DE102017207453A1 - Micromechanical inertial sensor - Google Patents

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Abstract

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend:
- ein Substrat (10);
- eine auf dem Substrat (10) angeordnete mechanische Funktionsschicht (20) mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse (23); wobei
- die Inertialmasse (23) Bereiche unterschiedlicher Massendichte aufweist, wobei die Inertialmasse (23) wenigstens abschnittsweise ein zweites Material (21) aufweist, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse (23); wobei
- die Inertialmasse (23) von wenigstens einem Expansionsspalt (24) zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien begrenzt ist.

Figure DE102017207453A1_0000
Micromechanical inertial sensor (100), comprising:
a substrate (10);
a mechanical functional layer (20) arranged on the substrate (10) with an inertial mass (23) formed therein; in which
- The inertial mass (23) has regions of different mass density, wherein the inertial mass (23) at least in sections, a second material (21) having a defined higher mass density than a first material of the inertial mass (23); in which
- The inertial mass (23) of at least one expansion gap (24) for compensating for different coefficients of expansion of the two materials is limited.
Figure DE102017207453A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.The invention relates to a micromechanical inertial sensor. The invention further relates to a method for producing a micromechanical inertial sensor.

Stand der TechnikState of the art

Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate sind bekannt und werden in Massenfertigung für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich hergestellt.Micromechanical inertial sensors for measuring acceleration and yaw rate are known and mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors.

Ein Trend geht dabei zu immer kleineren und damit günstigeren Inertialsensoren. Die Signale skalieren unter anderem mit der Inertialmasse der Sensoren und den Rückstellkräften der Federn. Für eine hohe Sensitivität muss die träge Masse hoch und die Federkonstante möglichst klein sein, was jedoch negative Auswirkungen auf die Robustheit der Inertialsensoren haben kann, weil dadurch z.B. eine Klebeneigung erhöht ist. Die Klebeneigung der Oberflächen wird mit fortschreitender Miniaturisierung der Sensoren immer kritischer, da die Oberflächenadhäsionskräfte gleich groß bleiben, während die Rückstellkräfte der Federn geringer ausgelegt werden müssen, um die gleiche Sensitivität der Sensoren zu gewährleisten. Da jedoch grundsätzlich dieselben Überlastfälle von außen auf den Sensor einwirken, wird ein Kleben der Sensoren ohne Zusatzmaßnahmen immer wahrscheinlicher. Die Inertialmasse ergibt sich aus der verwendeten Fläche, der abgeschiedenen Schichtdicke und der spezifischen Materialdichte. Bei abnehmender Fläche muss also entweder die Schichtdicke oder die Materialdichte erhöht oder es müssen alternativ die Federn schmaler und damit weicher ausgelegt werden.One trend is towards smaller and therefore cheaper inertial sensors. Among other things, the signals scale with the inertial mass of the sensors and the restoring forces of the springs. For high sensitivity, the inertial mass must be high and the spring constant must be as small as possible, which, however, may have a negative impact on the robustness of the inertial sensors, because e.g. an adhesion tendency is increased. The tendency of the surfaces to adhere becomes more and more critical as the miniaturization of the sensors progresses, since the surface adhesion forces remain the same, while the restoring forces of the springs have to be reduced to ensure the same sensitivity of the sensors. However, since basically the same overloads act on the sensor from the outside, gluing the sensors without additional measures becomes more and more likely. The inertial mass results from the area used, the deposited layer thickness and the specific material density. As the area decreases, either the layer thickness or the material density must be increased or, alternatively, the springs must be made narrower and thus softer.

Bei den Federbreiten ist man bereits heute in vielen Fällen grenzwertig, denn mit den Federbreiten müssen gleichzeitig die Prozesstoleranzen für die Federbreiten prozesssicher eingeengt werden, damit das Kleben vermieden werden kann. Wolfram hat eine gegenüber Silizium deutlich höhere Dichte (W: 19.250 kgm-3 gegenüber Si: 2.330 kgm-3) und ist darüber hinaus kompatibel mit Halbleiterprozessen. Wegen der vergleichsweise ebenfalls sehr hohen elastischen Konstanten von Wolfram gegenüber Silizium (Elastizitätsmodul W: EW,Young = 411 Gpa gegenüber Elastizitätsmodul Si: ESi,Young = 47 GPa) müssten bei gleichzeitiger Verwendung als Federmaterial geeignete Federn besonders schmal ausgelegt werden, wodurch schon geringfügige Schwankungen der Strukturbreiten bei W-Federn bereits zu großen Parameterstreuungen der Bauelemente führen würde.In the case of the spring widths, it is already borderline in many cases today, because with the spring widths, the process tolerances for the spring widths must at the same time be reliably restricted so that sticking can be avoided. Tungsten has a significantly higher density with respect to silicon (W: 19,250 kgm -3 compared with Si: 2.330 kgm -3), and is also compatible with semiconductor processes. Because of the comparatively likewise very high elastic constants of tungsten compared to silicon (modulus of elasticity W: E W, Young = 411 Gpa versus modulus of elasticity Si: E Si, Young = 47 GPa), suitable feathers would have to be designed to be particularly narrow when used simultaneously as a spring material slight variations in the structural widths of W springs would already lead to large parameter variations of the components.

