DE102015224545A1

DE102015224545A1 - Verfahren zum Herstellen eines mikromechanisches Bauelements

Info

Publication number: DE102015224545A1
Application number: DE102015224545.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Jan-Peter Stadler; Jochen Reinmuth; Achim Breitling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08
Also published as: TW201722844A; KR20180090332A; US10384932B2; US20180339900A1; WO2017097468A1; TWI690481B; CN108367913B; CN108367913A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines MEMS-Wafers (20) und eines Kappenwafers (10); – Ausbilden von mikromechanischen Strukturen (23, 24) im MEMS-Wafer (20) für wenigstens zwei Sensoren (S1, S2); – Hermetisches Verschließen des MEMS-Wafers (20) mit dem Kappenwafer (10); – Ausbilden eines ersten Zugangslochs (12) in eine erste Kaverne eines ersten Sensors (S1); – Einbringen eines definierten ersten Drucks in die Kaverne des ersten Sensors (S1) über das erste Zugangsloch (12); – Verschließen des ersten Zugangslochs (12); – Ausbilden eines zweiten Zugangslochs (13) in eine zweite Kaverne eines zweiten Sensors (S2); – Einbringen eines definierten zweiten Drucks in die Kaverne des zweiten Sensors (S2) über das zweite Zugangsloch (13); und – Verschließen des zweiten Zugangslochs (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements. Die Erfindung betrifft ferner ein mikromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
Mikromechanische Sensoren zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Insbesondere in der Consumer-Elektronik sind eine kostengünstige Fertigung und eine Miniaturisierung der Bauelemente erwünscht. Dabei ist insbesondere eine Erhöhung der Integrationsdichte (d.h. eine Realisierung von mehr Funktionalität auf gleichem Bauraum) von MEMS-Sensoren angestrebt. Zu diesem Zweck werden vermehrt ein Drehraten- und ein Beschleunigungssensor auf einem gemeinsamen Chip angeordnet.
Eine der Herausforderungen bei kombinierten Drehraten- und Beschleunigungssensoren liegt in den unterschiedlichen bevorzugten Innendrücken, unter denen die Sensoren betrieben werden sollen. Idealerweise wird ein Drehratensensor bei einem guten Vakuum, typischerweise bei ca. 0,1 mbar bis ca. 2 mbar betrieben, während ein Beschleunigungssensor zumindest kritisch gedämpft sein sollte und daher typischerweise bei Innendrücken oberhalb von ca. 100 mbar betrieben werden sollte. Der gleichzeitige Betrieb von Drehraten- und Beschleunigungssensor auf einem Chip legt daher nahe, in einem hermetisch verkappten Chip zwei getrennte Kavernenvolumina mit unterschiedlichen Innendrücken auszubilden.
Verschiedene Herstellungsverfahren zum Einstellen von zwei Kavernen mit unterschiedlichen Innendrücken sind bereits bekannt. Ein geeignetes Verfahren ist z.B. das Aufbringen eines Gettermaterials in der Kaverne des Drehratensensors, wie zum Beispiel aus US 8 546 928 B2 bekannt. Anschließend erfolgt ein Waferbonden zwischen MEMS-Wafer und Kappenwafer bei hohem Innendruck (geeignet für den Beschleunigungssensor). Nach dem oder beim hermetischen Verschließen wird über einen Temperaturschritt der Getter chemisch aktiviert und bewirkt einen massiv reduzierten Innendruck in der Kaverne des Drehratensensors.
Weitere bekannte Verfahren sind so genannte Resealtechniken, wie beispielsweise aus US 2010/0028618 A1 bekannt, bei denen nach dem Waferbonden (oder Verschluss mittels einer Dünnschichtverkappungstechnologie) eine der Kavernen geöffnet, ein geeigneter Innendruck eingestellt und die Kaverne anschließend wieder verschlossen wird. Es ist dabei entweder möglich, die Kavernen zunächst bei niedrigem Innendruck zu verschließen und anschließend die Beschleunigungssensorkaverne zu öffnen, mit hohem Innendruck zu beaufschlagen und anschließend zu verschließen, oder aber nach dem initialen Verschluss bei hohem Innendruck die Drehratensensorkaverne zu öffnen, zu evakuieren und bei niedrigem Innendruck zu verschließen. Der Verschluss kann beispielsweise über eine Dünnschichtabscheidung, zum Beispiel eine Oxid- oder Metallabscheidung oder aber auch über einen so genannten Laserreseal erfolgen, bei dem ein oberflächennaher Umgebungsbereich um ein Zugangsloch durch lokalen Wärmeeintrag mittels eines Lasers lokal aufgeschmolzen und damit das Zugangsloch verschlossen wird, wie zum Beispiels aus WO 2015/120939 A1 bekannt.
