einer der ersten Kaverne 5 zugewandten Seite der Ausnehmung 17 ein isotroper Ätzschritt erfolgt, wodurch am Ätzgrund eine Hinterschneidung 305 entsteht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Hinterschneidung 305 derart ausgebildet ist, das sich die Hinterschneidung 305 im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 19 erstreckt bzw. im Vergleich zu der restlichen Ausnehmung 17 parallel zu der Oberfläche zumindest teilweise in die Kappe 7 hineinragt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/120939 A1 [0002, 0003, 0004]