1 zeigt ein Diagramm mit verschiedenen Materialien und deren Elastizitäts- bzw. Youngs-Modul E in GPa und deren Dichte in Mg/m3. 1 shows a diagram with different materials and their Young's modulus E in GPa and their density in Mg / m 3 .

Aus US 2015/0336790 A1 ist ein vollständig aus Wolfram bestehendes Inertialelement bekannt. Die Herstellung dicker Wolframschichten mittels SputterVerfahren ist sehr kostenintensiv und wegen der zu erwartenden hohen Resonanzstreuungen der Sensoren dürfte die Ausbeute niedrig liegen.Out US 2015/0336790 A1 is known an entirely made of tungsten inertial element. The production of thick tungsten layers by means of sputtering processes is very cost-intensive and, because of the expected high resonance scattering of the sensors, the yield is likely to be low.

US 2016/0178656 A1 offenbart eine siliziumbasierte MEMS-Einrichtung mit Gräben, die mit hochdichtem Metall verfüllt sind. Die MEMS-Einrichtung enthält ein siliziumbasiertes bewegliches MEMS-Sensorelement, wobei eine Vielzahl von Wannen in wenigstens einer Oberfläche des beweglichen MEMS-Sensorelements ausgebildet ist. Die Wannen sind mit wenigstens einem Metall gefüllt, um eine effektive Masse des beweglichen MEMS-Sensorelements zu erhöhen. Das Metall kann dabei Wolfram oder Tantal oder eine Legierung mit Wolfram und Tantal sein. Ungünstig an dieser Anordnung ist, dass sich durch die Einführung des hochdichten Materials mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten über Temperatur der Stresszustand im Sensor verändert, was eine temperaturabhängige Drift des Sensorsignals zur Folge hat und aufwendig kompensiert werden muss. US 2016/0178656 A1 discloses a silicon-based MEMS device with trenches filled with high-density metal. The MEMS device includes a silicon-based movable MEMS sensor element, wherein a plurality of wells are formed in at least one surface of the movable MEMS sensor element. The wells are filled with at least one metal to increase an effective mass of the movable MEMS sensor element. The metal may be tungsten or tantalum or an alloy with tungsten and tantalum. Unfavorable in this arrangement is that changes by the introduction of high-density material with a different thermal expansion coefficient over temperature, the stress state in the sensor, which has a temperature-dependent drift of the sensor signal result and must be compensated consuming.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Sensor mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved micromechanical sensor with a lower temperature dependence of the sensor signal.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:

  • - ein Substrat;
  • - eine auf dem Substrat angeordnete mechanische Funktionsschicht mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse; wobei
  • - die Inertialmasse Bereiche unterschiedlicher Massendichte aufweist, wobei die Inertialmasse wenigstens abschnittsweise ein zweites Material aufweist, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse; wobei
  • - die Inertialmasse von wenigstens einem Expansionsspalt zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien begrenzt ist.
According to a first aspect, the object is achieved with a micromechanical sensor, comprising:
  • a substrate;
  • a mechanical functional layer arranged on the substrate with an inertial mass formed therein; in which
  • the inertial mass has regions of different mass density, wherein the inertial mass has, at least in sections, a second material which has a defined higher mass density than a first material of the inertial mass; in which
  • - The inertial mass is limited by at least one expansion gap to compensate for different expansion coefficients of the two materials.