Weitere Möglichkeiten zum Einschluss unterschiedlichen Innendrücke sind zum Beispiel in US 2012/0326248 A1 offenbart.
Das Einstellen geeigneter Innendrücke für Beschleunigungs- und Drehratensensor wird dadurch erschwert, dass Beschleunigungssensoren, die im allgemeinen im Vergleich zu Drehratensensoren wesentlich kleinere Federsteifigkeiten und damit auch kleinere Rückstellkräfte aus den mechanischen Anschläge aufweisen, ein so genanntes anti-stiction-coating (ASC) zur Vermeidung von „Kleben“ bzw. Haftreibung (engl. stiction) benötigen. Das ASC wird typischerweise vor dem Waferbonden aufgebracht und bildet eine Teflonähnliche Monolage auf den Siliziumoberflächen aus. Die unerwünschten Adhäsionskräfte zwischen beweglicher Struktur und mechanischen Anschlägen können dadurch deutlich reduziert werden. Bei einem Drehratensensor ist ASC dagegen aufgrund der sehr viel höheren mechanischen Steifigkeit nicht nur überflüssig, sondern beim Einstellen eines niedrigen Kavernendrucks sogar kontraproduktiv.
Typischerweise erfolgen Standard-Bondverfahren wie Glass-Frit-Bonden oder auch eutektisches Bonden (zum Beispiel zwischen Aluminium und Germanium) bei erhöhten Temperaturen von mehr als 400°C. Es ist daher problematisch, einen mit ASC beschichteten Drehratensensor mit diesen Verfahren zu verkappen, da dabei ein Teil der ASC-Moleküle bereits wieder von den Siliziumoberflächen abdampft und den Kaverneninnendruck erhöht.
Dieses Problem kann insbesondere dann verschärft sein, wenn das Kavernenvolumen bei Verwendung eines komplett flachen Kappenwafers, zum Beispiel eines CMOS-Wafers mit integrierter Auswerteschaltung, sehr gering und daher die Teilchendichte der ASC-Moleküle in der Gasphase besonders hoch ist. Zugleich können sich die Anti-Klebe-Eigenschaften der ASC-Schicht in der Kaverne des Beschleunigungssensors aufgrund des teilweisen Abdampfens beim Waferbonden verschlechtern.
Bei anderen bekannten Verschlussverfahren, wie zum Beispiel Aufwachsen einer epitaktischen Dünnschicht-Silizium-Kappe, ist das Temperaturbudget derart hoch, dass das Abscheiden von ASC vor dem Verschluss sinnlos ist, da die ASC-Moleküle bei den hohen Verschlusstemperaturen im Wesentlichen vollständig degradieren bzw. abdampfen. Für den Fall einer Silizium-Dünnschichtverkappung wurde daher das nachträgliche Befüllen des Sensors mit ASC durch ein Zugangsloch und dessen nachträglicher Verschluss mit verschiedenen Abscheideverfahren vorgeschlagen, zum Beispiel in US 7221033 B2 .
