DE102017210459A1

DE102017210459A1 - Mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne

Info

Publication number: DE102017210459A1
Application number: DE102017210459.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Rambach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: TWI771434B; TW201905462A; CN109110725B; US10501311B2; CN109110725A; US20180370791A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer ersten Kaverne (10), welche ein MEMS-Element (15) aufweist, und mit einer zweiten Kaverne (20).Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die zweite Kaverne (20) mit der ersten Kaverne (10) mittels eines Verbindungskanals (30) verbunden ist, wobei der Verbindungskanal (30) einen Verschluss (40) aufweist, durch welchen die erste Kaverne (10) und die zweite Kaverne (20) hermetisch voneinander abgeschlossen sind, wobei der Verschluss (40) elektrisch zu öffnen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche ein MEMS-Element aufweist, und mit einer zweiten Kaverne.
MEMS Elemente benötigen zur ordnungsgemäßen Funktion eine definierte Umgebung. Dies betrifft insbesondere den umgebenden Druck. Besonders, aber nicht nur, für Drehratensensoren ist ein geringer umgebender Druck notwendig, der über die Lebensdauer des Sensors stabil bleibt, unabhängig von Umwelteinflüssen.
Nach dem Stand der Technik kann ein Gettermaterial Verwendung finden, um den Druck in der Kaverne eines Sensors einzustellen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf einem Chip mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Kavernendrücken hergestellt werden sollen, z.B. Kombi-Element aus Beschleunigungs- und Drehratensensor. Hierbei wird in die Kaverne des Sensors mit geringerem Druck, z.B. Drehratensensor, ein Gettermaterial eingebracht. Nachteilig ist, dass die Aktivierung des Getters thermisch während des Bondvorgangs stattfindet. Somit ist keine getrennte Optimierung des Bondvorgangs und der Getteraktivierung möglich.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung des Getters als Stabilisator des Kavernendrucks über Lebensdauer. Hierzu wird ein Gettermaterial in eine Kaverne eingebracht, wobei sich die Aufgabe des Getters auf die Adsorption von Ausgasungen aus dem Sensor und/oder der Kappe beschränkt. Auch hier wird das Gettermaterial thermisch aktiviert.
Wesentliche Gettermaterialien und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise in den Schriften EP1410433 , EP1412550 und EP1869696 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne zu schaffen, deren atmosphärischer Innendruck steuerbar ist.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer ersten Kaverne, welche ein MEMS-Element aufweist, und mit einer zweiten Kaverne.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die zweite Kaverne mit der ersten Kaverne mittels eines Verbindungskanals verbunden ist, wobei der Verbindungskanal einen Verschluss aufweist, durch welchen die erste Kaverne und die zweite Kaverne hermetisch voneinander abgeschlossen sind, wobei der Verschluss elektrisch zu öffnen ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Kaverne ein Gettermaterial enthält. Vorteilhaft lässt sich die Sorption von Gasen vergrößern, indem zusätzlich ein geeignetes Gettermaterial in die zweite Kaverne eingebracht ist, und verschieden von einem Wandmaterial der zweiten Kaverne ist. Besonders vorteilhaft ist das Gettermaterial auf einer inneren Oberfläche der zweiten Kaverne angeordnet und bildet dort eine Beschichtung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Kaverne eine Strukturierung einer inneren Oberfläche aufweist. Vorteilhaft lässt sich so die innere Oberfläche vergrößern, an der eine Sorption von Gasen stattfinden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene aufweist und dass die erste Kaverne und die zweite Kaverne in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene wenigstens teilweise überlappend angeordnet sind. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise die Grundfläche der mikromechanischen Vorrichtung in der Haupterstreckungsebene gering halten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene sowie einen Bondrahmen und eine Kappe parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist und dass der Bondrahmen und die zweite Kaverne in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene wenigstens teilweise überlappend angeordnet sind. Vorteilhaft lässt sich auch auf diese Weise die Grundfläche der mikromechanischen Vorrichtung in der Haupterstreckungsebene gering halten, indem der sonst ungenutzte Raum unter dem Bondrahmen ein Volumen für die zweite Kaverne bildet.
Diese Erfindung erlaubt die Einstellung eines Kavernendrucks durch Verwendung eines elektrisch aktivierbaren Getters. Die Erfindung kann auch verwendet werden, um einen Kavernendruck über Lebensdauer zu stabilisieren, z.B. wenn der Kavernendruck durch Laser Reseal eingestellt wird und Druckänderungen durch Ausgasungen aus dem Sensor oder auch der Kappe eliminiert werden sollen. Dies ist möglich, da die Einstellung des Innendrucks mit einem anderen Gas möglich ist (z.B. N2, Ar), als das aus dem Sensor und/oder Kappe austretende Gas (z.B. H2). Hierbei wird die Selektivität des Gettermaterials bezüglich unterschiedlichen Gasen ausgenutzt. Alternativ kann eine Pluralität von Kavernen verwendet werden, die bei Bedarf zugeschaltet werden.
Aus technischer Sicht bietet die vorliegende Erfindung weitreichende Möglichkeiten, um den Innendruck in Kavernen einzustellen und darüber hinaus über Lebensdauer zu stabilisieren. Dies wird erreicht, indem ein Gettermaterial verwendet wird, dass jedoch nicht thermisch, sondern elektrisch aktiviert wird. Die wesentlichen Vorteile liegen in der Entkopplung der Getteraktivierung zu weiteren Prozessschritten, insbesondere zu dem Bondprozess von Sensor und Kappe.
Figurenliste