Dadurch wird vorteilhaft ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, der aufgrund des erhöhten spezifischen Gewichts des hochdichten Metalls gegenüber Silizium eine günstige mechanische Eigenschaft aufweist und eine Kompensation für die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden im Inertialelement genutzten Materialien vorsieht. Dadurch sind im Ergebnis günstige Betriebseigenschaften wie eine geringere Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals des mikromechanischen Sensors unterstützt.This advantageously provides a micromechanical sensor, which due to the increased specific gravity of the high-density metal compared to silicon has a favorable mechanical property and provides compensation for the different expansion coefficients of the two materials used in the inertial element. As a result, favorable operating characteristics such as a lower temperature dependence of the sensor signal of the micromechanical sensor are supported as a result.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:

  • - Bereitstellen eines Substrats;
  • - Anordnen einer mechanischen Funktionsschicht mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse auf dem Substrat, wobei in der Inertialmasse Bereiche unterschiedlicher Massendichte ausgebildet werden, wobei in der Inertialmasse wenigstens abschnittsweise ein zweites Material angeordnet wird, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse; wobei
  • - Angrenzend an die Inertialmasse wenigstens ein Expansionsspalt zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien ausgebildet wird.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor, comprising the steps:
  • - Providing a substrate;
  • Arranging a mechanical functional layer with an inertial mass formed therein on the substrate, wherein regions of different mass density are formed in the inertial mass, wherein in the inertial mass at least partially a second material is arranged, which has a defined higher mass density than a first material of the inertial mass; in which
  • - Is formed adjacent to the inertial mass at least one expansion gap for equalizing different expansion coefficients of the two materials.

Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the micromechanical sensor are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass eine Massendichte des zweiten Materials zwischen ca. viermal und ca. neunmal höher ist als eine Massendichte des ersten Materials der Inertialmasse. Dadurch wird ein günstiges Verhältnis der Massendichten des ersten Materials und des zweiten Materials bereitgestellt, wodurch eine deutlich erhöhte mechanische Sensitivität des mikromechanischen Sensors unterstützt ist.An advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that a mass density of the second material is between approximately four times and approximately nine times higher than a mass density of the first material of the inertial mass. Thereby, a favorable ratio of the mass densities of the first material and the second material is provided, whereby a significantly increased mechanical sensitivity of the micromechanical sensor is supported.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine Massendichte von vorzugsweise > 6 Mg/m3, noch mehr bevorzugt > 8 Mg/m3 aufweist. Dadurch wird in Relation zum Hauptmaterial der Inertialmasse eine günstige Massendichte für das zweite hochdichte Material bereitgestellt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the second material has a mass density of preferably> 6 Mg / m 3 , even more preferably> 8 Mg / m 3 . Thereby, a favorable bulk density for the second high-density material is provided in relation to the main material of the inertial mass.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material der Inertialmasse eines aus Folgendem ist: Wolfram, Tantal, Hafnium, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Molybdän, Nickel oder eine Legierung, die wenigstens eines der genannten Elemente enthält. Dadurch werden vorteilhaft mehrere Realisierungsmöglichkeiten für das zweite hochdichte Material bereitgestellt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the second material of the inertial mass is one of the following: tungsten, tantalum, hafnium, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, molybdenum, nickel or an alloy containing at least one of contains mentioned elements. As a result, several realization possibilities for the second high-density material are advantageously provided.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material in der Inertialmasse schichtartig angeordnet ist. Dadurch können mechanische Eigenschaften der Inertialmasse auf vorteilhafte Weise an spezifische Erfordernisse angepasst werden.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the second material is arranged in a layer in the inertial mass. As a result, mechanical properties of the inertial mass can be advantageously adapted to specific requirements.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichtung des zweiten Materials relativ zu einer Oberfläche der Inertialmasse lateral und/oder vertikal ausgebildet ist. Dadurch werden vorteilhaft mehrere Möglichkeiten zur Anordnung des zweiten hochdichten Materials innerhalb der Inertialmasse bereitgestellt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the layering of the second material is formed laterally and / or vertically relative to a surface of the inertial mass. This advantageously provides several options for arranging the second high-density material within the inertial mass.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors zeichnen sich dadurch aus, dass das zweite Material gitterartig in der Inertialmasse angeordnet ist, oder dass das zweite Material zylinderartig um Durchgangslöcher der Inertialmasse herum angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mechanische Eigenschaften der Inertialmasse vorteilhaft sehr fein auslegen.Further advantageous developments of the micromechanical sensor are distinguished by the fact that the second material is arranged in a grid-like manner in the inertial mass, or that the second material is arranged like a cylinder around through-holes of the inertial mass. In this way, mechanical properties of the inertial mass can advantageously be designed very finely.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material eine definiert höhere Elastizitätskonstante als das erste Material aufweist. Dadurch können Federelemente des Sensors ohne das zweite hochdichte Material ausgestattet sein.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the second material has a defined higher elastic constant than the first material. As a result, spring elements of the sensor can be equipped without the second high-density material.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Same or functionally identical elements have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Merkmalen, technischen Vorteilen und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical sensor result analogously from corresponding features, technical advantages and embodiments relating to the method for producing a micromechanical sensor, and vice versa.