DE 10 2014 202 801 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, wobei in zeitlicher Hinsicht zunächst ein Verbindungsprozess zwischen dem MEMS-Element und dem Kappenelement und erst danach ein weiterer Bearbeitungsschritt für das mikromechanische Bauelement durchgeführt wird, wenn nicht mehr die hohe Temperatur des Verbindungsprozesses vorherrscht. Der nachfolgende weitere Bearbeitungsschritt, beispielsweise in Form eines Einbringens eines definierten Innendrucks in einer Kaverne, eines Konditionierens einer Oberfläche von MEMS-Strukturen, usw. kann somit vorteilhaft unter einer niedrigeren Temperatur flexibler und kostengünstiger durchgeführt werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist auch, dass Gase wie H₂ oder leichte Edelgase, wie Helium und Neon bei moderaten Temperaturen von ca. 150° C, die im Feld vorkommen können, durch Oxidschichten und andere Schichten des MEMS-Aufbaus diffundieren können. Die genannten Gase können bei einem Verkappungsprozess aufgrund einer chemischen Reaktion in diesem Prozess entstehen oder aufgrund der hohen Temperatur im Verkappungsprozess aus dem Sensor- oder Kappenwafer ausdiffundieren. In der Kaverne des Beschleunigungssensors wird ein hoher Innendruck eingestellt. Typischerweise werden dazu Gase wie N₂ verwendet, die nicht durch Oxid diffundieren. Die zusätzlichen Gase, die beim Verkappungsprozess entstehen und die durch Oxid diffundieren können, machen im Vergleich zu N₂ nur einen geringen Anteil aus.
Diffundiert das H₂-Gas über Lebensdauer der Sensorvorrichtung aus der Beschleunigungssensorkaverne heraus, ändert sich der Druck in der Beschleunigungssensorkaverne nur geringfügig. Zusätzlich sind Beschleunigungssensoren auch unempfindlich auf kleine Druckänderungen. Kritisch kann jedoch sein, dass ein Anteil des H₂ in die Drehratensensorkaverne diffundieren kann und aufgrund des dort herrschenden geringen Innendrucks und aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Drehratensensors auf Druckänderungen zu Ausfällen des Drehratensensors führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist eine Bereitstellung eines verbesserten mikromechanischen Bauelements mit wenigstens zwei Sensorkavernen mit unterschiedlichen Innendrücken.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen eines MEMS-Wafers und eines Kappenwafers;
– Ausbilden von mikromechanischen Strukturen im MEMS-Wafer für wenigstens zwei Sensoren;
– Hermetisches Verschließen des MEMS-Wafers mit dem Kappenwafer;
– Ausbilden eines ersten Zugangslochs in eine erste Kaverne eines ersten Sensors;
– Einbringen eines definierten ersten Drucks in die Kaverne des ersten Sensors über das erste Zugangsloch;
– Verschließen des ersten Zugangslochs;
– Ausbilden eines zweiten Zugangslochs in eine zweite Kaverne eines zweiten Sensors;
– Einbringen eines definierten zweiten Drucks in die Kaverne des zweiten Sensors über das zweite Zugangsloch; und
– Verschließen des zweiten Zugangslochs.

Auf diese Weise wird vorteilhaft ein sequentielles, d.h. zeitlich nacheinander durchgeführtes Öffnen und Verschließen von Zugangslöchern von unterschiedlichen Sensorkavernen realisiert. Dadurch ist eine Bereitstellung von unterschiedlichen Innendrücken in den Sensorkavernen des mikromechanischen Bauelements vereinfacht. Ferner ist es auf diese Weise möglich, definierte Bearbeitungsschritte für die beiden Sensorkavernen einzeln durchzuführen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement, aufweisend:

– einen MEMS-Wafer; und
– einen Kappenwafer;
– wobei der MEMS-Wafer und der Kappenwafer mittels einer Bondverbindung verbunden sind, wobei wenigstens zwei Sensoren mit unterschiedlichen Innendrücken ausgebildet sind;
– wobei über Zugangslöcher in die Kavernen der beiden Sensoren jeweils ein unterschiedlicher Druck ausgebildet worden ist;
– wobei die Zugangslöcher in die Kavernen der Sensoren nacheinander geöffnet und verschlossen worden sind.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Verbinden des MEMS-Wafers mit dem Kappenwafer aus der Kaverne des zweiten Sensors H₂-haltiges Gas entfernt und ein definiertes Gas in die Kaverne des zweiten Sensors eingefüllt wird. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass H2-haltiges Gas, das aufgrund der beim Bondprozess vorherrschenden Temperatur (ca. 450° C) entsteht, entfernt wird. Dadurch kann es nicht von der Kaverne des zweiten Sensors (Beschleunigungssensor) in die Kaverne des ersten Sensors (Drehratensensor) diffundieren und dort den Druck erhöhen, wodurch eine Effizienz des gesamten Sensors verbessert ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Entfernen des Wasserstoffs aus der Kaverne des zweiten Sensors Sauerstoff und/oder Ozon und/oder ein definiertes Plasma in die Kaverne des zweiten Sensors eingefüllt wird. Dadurch werden unterschiedliche Bearbeitungsschritte für ein Tempern der Sensorkaverne bereitgestellt, mit denen die Sensorkaverne des zweiten Sensors definiert bearbeitet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass im Falle eines Einfüllens mehrerer Medien ein sequentielles Einfüllen jeweils eines Mediums durchgeführt wird. Dadurch wird eine definierte Bearbeitung der Kaverne des zweiten Sensors in mehreren Bearbeitungsschritten ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Kaverne des zweiten Sensors eine Antiklebeschicht eingefüllt wird. Auf diese Weise ist vorteilhaft ermöglich, dass die empfindlichen mikromechanischen Strukturen nicht aneinander haften bzw. miteinander verkleben.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verschließen des MEMS-Wafers mit dem Kappenwafer mittels eines Waferbondverfahrens oder mittels einer Dünnschichtkappe durchgeführt wird. Dadurch sind vorteilhaft unterschiedliche Verschlusstechniken für das Herstellungsverfahren ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Ausbilden wenigstens eines der Zugangslöcher mittels eines Lasers durchgeführt wird. Dadurch ist vorteilhaft ein effizientes, schnelles und kostengünstiges Öffnen der Zugangslöcher ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Ausbilden wenigstens eines der Zugangslöcher mittels eines Trenchprozesses durchgeführt wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine alternative Methode zum Schaffen der Zugangslöcher bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verschließen wenigstens eines der Zugangslöcher mittels eines Lasers durchgeführt wird. Dadurch ist ein effizientes, kostengünstiges und schnelles Verschließen der Zugangslöcher unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verschließen wenigstens eines der Zugangslöcher mittels eines Abscheideprozesses durchgeführt wird. Auf diese Weise wird ein alternatives Verschlussverfahren für die Zugangslöcher bereitgestellt.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor, dass wenigstens eines der Zugangslöcher im MEMS-Wafer oder im Kappenwafer ausgebildet wird. Auf diese Weise ist eine große Vielfalt an Herstellungsmöglichkeiten für das mikromechanische Bauelement unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass als Kappenwafer ein ASIC-Wafer verwendet wird. Auf diese Weise kann eine im ASIC-Wafer vorhandene elektronische Schaltungsinfrastruktur zur Verarbeitung von Sensorsignalen in das mikromechanische Bauelement verlagert werden. Zudem ist dadurch eine Kompaktheit der Kavernen unterstützt, wodurch eine kompakte Bauform des mikromechanischen Bauelements ermöglicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass im MEMS-Wafer Strukturen für einen dritten Sensor ausgebildet werden. Auf diese Weise ist das Verfahren ist eine unterschiedliche Anzahl von Sensoren geeignet, wodurch eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensortopologien realisiert werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
In den Figuren zeigt:
1 eine herkömmliche mittels Lasers verschlossene Kaverne eines mikromechanischen Bauelements;
2–8 Ergebnisse von Verfahrensschritten des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements;
9 eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements mit einer alternativen Ausgestaltung der Zugangslöcher;
10 ein mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement mit einer alternativen Form eines Kappenwafers; und
11 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine bekannte Anordnung für ein mikromechanisches Bauelement mit einer Kaverne, wobei das Verschlussverfahren der Kaverne über einen Laserreseal-Prozess durchgeführt wird. Man erkennt einen MEMS-Wafer 20, der über eine Bondverbindung 30 mit einem Kappenwafers 10 verbunden ist. Auf dem MEMS-Wafer 20 ist eine teilweise bewegliche mikromechanische Struktur 24 ausgebildet, wodurch ein mikromechanischer Sensor, z.B. ein Inertialsensor gebildet wird. Auf einer Oberfläche der mikromechanischen Struktur 24 und im Innenraum der Kaverne ist eine Antiklebeschicht 40 (engl. anti stiction coating, ASC) aufgetragen, die die Funktion hat, die Struktur 24 nicht aneinander haften zu lassen. Das Zugangsloch 12 in den Kappenwafer 10 wird nachträglich mit einem Laser 70 durch das oben beschriebene lokale Aufschmelzen von Substratmaterial verschlossen.
