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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanische Vorrichtung mit einem Substratwafer, mit einer darüber angeordneten Funktionsschicht, welche eine bewegliche mikromechanische Struktur aufweist, und mit einer darüber angeordneten Kappe, mit einer erste Kaverne, welche wenigstens durch den Substratwafer und die Kappe gebildet ist und welche die mikromechanische Struktur enthält.
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Mikromechanische Sensoren zur Messung von Drehrate oder Beschleunigung bestehen aus mindestens einer beweglichen Struktur, die in einer Kaverne von der äußeren Umgebung isoliert ist. Die bewegliche Struktur ist dabei meist in oberflächenmikromechanischer Technologie auf einem Substratwafer gefertigt. Die Kaverne ist gebildet, in dem ein Kappenwafer auf dem Substratwafer angeordnet ist. Mikromechanische Inertialsensoren reagieren naturgemäß empfindlich auf Vibration, Stöße und andere mechanische Einwirkungen von außen. Zur Erfüllung der Anforderung hinsichtlich Vibrationsempfindlichkeit wird deshalb, z.B. eine Aufbau- und Verbindungstechnik verwendet, die durch eine äußere Dämpfungsstruktur den eigentlichen Sensorchip vor Vibrationen schützt. Zur Entkopplung von mechanischem Stress, welcher zur Verbiegung des Sensorchips und damit zu Fehlsignalen führen kann, werden z.B. weiche Kleber verwendet. Diese schränken die Auswahlmöglichkeiten der Aufbau- und Verbindungstechnik in Formen und Materialien weiter ein. Der Verbindungsbereich, d.h. der Dichtrahmen oder Bondrahmen zwischen dem Substratwafer und dem Kappenwafer wird, z.T. durch äußere Medien bedingt, robust ausgelegt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Erfindung soll die eigentliche mikromechanische Vorrichtung auf Waferebene von äußeren mechanischen Einflüssen isolieren.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanische Vorrichtung mit einem Substratwafer, mit einer darüber angeordneten Funktionsschicht, welche eine bewegliche mikromechanische Struktur aufweist, und mit einer darüber angeordneten Kappe, mit einer erste Kaverne, welche wenigstens durch den Substratwafer und die Kappe gebildet ist und welche die mikromechanische Struktur enthält. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die mikromechanische Vorrichtung einen festen Teil und einen beweglichen Teil aufweist, welche miteinander mittels wenigstens einem Federelement beweglich verbunden sind, und wobei die erste Kaverne in dem beweglichen Teil angeordnet ist. Vorteilhaft kann hierdurch die bewegliche mikromechanische Struktur von ihrer Umgebung mechanisch entkoppelt und gedämpft werden, ohne die gesamte mikromechanische Vorrichtung von ihrer Umgebung zu entkoppeln und dämpfen zu müssen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement aus der Funktionsschicht oder auch aus dem Substratwafer oder auch aus der Kappe herausstrukturiert ist. Vorteilhaft kann das Federelement so mit verschiedenen Steifigkeiten, an unterschiedlichen Stellen der mikromechanischen Vorrichtung und mit unterschiedlichen Geometrien ausgelegt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Kaverne in einer zweiten Kaverne angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierbei die erste Kaverne durch die zweite Kaverne von Umwelteinflüssen geschützt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass die zweite Kaverne wenigstens aus dem festen Teil, einem ersten Kappenwafer und einem zweiten Kappenwafer gebildet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. Vorteilhaft kann hierdurch die bewegliche mikromechanische Struktur von ihrer Umgebung mechanisch entkoppelt und auf Waferlevel verpackt und von Umwelteinflüssen abgeschlossen werden.