In den Figuren zeigt:

  • 1 ein Diagramm mit spezifischen Materialeigenschaften von unterschiedlichen Materialien;
  • 2 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 3 eine Draufsicht auf eine Inertialmasse der ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführung des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 5 eine Draufsicht auf die Inertialmasse der zweiten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 6 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 7-12 einen Prozessfluss zum Herstellen einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors; und
  • 13 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.
In the figures shows:
  • 1 a diagram with specific material properties of different materials;
  • 2 a cross-sectional view of a first embodiment of the proposed micromechanical sensor;
  • 3 a plan view of an inertial mass of the first embodiment of the proposed micromechanical sensor;
  • 4 a cross-sectional view of a second embodiment of the proposed micromechanical sensor;
  • 5 a plan view of the inertial mass of the second embodiment of the proposed micromechanical sensor;
  • 6 a cross-sectional view of a third embodiment of the proposed micromechanical sensor;
  • 7-12 a process flow for producing an embodiment of the proposed micromechanical sensor; and
  • 13 a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical sensor.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

2 zeigt schematisch eine stark vereinfachte Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. Man erkennt ein erstes Substrat 10, in welchem in einem Bereich 11 Verdrahtungsschichten 12 und Isolationsschichten (z.B. aus polykristallinem Silizium und SiO2) ausgebildet sind. Das Substrat 10 kann dabei ein ASIC-Substrat mit einer vollständigen elektronischen Auswerteschaltung (nicht dargestellt) für Sensorsignale oder ein MEMS-Substrat sein. 2 schematically shows a highly simplified cross-sectional view through a first embodiment of the proposed micromechanical sensor 100 , One recognizes a first substrate 10 in which in one area 11 wiring layers 12 and insulating layers (eg of polycrystalline silicon and SiO 2 ) are formed. The substrate 10 may be an ASIC substrate with a complete electronic evaluation circuit (not shown) for sensor signals or a MEMS substrate.

Eine mechanische Funktionsschicht 20, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist, weist eine Inertialmasse 23 mit darin ausgebildeten beweglichen mikromechanischen Elementen (MEMS-Elemente) 22 auf. Die beweglichen mikromechanischen Elemente 22 der Inertialmasse 23 weisen abschnittsweise ein hochdichtes zweites Material 21, z.B. in Form von Wolfram auf.A mechanical functional layer 20 that on the substrate 10 is arranged, has an inertial mass 23 with movable micromechanical elements (MEMS elements) formed therein 22 on. The mobile micromechanical elements 22 the inertial mass 23 sections have a high density second material 21 , eg in the form of tungsten.

Das zweite hochdichte Material 21 kann auch als Tantal, Hafnium, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Molybdän, Nickel oder als eine Legierung, die wenigstens eines der genannten Elemente enthält, ausgebildet sein. Im Allgemeinen versteht man nachfolgend unter einem „hochdichten“ Material ein Material, das eine um einen Faktor von ungefähr vier bis ungefähr zehn größere Massendichte aufweist als das erste Material der Inertialmasse 23, das in der Regel Silizium ist.The second high-density material 21 may also be in the form of tantalum, hafnium, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, molybdenum, nickel or as an alloy containing at least one of said elements. In general, a "high density" material will be understood below to mean a material having a mass density greater by a factor of about four to about ten than the first material of the inertial mass 23 which is usually silicon.

Man erkennt im Bereich 11 ferner eine optional vorhandene Ätzstoppschicht 13, z.B. in Form von SiCN oder Si-reichem Nitrid. Mittels der Ätzstoppschicht 13 wird ein Angriff der Isolationsschichten und damit ein Unterätzen der Verdrahtungsschichten 12 während eines Opferschicht-Ätzprozesses (z.B. mittels Flusssäuredampf) verhindert.One recognizes in the area 11 Further, an optional existing Ätzstoppschicht 13 , for example in the form of SiCN or Si-rich nitride. By means of the etch stop layer 13 becomes an attack of the insulation layers and thus an underetching of the wiring layers 12 during a sacrificial layer etching process (eg by means of hydrofluoric acid vapor).

Mittels einer z.B. metallischen Bondverbindung 30 ist das erste Substrat 10 eutektisch mit einem Kappensubstrat 40 gebondet.By means of a metallic bond, for example 30 is the first substrate 10 eutectic with a cap substrate 40 bonded.