Vorzugsweise ist der erste Sensor ein Drehratensensor und der zweite Sensor ein Beschleunigungssensor. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein kompakter Inertialsensor, insbesondere für den Kraftfahrzeug- oder den Consumer-Elektronik-Bereich realisiert werden.
Die 2 bis 9 zeigen anhand von Querschnittsansichten prinzipiell einen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements 100.
Zunächst erfolgt eine Bereitstellung eines Kappenwafers 10 und eines MEMS-Wafers 20, wobei im MEMS-Wafer 20 vorzugsweise oberflächenmikromechanisch hergestellte Strukturen 23, 24 ausgebildet werden. Dadurch werden ein erster Sensor S1 und ein zweiter Sensor S2 gebildet, wobei der erste Sensor S1 als ein Drehratensensor und der zweite Sensor S2 als ein Beschleunigungssensor ausgebildet sein kann.
Man erkennt jeweils am Kappenwafer 10 und am Substrat- bzw. MEMS-Wafer 20 einen Bondpartner 11, 21, beispielsweise in Form von Aluminium und Germanium. Erkennbar ist am MEMS-Wafer 20 ferner eine Isolationsschicht 22, die vorzugsweise als ein Oxidmaterial ausgebildet ist.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100, wobei der MEMS-Wafer 20 und der Kappenwafer 10 über die Bondverbindung 30 miteinander verbunden sind. Erkennbar ist, dass das mikromechanische Bauelement 100 zwei unterschiedliche Sensoren S1 und S2 mit jeweils einer Sensorkaverne umfasst. Dabei weist der erste Sensor S1 teilweise bewegliche mikromechanische Strukturen 23 und der zweite Sensor S2 teilweise bewegliche mikromechanische Strukturen 24 auf.
Alternativ kann das Verschließen des MEMS-Wafers 20 auch mittels einer Dünnschichtverkappung erfolgen (nicht dargestellt).
In der Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 von 4 ist erkennbar, dass ein erstes Zugangsloch 12 in den Kappenwafer 10 ausgebildet ist. Bevorzugt geschieht dies mittels Laserbohrens mit Hilfe eines Lasers 70, alternativ über einen Trenchprozess. Danach erfolgt ein Evakuieren der Kaverne des ersten Sensors S1.
In 5 ist erkennbar, dass das erste Zugangsloch 12 verschlossen wurde, bevorzugt mittels eines Lasers 70 (engl. laserreseal). Alternativ kann dafür auch ein Schichtabscheideverfahren verwendet werden. Die Reihenfolge des Öffnens und Verschließens der Kavernen der Sensoren S1 und S2 ist im Prinzip austauschbar. Aus Kostengründen ist das Öffnen mit einem Laser 70 gegenüber dem Trenchen die bevorzugte Prozessvariante. Ebenso ist aus Kostengründen der Verschluss der Zugangslöcher 12, 13 mit dem Laser 70 gegenüber anderen Verschlussverfahren die bevorzugte Prozessvariante. Beim Laserverschluss des Beschleunigungssensors kann besonders vorteilhaft die Gassorte und der Druck in der Kaverne sehr flexibel eingestellt werden. Dies ist bei einer Verwendung eines Schichtabscheideverfahrens je nach verwendetem Verfahren (z.B. beim Verschluss mit einem Oxid), nur eingeschränkt möglich.
In der Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 von 6 ist erkennbar, dass in die Kaverne des zweiten Sensors S2 ein zweites Zugangsloch 13 ausgebildet wurde, bevorzugt über Laserbohren, alternativ über Trenchen.