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Der Sensorchip im Stand der Technik wird vorteilhaft durch Bearbeitung des Chips unterteilt. Somit wird durch einen geeigneten Prozess ein Teil des Chips freigestellt. Es entstehen Federn, die den bisherigen Sensorchip frei bewegen lassen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entsteht mittels zwei zusätzlicher Kappenwafer eine zweite Kaverne, welche die erste Kaverne umschließt. Die beiden Kavernen können eine unterschiedliche Befüllung (z.B. Gase mit verschiedenen Drücken) aufweisen. Die Vibrationsentkopplung durch geeignete Auslegung der Verbindungsfedern, d.h. des wenigstens einen Federelements, bietet Kostenvorteile im Vergleich zur Dämpfung in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Gesamtsystem kann eine günstigere Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) erhalten. Ein höherer Druck in der äußeren im Vergleich zur inneren Kaverne kann dabei die Dämpfung positiv beeinflussen. Durch die federnde Aufhängung wirkt mechanischer Stress nicht mehr bis zum Sensorelement, wodurch eine bessere Stabilität der Sensorsignale zu erreichen ist. In der AVT muss auf die Stressentkopplung weniger Rücksicht genommen werden. Die äußere Kaverne hat eine puffernde Wirkung für Medien, die von außen an den Chip gelangen, bevor diese die Funktionalität des Sensorkerns beeinflussen.
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Zeichnung
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1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne im Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne, welche mikromechanisch entkoppelt ist, in einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 3a und b zeigen schematisch jeweils eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne, welche mikromechanisch mittels verschiedener Federn entkoppelt ist.
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4 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche mikromechanisch entkoppelt und in einer zweiten Kaverne angeordnet ist in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 5a bis c zeigen schematisch jeweils eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche mikromechanisch mittels verschiedener Federn entkoppelt und in einer zweiten Kaverne angeordnet ist.
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Die 6a bis e zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit zwei ineinander geschachtelten Kavernen durch einen Stapel aus vier Wafern.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne im Stand der Technik. Dargestellt ist der schematische Aufbau einer mikromechanischen Vorrichtung 10 in Gestalt eines typischen mikromechanischen Drehraten- oder Beschleunigungssensors. Er besteht aus mindestens einer beweglichen mikromechanischen Struktur 220, die in einer Funktionsebene 200 auf dem Substratwafer 100 hergestellt ist. Die mikromechanische Struktur 220 ist dabei mittels Aufhängefedern 250 beweglich aufgehängt. Ein Kappenwafer 300 schützt diese Struktur gegen die Umwelt. Zwischen dem Kappenwafer 300 und dem Substratwafer 100 ist dabei eine erste Kaverne 400 gebildet, in welcher die bewegliche Struktur 220 angeordnet ist. Der Kappenwafer 300 und der Substratwafer 100 sind mittels eines Dichtungsrahmens 320 miteinander verbunden.
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2 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne, welche mikromechanisch entkoppelt ist, in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zur vorher beschriebenen mikromechanischen Vorrichtung im Stand der Technik weist diese erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung einen festen Teil 20 und einen beweglichen Teil 25 auf, welche mittels wenigstens eines Federelements 350 beweglich miteinander verbunden sind. Die erste Kaverne 400 ist dabei in dem beweglichen Teil 25 angeordnet. In einem Bereich außerhalb eines Dichtungsrahmens 320 der ersten Kaverne 400 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der bewegliche Teil 25 vom festen Teil 20 durch Gräben durch die Schichtstruktur bestehend aus Substrat 100, mikromechanischer Funktionsschicht 200 und Kappe 300 freigestellt. Dabei sind auch federnde Strukturen in Gestalt von Federelementen 350 freigestellt, welche den beweglichen Teil 25 mit dem festen Teil 20 verbinden. Das Substrat 100 ist vorzugsweise ein Substratwafer, insbesondere ein Siliziumwafer. Die Funktionsschicht 200 steht alternativ auch für eine Anordnung von mehreren Schichten. Die Kappe 400 ist in diesem Beispiel ein Kappenwafer. Alternativ kann die Kappe 400 aber auch beispielsweise als Dünnschichtkappe realisiert sein. Alternativ kann die Schichtstruktur auch einen Waferstapel sein.