3 zeigt eine Draufsicht auf die Inertialmasse 23 der ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. Erkennbar ist, dass das zweite, hochdichte Material 21 kreuz- bzw. gitterartig um Durchgangslöcher bzw. Opferschichtätzlöcher 26 der Inertialmasse 23 angeordnet ist. Man erkennt in der Draufsicht von 3 ferner insgesamt vier Expansionsspalte 24, die in lateralen Seitenbereichen der Inertialmasse 23 angrenzend an die Inertialmasse 23 ausgebildet sind, die zur Akkomodation bzw. zur Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials der Inertialmasse 23 und des zweiten Materials 21 der Inertialmasse 23 vorgesehen sind (W: 4.5 × 10-6 K-1 gegenüber Si: 2.6 × 10-6 K-1). Die genannten unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten können bei einem Fehlen der Expansionsspalte 24 dazu führen, dass sich über die Temperatur das mechanische Verhalten der Inertialmasse 23 (z.B. Federkonstante, Stress in den Schichten, usw.) in nachteiliger Weise ändert. 3 shows a plan view of the inertial material 23 the first embodiment of the proposed micromechanical sensor 100 , Visible is that the second, high-density material 21 crosswise or lattice-like around through holes or Opferschichtätzlöcher 26 the inertial mass 23 is arranged. It can be seen in the plan view of 3 furthermore a total of four expansion gaps 24 located in lateral lateral areas of the inertial mass 23 adjacent to the inertial mass 23 are formed, which for accommodation or to compensate for the different expansion coefficients of the base material of the inertial mass 23 and the second material 21 the inertial mass 23 are provided (W: 4.5 × 10 -6 K -1 versus Si: 2.6 × 10 -6 K -1 ). The mentioned different coefficients of expansion can in the absence of the expansion column 24 cause the temperature of the mechanical behavior of the inertial mass 23 (eg spring constant, stress in the layers, etc.) adversely changes.

In der Draufsicht von 3 ist ferner erkennbar, dass die beweglichen MEMS-Elemente 22 im Betrieb des mikromechanischen Sensors 100 als bewegte Elektroden mit Stator-Elektroden 25 zusammenwirken, wodurch bei einer definierten Bewegung der beweglichen MEMS-Elemente 22 ein elektrisches Messsignal des mikromechanischen Sensors 100 generiert wird.In the top view of 3 It can also be seen that the movable MEMS elements 22 during operation of the micromechanical sensor 100 as moving electrodes with stator electrodes 25 interact, resulting in a defined movement of the movable MEMS elements 22 an electrical measurement signal of the micromechanical sensor 100 is generated.

Ferner ist in der Draufsicht von 3 erkennbar, dass in einem Federelement 27 nur das erste Material, nicht jedoch das zweite hochdichte Material 21 vorhanden ist. Dadurch lassen sich die Funktionen „träge Masse“ und „elastische Feder“ des mikromechanischen Inertialsensors durch jeweils geeignete Materialien trennen, wodurch Baugröße und Kosten bei erhöhter Robustheit der Sensoren optimiert sind. Dies ist vor allem aufgrund der Tatsache möglich, dass der Elastizitätsmodul des zweiten hochdichten Materials 21 wesentlich größer ist als der Elastizitätsmodul des Hauptmaterials der mechanischen Funktionsschicht 20 und damit des Federelements 27, wodurch das zweite Material 21 (z.B. W) wesentlich weniger elastisch ist als das Material (z.B. Si) des Federelements 27.Further, in the plan view of 3 recognizable that in a spring element 27 only the first material, but not the second high-density material 21 is available. As a result, the functions "inertial mass" and "elastic spring" of the micromechanical inertial sensor can be separated by suitable materials, whereby size and cost are optimized with increased robustness of the sensors. This is possible mainly because of the fact that the modulus of elasticity of the second high-density material 21 is much larger than the modulus of elasticity of the main material of the mechanical functional layer 20 and thus the spring element 27 , making the second material 21 (eg W) is substantially less elastic than the material (eg Si) of the spring element 27 ,

4 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine zweite Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. 4 shows a cross-sectional view through a second embodiment of the proposed micromechanical sensor 100 ,

5 zeigt eine Draufsicht auf die Inertialmasse 23 der Ausführungsform des mikromechanischen Sensors 100 von 4. Man erkennt in diesem Fall, dass das hochdichte, zweite Material 21 um die Durchgangslöcher 26 der Inertialmasse 23 herum ausgebildet ist, wodurch das hochdichte Material 21 die Opferschichtätzlöcher 26 der Inertialmasse 23 gewissermaßen zylinderartig „ummantelt“. Man erkennt auch in dieser Ausführungsform den Expansionsspalt 24, die in lateralen Seitenabschnitten der Inertialmasse 23 ausgebildet sind, um unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des hochdichten zweiten Materials 21 relativ zum ersten Material („Hauptmaterial“) der Inertialmasse 23 auszugleichen. 5 shows a plan view of the inertial material 23 the embodiment of the micromechanical sensor 100 from 4 , One recognizes in this case that the high-density, second material 21 around the through holes 26 the inertial mass 23 is formed around, creating the high-density material 21 the sacrificial layer etching holes 26 the inertial mass 23 as it were "wrapped in a cylinder". It can be seen in this embodiment, the expansion gap 24 located in lateral lateral sections of the inertial mass 23 are formed to different expansion coefficients of the high-density second material 21 relative to the first material ("main material") of the inertial mass 23 compensate.