Nunmehr wird in der Kaverne des zweiten Sensors S2 H₂-haltiges Gas entfernt und die Kaverne mit einem geeigneten Druck und einem geeigneten Medium bzw. Gas befüllt. Nach dem genannten Austausch des Gases in der Kaverne des zweiten Sensors S2 kann es günstig sein, das mikromechanische Bauelement 100 mit geöffnetem Zugangskanal zur Kaverne des zweiten Sensors S2 eine gewisse Zeit zu tempern. Dabei kann dies vorteilhaft unter einer Gasatmosphäre erfolgen, mit der bewusst der Abtransport oder die Ausdiffusion der leichten Gase beschleunigt wird oder die mit dem ausdiffundierenden Gas reagiert.
Günstig ist zu diesem Zweck zum Beispiel eine Verwendung von Sauerstoff oder Ozon. Neben reinen Gasen können auch Radikale oder Ionen mittels einer Plasmabehandlung eingesetzt werden. Günstig ist es ferner, wenn die genannten Medien zum Teil in die Oberfläche des MEMS-Elementes eindringen können, um dort mit dem Wasserstoff zu reagieren oder wenn sie an der Oberfläche adsorbieren und dort die Austrittsenergie des im Festkörper gelösten Wasserstoffs reduzieren können. Es können selbstverständlich auch beliebige Kombinationen der genannten Konditionierschritte eingesetzt werden, um das schädliche H₂ haltige Gas effizient auszutreiben.
Durch den beschriebenen, gezielten Austausch des Gases in der Beschleunigungssensorkaverne mit einem „harmlosen“ Gas kann es nicht mehr zu einer Diffusion von leichten Gasen, wie H₂ von der einen zur anderen Kaverne kommen. Ausfälle des Drehratensensors über Lebensdauer können auf diese Art und Weise vermieden werden.
In der Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 von 7 ist erkennbar, dass durch das zweite Zugangsloch 13 in die Kaverne des zweiten Sensors S2 eine Antiklebeschicht 40 eingebracht wurde, die auf die Oberflächen der Kaverne, insbesondere auf die Strukturen 24 aufgebracht ist. Vor dem Verschließen des zweiten Zugangslochs 13 wird auch in der Kaverne des zweiten Sensors S2 ein geeigneter Innendruck eingestellt.
Im Ergebnis wird dadurch die Antiklebeschicht nachfolgend auf den Bondprozess in eine der Sensorkavernen eingebracht, wodurch Materialeigenschaften der Antiklebeschicht auch nach dem Bondprozess weitestgehend erhalten bleiben. Ein aufwendiges Entfernen der Antiklebeschicht von Stellen, an den sie nicht erwünscht ist, ist dadurch vorteilhaft nicht erforderlich.
Das Waferbonden erfolgt auf diese Weise vorteilhaft noch ohne Antiklebeschicht. Es ist bekannt, dass ASC-Moleküle auf dem Bondrahmen das Bondverhalten zum Beispiel beim eutektischen Al-Ge-Bonden stark negativ beeinflussen können. Herkömmlicherweise muss daher die ASC-Schicht am Bondrahmen mittels spezieller Reinigungs- oder Ausheizschritte selektiv vom Bondrahmen entfernt werden. Vorteilhaft entfällt diese Notwendigkeit mit dem vorgeschlagenen Verfahren, wodurch eine Bondhaftung gegenüber der Situation mit ASC-Abscheidung vor dem Waferbonden verbessert sein kann. Die Antiklebeschicht des Beschleunigungssensors wird nicht durch den Hochtemperaturschritt des Verschlussverfahrens (z.B. Waferbonden) degradiert, da sie erst danach aufgebracht wird. Die Antiklebeeigenschaften der Antiklebeschicht bleiben daher vorteilhaft voll erhalten.
Aus der Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 von 8 ist zu erkennen, dass die Kaverne des zweiten Sensors S2 über das zweite Zugangsloch 13 wieder verschlossen wurde, vorzugweise per Laserverschluss mittels des Lasers 70. Alternativ kann für das Verschließen auch ein Schichtabscheideverfahren verwendet werden (nicht dargestellt).