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Die 3a und b zeigen schematisch jeweils eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne, welche mikromechanisch mittels verschiedener Federn entkoppelt ist. Die Federelemente 350 können aus verschiedenen Ebenen der Schichtstruktur aus Substrat 100, Funktionsschicht 200 und Kappe 300 bestehen; zum Beispiel aus der gesamten Schichtstruktur, bzw. dem gesamten Waferstapel, wie in 3a gezeigt ist. Die Federelemente 350 können beispielsweise auch nur aus der mikromechanischen Funktionsschicht 200 bestehen, wie in 3b gezeigt ist.
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4 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche mikromechanisch entkoppelt und in einer zweiten Kaverne angeordnet ist in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist die erste Kaverne 400, welche in der zweiten Kaverne 500 angeordnet ist. Die zweite Kaverne 500 ist dabei durch einen ersten äußeren Kappenwafer 520 und einen zweiten äußeren Kappenwafer 540 begrenzt. Der erste äußere Kappenwafer 520 ist mittels Abstandshalter 560 am Substrat 100 des festen Teils 20 angeordnet. Der zweite äußere Kappenwafer 540 ist mittels Abstandshalter 560 an der Schicht des festen Teils 20 angeordnet, die am beweglichen Teil 25 die Kappe 300 bildet. Die zwei zusätzlichen Kappen 520, 540 schützen die freigestellte erste Kaverne 400 gegen die Umwelt. Dabei ermöglichen die Abstandhalter 560 eine freie Bewegung der ersten Kaverne 400. Diese Abstandshalter 560 können beispielsweise aus dem Material der Kappe oder aus dem Verbindungsmaterial zum Verbinden der Wafer bestehen, wie beispielsweise aus Sealglas.
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Die 5a, b und c zeigen schematisch jeweils eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche mikromechanisch mittels verschiedener Federn entkoppelt und in einer zweiten Kaverne angeordnet ist. Die Draufsichten sollen beispielhaft mögliche Anordnungen und Struktur der Federelemente 350 darstellen. Das Grundsystem ist in 5a zu sehen. Zur bisher nur vorhandenen inneren beweglichen mikromechanischen Struktur 220, welche mittels Aufhängefedern 250 in der ersten Kaverne 400 angeordnet ist, kommt noch ein zweites Federsystem mit den Federelementen 350, welche den beweglichen Teil 25 mit der ersten Kaverne 400 in der zweiten Kaverne 500 am festen Teil 20 aufhängen. Mögliche Ausgestaltungen der Federelemente sind in den 5b und 5c zu sehen.
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Gemäß 5b können beispielsweise an vier gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Teils 25 mit der ersten Kaverne 400 U-Federn 350 angeordnet sein, welche sich durch die zweiten Kaverne 500 erstrecken und an ihrem anderen Ende mit dem festen Teil 20 verbunden sind.
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5c zeigt eine andere mögliche Anordnung, bei der an vier Seiten des beweglichen Teils 25 mit der ersten Kaverne 400 mit rechteckigem Querschnitt jeweils eine mehrfach abgeknickte Biege-Feder 350 angeordnet ist, deren Länge den freien Zwischenraum in der zweiten Kaverne 500 nutzt.
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Alternativ kann auch nur ein Federelement 350 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Die 6a bis e zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit zwei ineinander geschachtelten Kavernen durch einen Stapel aus vier Wafern.
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Für die Umsetzung der Erfindung in einem möglichen Prozessablauf gibt es mehrere Möglichkeiten. Im Folgenden soll beispielhaft anhand eines bekannten Prozessablaufes für einen bisherigen MEMS-Chip der Ablauf skizziert werden.