6 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. In diesem Fall ist das hochdichte, zweite Material 21 als zwei Zwischenschichten in die mechanische Funktionsschicht 20 und dadurch auch in die Inertialmasse 23 eingebracht („vertikale Schichtung“). Die Anzahl zwei ist in diesem Fall lediglich beispielhaft und es können auch mehr oder weniger Schichten des zweiten Materials 21 in der Inertialmasse 23 ausgebildet sein. Das zweite Material 21 kann dabei entweder ganzflächig oder auf lokale Bereiche der Inertialmasse 23 beschränkt ausgebildet sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine gute Verteilung des hochdichten zweiten Materials 21 innerhalb der Inertialmasse 23 bereitgestellt werden. 6 shows a cross-sectional view of another embodiment of the proposed micromechanical sensor 100 , In this case, the high density, second material 21 as two intermediate layers in the mechanical functional layer 20 and thereby into the inertial mass 23 introduced ("vertical stratification"). The number two is merely exemplary in this case and more or less layers of the second material may also be used 21 in the inertial mass 23 be educated. The second material 21 can be either over the entire area or to local areas of the inertial mass 23 be formed limited. In this way, advantageously, a good distribution of the high-density second material 21 within the inertial mass 23 to be provided.

Eine weitere, nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors 100 sieht vor, dass die Schichtung des zweiten, hochdichten Materials 21 in der Inertialmasse 23 lateral ausgebildet ist („laterale Schichtung“).Another, not shown in figures embodiment of the micromechanical sensor 100 Foresees that the stratification of the second, high-density material 21 in the inertial mass 23 is formed laterally ("lateral stratification").

Anhand der 7 bis 12 wird nachfolgend ein Herstellungsprozess zur Herstellung des mikromechanischen Sensors 100 erläutert.Based on 7 to 12 Subsequently, a manufacturing process for producing the micromechanical sensor 100 explained.

In der Querschnittsansicht von 7 ist dargestellt, dass ein erstes Substrat 10 bereitgestellt wird, gegebenenfalls mit darauf integrierten Verdrahtungsleitungen, optional mit einer vergrabenen Ätzstoppschicht 13 sowie einer Opferschicht 14, zum Beispiel aus SiO2.In the cross-sectional view of 7 It is shown that a first substrate 10 optionally with integrated wiring lines, optionally with a buried etch stop layer 13 as well as a sacrificial layer 14 , for example from SiO 2 .

Die Querschnittsansicht von 8 zeigt ein Aufbringen einer mechanischen Funktionsschicht 20 aus einem ersten Material, zum Beispiel in Form einer PolySilizium-Abscheidung oder alternativ durch Schichttransfer (Aufbringen eines zweiten Substrats mit anschließendem Bonden) auf das Substrat 10.The cross-sectional view of 8th shows an application of a mechanical functional layer 20 of a first material, for example in the form of a poly-silicon deposition or alternatively by layer transfer (application of a second substrate followed by bonding) to the substrate 10 ,

9 zeigt die Anordnung von 8 nach einem Einbringen von Ätzlöchern in die mechanische Funktionsschicht 20 und einem Wiederverfüllen mit einem hochdichten zweiten Material 21 (z.B. Wolfram) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (engl. chemical vapour deposition, CVD), vorzugsweise bis auf die Opferschicht 14 („Einfalten“). Bei der Variante „Schichttransfer“ (nicht dargestellt) werden dabei parallel dazu Vertikalkontakte zur vergrabenen Verdrahtungsschicht 12 hergestellt. Mit diesem Einfalten können mit dünnen Schichtabscheidungen auch dicke Wolframschichten erzeugt werden, wodurch einfach und kostengünstig sehr hohe Massendichten erreicht werden können. 9 shows the arrangement of 8th after introducing etching holes into the mechanical functional layer 20 and refilling with a high density second material 21 (eg tungsten) by means of chemical vapor deposition (CVD), preferably down to the sacrificial layer 14 ( "Folding"). In the variant "layer transfer" (not shown) are parallel to vertical contacts to the buried wiring layer 12 produced. With this folding thin layer deposits can also be used to produce thick tungsten layers, whereby very high mass densities can be achieved simply and inexpensively.