Im Ergebnis repräsentiert die Konfiguration von 8 ein mikromechanisches Bauelement 100, welches zwei getrennte Kavernen mit unterschiedlichen Innendrücken aufweist, wobei in einer der Kavernen eine Antiklebeschicht 40 angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es mit dem beschriebenen Verfahren auch möglich, Zugang zu einer Kaverne eines dritten Sensors und gegebenenfalls noch weiteren Sensoren des mikromechanischen Bauelements auszubilden und bei definierten Drücken zu verschließen (nicht dargestellt).
Die Querschnittsansicht von 9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 100. Man erkennt, dass bei dieser Variante die Zugangslöcher 12, 13 von unten durch das Substrat des MEMS-Wafers 20 geführt sind. Vorteilhaft ergibt dies eine alternative Öffnungs- bzw. Verschlussmöglichkeit der Sensorkavernen.
Vorzugweise werden alle vorgenannten Öffnungs- und Verschlussschritte mittels Laserbearbeitung durchgeführt, da die damit verbundenen Prozessschritte sehr schnell und damit kostengünstig sind.
10 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 100. Bei dieser Variante wird statt eines Kappenwafers 10 ein ASIC-Wafer 50 verwendet, wodurch vorteilhaft eine alternative Möglichkeit zum Verschließen des MEMS-Wafer 20 bereitgestellt wird. Der ASIC-Wafer 50 ist vorzugweise als ein CMOS-ASIC-Wafer mit elektronischer Schaltungsstruktur 52 in Form von Auswerteschaltungen, Digitalschaltungen, Speicher, Schnittstellen, usw. in der Transistorebene ausgebildet. Auf diese Weise ist eine kompakte Bauform des mikromechanischen Bauelements 100 unterstützt. In diesem Fall ist die Erfindung besonders vorteilhaft, da der ASIC-Wafer 50 kein Ausbilden einer tiefen Kappenkaverne und damit nur ein geringes Kavernenvolumen ermöglicht. Man erkennt eine elektrische Durchkontaktierung 51 (engl. through-silicon-vias, TSV), mit der ein elektrischer Kontakt zu der Schaltungsstruktur 52 innerhalb des ASIC-Wafers 50 herstellbar ist.
11 zeigt ein prinzipielles Flussdiagramm eines Ablaufs des vorgeschlagenen Verfahrens.
In einem Schritt 200 werden ein MEMS-Wafer 20 und ein Kappenwafer 10 bereitgestellt.
In einem Schritt 210 werden mikromechanische Strukturen 23, 24 im MEMS-Wafer 20 für wenigstens zwei Sensoren S1, S2 ausgebildet.
In einem Schritt 220 wird der MEMS-Wafer 20 mit dem Kappenwafer 10 hermetisch verschlossen.
In einem Schritt 230 wird ein erstes Zugangsloch 12 in eine erste Kaverne eines ersten Sensors S1 ausgebildet.
In einem Schritt 240 erfolgt ein Einbringen eines definierten ersten Drucks in die Kaverne des ersten Sensors S1 über das erste Zugangsloch 12.
In einem Schritt 250 erfolgt ein Verschließen des ersten Zugangslochs 12.
In einem Schritt 260 wird ein zweites Zugangsloch 13 in eine zweite Kaverne eines zweiten Sensors S2 ausgebildet.
In einem Schritt 270 erfolgt ein Einbringen eines definierten zweiten Drucks in die Kaverne des zweiten Sensors S2 über das zweite Zugangsloch 13.
In einem Schritt 280 wird das zweite Zugangsloch 13 verschlossen.
Vorteilhaft ist die Reihenfolge des Öffnens und Verschließens der Kavernen der Sensoren S1 und S2 frei wählbar.
Vorteilhaft kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren das Waferbonden bzw. das hermetische Verschließen des MEMS-Wafers mit dem Kappenwafer bei beliebigem Innendruck erfolgen, da ohnehin beide Kavernen nachträglich wieder geöffnet und bezüglich Innendruck angepasst werden. Dies ist vorteilhaft, um eine besonders homogene Temperaturverteilung beim Waferbonden bereitzustellen.
Im Ergebnis kann daher der Innendruck des Drehratensensors nicht durch ASC-Moleküle negativ beeinflusst und kann daher sehr niedrig eingestellt werden.