1 a bis c zeigen in einem ersten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit geöffnetem Verschluss.
3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit drei Verbindungskanälen und drei Verschlüssen.
4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne und zwei zweiten Kavernen.
5 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Strukturierung einer inneren Oberfläche der zweiten Kaverne.
6 zeigt in einem fünften Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer zweiten Kaverne, welche ein Gettermaterial enthält.
7 a und b zeigen in einem sechsten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit zwei zweiten Kavernen, welche zumindest teilweise unter einem Bondrahmen angeordnet sind.

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung verwendet eine elektrische Aktivierung des Getters durch eine Änderung einer Diffusionsbarriere (im Folgenden „Verschluss“ genannt) zwischen mindestens zwei Kavernen. Hierbei wird zusätzlich zu einer ersten Kaverne, insbesondere einer Sensorkaverne, mindestens eine zweite Kaverne für den Getter angelegt. Die zweite Kaverne oder Getter-Kaverne ist geschlossen und besitzt einen kleineren Innendruck als die erste Kaverne oder Sensor-Kaverne. Die Sensor Kaverne ist mit der Getter Kaverne über mindestens einen Verbindungskanal miteinander verbunden, der jedoch geschlossen ist. Der Verschluss dieses Verbindungskanals ist mit elektrischen Kontakten verbunden, so dass durch ein Anlegen einer äußeren Spannung ein Strom über diesen Verschluss fließen kann. Fließt ein ausreichend großer Strom durch den Verschluss, so erhitzt sich dieser und ändert seine Eigenschaft als Diffusionsbarriere. Dies kann z.B. durch ein Öffnen des Verschlusses durch eine Verformung geschehen. Durch eine solche Verformung wird der Kanal geöffnet, so dass nun die Sensor Kaverne und die Getter Kaverne miteinander verbunden sind.
Es kann sich jedoch auch die Struktur des Verschlusses derart ändern, dass der Verschluss nicht mehr als Diffusionsbarriere zwischen Sensor Kaverne und Getter Kaverne wirksam ist. Dies wird zum Beispiel erreicht indem der Verschluss durch Anlegen eines Stromes seine Porosität ändert.
Als Material für den Verschluss können sowohl Halbleitermaterialien in einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Struktur, zum Beispiel Silizium oder Germanium, als auch Metalle verwendet werden, beispielsweise Aluminium. Bevorzugt wird Polysilizium verwendet.
Es können auch mehrere Getter-Kavernen an eine Sensor-Kaverne durch unabhängige Verschlüsse miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann in der Sensor-Kaverne des Sensor-Elements bei einer Detektion eines Druckanstiegs in der Sensor-Kaverne durch Öffnen eines Verschlusses zu einer Getter-Kaverne der Druck in der Sensor-Kaverne reduziert werden. Werden mehrere Getter-Kavernen mit einer Sensor-Kaverne durch unabhängige Verschlüsse miteinander verbunden, so können die einzelnen Getter-Kavernen individuell und zeitlich unabhängig durch Öffnen des jeweiligen Verschlusses in Verbindung zu der Sensor-Kaverne gebracht werden. Dies kann die Stabilität eines Sensor-Elements über Lebensdauer verbessern. Die Detektion des Innendrucks des Sensor-Elements und das Öffnen eines Getter-Verschlusses werden durch den Auswerte-ASIC, der unabhängig von dieser Funktionalität zur Auswertung der Sensor-Signale vorhanden ist, durchgeführt.