Die Querschnittsansicht von 10 zeigt ein Resultat nach oberflächlich entferntem überschüssigem, hochdichtem zweitem Material 21, z.B. mittels chemisch-mechanischen Polierens (engl. chemical mechanical polishing, W-CMP) oder mittels anisotropen Rückätzens. Die Abscheidedicke des hochdichten zweiten Materials 21 wird derart gewählt (bzw. zuvor die Weite der wieder zu verfüllenden Ätzlöcher), dass sich die zuvor eingebrachten Ätzlöcher oberflächlich verschließen. Im Falle der Herstellung der zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Sensors 100 (siehe 4, 5) werden die Ätzlöcher nicht vollständig verfüllt und werden später direkt für das Opferschichtätzen verwendet.The cross-sectional view of 10 shows a result after superficially removed excess, high density second material 21 , eg by means of chemical-mechanical polishing (W-CMP) or by anisotropic etching back. The deposition thickness of the high density second material 21 is chosen in such a way (or previously the width of the etching holes to be backfilled) that close the previously introduced etching holes superficially. In the case of the production of the second embodiment of the micromechanical sensor 100 (please refer 4 . 5 ), the etch holes are not completely filled and will later be used directly for sacrificial layer etching.

11 zeigt ein Resultat eines optionalen Abscheidens einer Metallisierungsschicht 30a (z.B. in Form von Aluminium) für Bondpads und gegebenenfalls als Bondmetallisierung für die Bondverbindung 30. Zudem erfolgt ein Strukturieren der mechanischen Funktionsschicht 20, wodurch eine Kontur der Inertialmasse 23 bereitgestellt wird und Opferschichtätzlöcher sowie gegebenenfalls Elektroden für den mikromechanischen Sensor 100 bereitgestellt werden. Ferner erfolgt ein Freilegen der mechanischen Funktionsbereiche der Inertialmasse 23 mittels Opferschichtätzen. 11 shows a result of optional deposition of a metallization layer 30a (eg in the form of aluminum) for bond pads and optionally as a bond metallization for the bond 30 , In addition, there is a structuring of the mechanical functional layer 20 , creating a contour of inertial mass 23 is provided and Opferschichtätzlöcher and optionally electrodes for the micromechanical sensor 100 to be provided. Furthermore, the mechanical functional areas of the inertial mass are exposed 23 by sacrificial layer etching.

12 zeigt eine optional mögliche Verkappung der Anordnung von 11 mittels eines Kappenwafers 40 per Waferbonden und freigelegte Bondpads 31. 12 shows an optional possible capping of the arrangement of 11 by means of a cap wafer 40 Wafer bonding and exposed bond pads 31 ,

13 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors. 13 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical sensor.

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Substrats 10 durchgeführt.In one step 200 becomes a provision of a substrate 10 carried out.

In einem Schritt 210 wird ein Anordnen einer mechanischen Funktionsschicht 20 mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse 23 auf dem Substrat 10 durchgeführt, wobei in der Inertialmasse 23 Bereiche unterschiedlicher Massendichten ausgebildet werden, wobei in der Inertialmasse 23 wenigstens abschnittsweise ein zweites Material 21 angeordnet wird, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse 23.In one step 210 becomes a placement of a mechanical functional layer 20 with an inertial mass formed therein 23 on the substrate 10 performed, being in the inertial mass 23 Formed areas of different mass densities being, being in the inertial mass 23 at least in sections, a second material 21 is arranged, which has a defined higher mass density than a first material of the inertial mass 23 ,

In einem Schritt 220 wird angrenzend an die Inertialmasse 23 wenigstens ein Expansionsspalt 24 zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien ausgebildet.In one step 220 becomes adjacent to the inertial mass 23 at least one expansion gap 24 designed to compensate for different expansion coefficients of the two materials.

Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanischer Sensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen, mit dem ein mikromechanische Sensor mit verbesserten Sensiereigenschaften aufgrund von erhöhter Inertialmasse bereitgestellt, wobei durch das Vorsehen wenigstens eines Expansionsspalts unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien berücksichtigt werden.In summary, the present invention proposes a micromechanical sensor and a method for the production thereof, with which a micromechanical sensor with improved sensing properties due to increased inertial mass is provided, whereby by providing at least one expansion gap, different coefficients of expansion of the materials used are taken into account.