Beim Verschluss mit dem Laser können eine Gassorte und ein Innendruck in der Beschleunigungssensorkaverne flexibel gewählt und an die jeweiligen Applikationsanforderungen angepasst werden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements mit zwei Kavernen mit unterschiedlichen Innendrücken vorgeschlagen, bei dem eine erste Kaverne eines ersten Sensors mit einem definierten ersten Innendruck verschlossen werden kann und bei dem eine zweite Kaverne eines zweiten Sensors mit einem definierten zweiten Innendruck verschlossen wird. Das Verschließen der beiden Zugangslöcher der beiden Kavernen erfolgt sequentiell, so dass dadurch vorteilhaft unterstützt ist, dass eine definierte Bearbeitung der Kavernen der beiden Sensoren ermöglicht ist.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8546928 B2 [0004]
US 2010/0028618 A1 [0005]
WO 2015/120939 A1 [0005]
US 2012/0326248 A1 [0006]
US 7221033 B2 [0010]
DE 102014202801 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines MEMS-Wafers (20) und eines Kappenwafers (10); – Ausbilden von mikromechanischen Strukturen (23, 24) im MEMS-Wafer (20) für wenigstens zwei Sensoren (S1, S2); – Hermetisches Verschließen des MEMS-Wafers (20) mit dem Kappenwafer (10); – Ausbilden eines ersten Zugangslochs (12) in eine erste Kaverne eines ersten Sensors (S1); – Einbringen eines definierten ersten Drucks in die Kaverne des ersten Sensors (S1) über das erste Zugangsloch (12); – Verschließen des ersten Zugangslochs (12); – Ausbilden eines zweiten Zugangslochs (13) in eine zweite Kaverne eines zweiten Sensors (S2); – Einbringen eines definierten zweiten Drucks in die Kaverne des zweiten Sensors (S2) über das zweite Zugangsloch (13); und – Verschließen des zweiten Zugangslochs (13).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Verbinden des MEMS-Wafers (20) mit dem Kappenwafer (10) aus der Kaverne des zweiten Sensors (S2) H₂-haltiges Gas entfernt und ein definiertes Gas in die Kaverne des zweiten Sensors (S2) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei nach dem Entfernen des Wasserstoffs aus der Kaverne des zweiten Sensors (S2) Sauerstoff und/oder Ozon und/oder ein definiertes Plasma in die Kaverne des zweiten Sensors (S2) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei im Falle eines Einfüllens mehrerer Medien ein sequentielles Einfüllen jeweils eines Mediums durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Kaverne des zweiten Sensors (S2) eine Antiklebeschicht eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschließen des MEMS-Wafers (20) mit dem Kappenwafer (10) mittels eines Waferbondverfahrens oder mittels einer Dünnschichtkappe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden wenigstens eines der Zugangslöcher (12, 13) mittels eines Lasers (70) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden wenigstens eines der Zugangslöcher (12, 13) mittels eines Trenchprozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschließen wenigstens eines der Zugangslöcher (12, 13) mittels des Lasers (70) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschließen wenigstens eines der Zugangslöcher (12, 13) mittels eines Abscheideprozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eines der Zugangslöcher (12, 13) im MEMS-Wafer (20) oder im Kappenwafer (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Kappenwafer (10) ein ASIC-Wafer verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im MEMS-Wafer (20) Strukturen für einen dritten Sensor ausgebildet werden.
Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend: – einen MEMS-Wafer (20); und – einen Kappenwafer (10); – wobei der MEMS-Wafer (20) und der Kappenwafer (10) mittels einer Bondverbindung (30) verbunden sind, wobei wenigstens zwei Sensoren (S1, S2) mit unterschiedlichen Innendrücken ausgebildet sind; – wobei über Zugangslöcher (12, 13) in die Kavernen der beiden Sensoren (S1, S2) jeweils ein unterschiedlicher Druck ausgebildet worden ist; – wobei die Zugangslöcher (12, 13) in die Kavernen der Sensoren (S1, S2) nacheinander geöffnet und verschlossen worden sind.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden des MEMS-Wafers (20) mit dem Kappenwafer (10) aus der Kaverne des zweiten Sensors (S2) Wasserstoff entnommen und ein definiertes Gas eingefüllt worden ist.