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Ausgangsbasis ist ein MEMS-Wafer, mit einer inneren beweglichen Struktur (6a). der MEMS-Wafer 600 weist einen Substratwafer 100 eine Funktionsschicht 200 und einen Kappenwafer 300 auf. Diese bilden die erste Kaverne 400, in der die bewegliche mikromechanische Struktur 220 angeordnet und mittels der Aufhängefedern 250 aufgehängt ist. Die bewegliche mikromechanische Struktur 220 und die Aufhängefedern 250 sind dabei aus der Funktionsschicht 200 herausstrukturiert.
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Von diesem MEMS-Wafer 600 wird zuerst die Kappe 300 von der Oberseite her abgedünnt (6b). Danach wird auf die Kappe 300 der zweite Kappenwafer 540 mittels einem Abstandshalter 560 mit einem Abstand gebondet (6c). Der oder die Abstandshalter 560 können beispielsweise aus dem Material der Kappe oder aus dem Verbindungsmaterial zum Verbinden der Wafer bestehen, wie beispielsweise aus einem Sealglas mit dem auch gebondet wird.
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Von der Unterseite des Substrats 100 her wird nun der bisherige MEMS-Wafer zuerst abgedünnt und dann getrencht (6d). Die Auslegung des MEMS-Wafers muss im Bereich des neuen Trenches durchgehendes Silizium aufweisen, damit der Trench nicht gestoppt wird. Gestoppt wird der Trench in der zweiten Kaverne 500 die bereits zum Teil angelegt und durch den zweiten Kappenwafer 540 begrenzt ist. Durch den Trench wird einerseits der bewegliche Teil 25 mit der ersten Kaverne 400 freigestellt und somit vom festen Teil 20 getrennt. Andererseits werden die Federelemente 350, welche den beweglichen Teil 25 und den festen Teil 20 verbinden, wenigstens teilweise herausstrukturiert. In dem vorliegenden Beispiel, bestehen die Federelemente 350 aus allen drei Schichten des Schichtsystems, nämlich der Kappe 300, der Funktionsschicht 200 und dem Substrat 100. Die Federelemente 350 sind somit nach Einbringen des Trenches bereits vollständig herausstrukturiert.
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Nun wird der erste Kappenwafer 520 auf das Substrat 100 im festen Teil 20 gebondet (6e).
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Optional werden am Ende durch den ersten äußeren Kappenwafer elektrische Bondpads durch trenchen freigestellt (nicht dargestellt).
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist verallgemeinert wenigstens die folgenden Schritte auf:
- (a) Bereitstellen eines MEMS-Wafers 600 mit einem Substratwafer 100, mit einer darüber angeordneten Funktionsschicht 200, welche eine bewegliche mikromechanische Struktur 220 aufweist, und mit einer darüber angeordneten Kappe 300, sowie mit einer erste Kaverne 400, welche wenigstens durch den Substratwafer 100 und die Kappe 300 gebildet ist und welche die mikromechanische Struktur 220 enthält
- (b) Bonden eines zweiten Kappenwafers 540 mittels eines Abstandshalters 560 auf die Kappe 300
- (c) Trenchen des MEMS-Wafers 600 vom Substratwafer 100 her und Ausbilden eines festen Teils 20 und eines beweglichen Teils 25, wobei in dem beweglichen Teil 25 die erste Kaverne 400 angeordnet ist
- (d) Bonden eines ersten Kappenwafers 520 mittels eines weiteren Abstandshalters 560 auf den Substratwafer 100 und Bilden einer zweiten Kaverne 500, in welcher der bewegliche Teil 25 mit der ersten Kaverne 400 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- mikromechanische Vorrichtung
- 20
- fester Teil
- 25
- beweglicher Teil
- 100
- Substrat
- 200
- Funktionsebene
- 220
- bewegliche mikromechanische Struktur
- 250
- Aufhängefedern
- 300
- Kappenwafer
- 320
- Dichtungsrahmen
- 350
- Federelement
- 400
- erste Kaverne
- 500
- zweite Kaverne
- 520
- erster Kappenwafer
- 540
- zweiter Kappenwafer
- 560
- Abstandshalter
- 600
- MEMS-Wafer