Im Ergebnis können dadurch vorteilhaft Inertialsensoren wesentlich kleiner gebaut werden bzw. sind bei gleicher Baugröße wesentlich empfindlicher bzw. robuster. Vorteilhaft können in der Halbleiterfertigung bereits vorhandene Materialien verwendet werden, wodurch vorteilhaft keine Einführung von weiteren exotischen Materialien erforderlich ist.As a result, advantageously inertial sensors can be built much smaller or are much more sensitive or robust with the same size. Advantageously, already existing materials can be used in semiconductor manufacturing, which advantageously no introduction of other exotic materials is required.

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.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 2016/0178656 A1 [0007]US 2016/0178656 A1 [0007]

Claims (10)

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend: - ein Substrat (10); - eine auf dem Substrat (10) angeordnete mechanische Funktionsschicht (20) mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse (23); wobei - die Inertialmasse (23) Bereiche unterschiedlicher Massendichte aufweist, wobei die Inertialmasse (23) wenigstens abschnittsweise ein zweites Material (21) aufweist, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse (23); wobei - die Inertialmasse (23) von wenigstens einem Expansionsspalt (24) zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien begrenzt ist.Micromechanical inertial sensor (100), comprising: a substrate (10); a mechanical functional layer (20) arranged on the substrate (10) with an inertial mass (23) formed therein; in which - The inertial mass (23) has regions of different mass density, wherein the inertial mass (23) at least in sections, a second material (21) having a defined higher mass density than a first material of the inertial mass (23); in which - The inertial mass (23) of at least one expansion gap (24) for compensating for different coefficients of expansion of the two materials is limited. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Massendichte des zweiten Materials (21) zwischen ca. viermal und ca. neunmal höher ist als eine Massendichte des ersten Materials der Inertialmasse (23).Micromechanical inertial sensor (100) after Claim 1 , characterized in that a mass density of the second material (21) is between about four times and about nine times higher than a mass density of the first material of the inertial mass (23). Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) eine Massendichte von vorzugsweise > 6 Mg/m3, noch mehr bevorzugt > 8 Mg/m3 aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) after Claim 1 or 2 , characterized in that the second material (21) has a bulk density of preferably> 6 Mg / m 3 , more preferably> 8 Mg / m 3 . Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) der Inertialmasse (23) eines aus Folgendem ist: Wolfram, Tantal, Hafnium, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Molybdän, Nickel oder eine Legierung, die wenigstens eines der genannten Elemente enthält.A micromechanical inertial sensor (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the second material (21) of the inertial mass (23) is one of: tungsten, tantalum, hafnium, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, molybdenum, nickel or an alloy containing at least one of said elements. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) in der Inertialmasse (23) schichtartig angeordnet ist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second material (21) in the inertial mass (23) is arranged in layers. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtung des zweiten Materials (21) relativ zu einer Oberfläche der Inertialmasse (23) lateral und/oder vertikal ausgebildet ist.Micromechanical inertial sensor (100) after Claim 5 , characterized in that the lamination of the second material (21) is formed laterally and / or vertically relative to a surface of the inertial mass (23). Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) gitterartig in der Inertialmasse (23) angeordnet ist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second material (21) is arranged like a lattice in the inertial mass (23). Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) zylinderartig um Durchgangslöcher (26) der Inertialmasse (23) herum angeordnet ist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second material (21) is arranged in a cylinder-like manner around through holes (26) of the inertial mass (23). Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) eine definiert höhere Elastizitätskonstante als das erste Material aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second material (21) has a defined higher elastic constant than the first material. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (10); - Anordnen einer mechanischen Funktionsschicht (20) mit einer darin ausgebildeten Inertialmasse (23) auf dem Substrat (10), wobei in der Inertialmasse (23) Bereiche unterschiedlicher Massendichte ausgebildet werden, wobei in der Inertialmasse (23) wenigstens abschnittsweise ein zweites Material (21) angeordnet wird, das eine definiert höhere Massendichte aufweist als ein erstes Material der Inertialmasse (23); wobei - angrenzend an die Inertialmasse (23) wenigstens ein Expansionsspalt (24) zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien ausgebildet wird.A method of manufacturing a micromechanical inertial sensor (100), comprising the steps of: - Providing a substrate (10); - Arranging a mechanical functional layer (20) with an inertial mass (23) formed therein on the substrate (10), wherein in the inertial mass (23) regions of different mass density are formed, wherein in the inertial mass (23) at least partially a second material (21 ) having a defined higher mass density than a first material of the inertial mass (23); in which - Is formed adjacent to the inertial mass (23) at least one expansion gap (24) for equalizing different expansion coefficients of the two materials.
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