Die Getter-Kaverne kann flächenneutral in das Sensorelement integriert werden. Dies ist möglich, indem die Getter-Kaverne vollständig oder teilweise unter den Bondrahmen gelegt wird, siehe ausführliche Beschreibung unten.
Realisierungsmöglichkeiten mit einer Sensor-Kaverne, mehreren Verbindungskanälen und mehreren Getter-Kavernen sind in den 1 bis 4 dargestellt. Das Volumenverhältnis zwischen Getter-Kaverne zu Sensor-Kaverne kann kleiner Eins, größer Eins oder gleich Eins sein. In den 1 - 4 ist das Volumenverhältnis Getter-Kaverne zu Sensor-Kaverne beispielhaft jeweils mit kleiner Eins dargestellt.
Die 1 a bis c zeigen in einem ersten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung.
1a zeigt dabei eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne 10, welche ein MEMS-Element 15 aufweist, und mit einer zweiten Kaverne 20. Die beiden Kavernen sind hermetisch dicht von der Umgebung abgeschlossen. Das MEMS Element benötigt einen bestimmten Arbeitsdruck. Die zweite Kaverne 20 ist mit der ersten Kaverne 10 mittels eines Verbindungskanals 30 verbunden. Der Verbindungskanal 30 weist einen Verschluss 40 auf, durch welchen die erste Kaverne 10 und die zweite Kaverne 20 hermetisch voneinander abgeschlossen sind. Der Verschluss 40 ist elektrisch zu öffnen. Er weist dafür elektrische Kontaktierungen 45 auf. Die zweite Kaverne hat die Fähigkeit als Getter für die erste Kaverne zu fungieren, indem sie vor dem Öffnen des Verschlusses einen geringeren Innendruck als die erste Kaverne aufweist. Darüber hinaus wirken die inneren Oberflächen der zweiten Kaverne als Getter um Gase zu adsorbieren.
1b zeigt im Querschnitt die mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne 10, einer zweiten Kaverne 20 und einem geschlossenen Verbindungskanal 30 mit Verschluss 40, vor Aufbringung einer Kappe 80 zum Verschließen der Kavernen.
1c zeigt im Querschnitt die fertige mikromechanische Vorrichtung nach Aufbringung einer Kappe 80 zum Verschließen der Kavernen 10, 20. Die mikromechanische Vorrichtung weist eine Haupterstreckungsebene 60 auf. Die erste Kaverne 10 und die zweite Kaverne 20 sind in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 60 teilweise überlappend angeordnet. Die erste Kaverne 10 erstreckt sich dabei unter der Kappe 80 über den Bereich des Verbindungskanals 30 hinweg und teilweise über die zweite Kaverne 20. Die Kappe 80 ist mittels eines Bondrahmens 70 in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene 60 mit der übrigen mikromechanischen Vorrichtung verbunden. Der Bondrahmen 70 und die zweite Kaverne 20 sind in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 60 teilweise überlappend angeordnet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit geöffnetem Verschluss. Dargestellt ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem nach erfolgtem Stromfluss geöffneten Verbindungskanal 40.
3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit drei Verbindungskanälen 30 und beispielhaft drei geschlossenen Verschlüssen 40.
4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne 10 und zwei zweiten Kavernen 20. Die Draufsicht zeigt zwei zweite Kavernen 20 unterschiedlicher Geometrie, eine erste Kaverne 10 und mehrere geschlossene Verbindungskanäle 30.
Die zweite Kaverne 20 selbst kann weitere Strukturierungen enthalten, um die Sorptionsfähigkeit zu erhöhen. Insbesondere poröse Oberflächen können die Oberfläche vergrößern und damit die Sorptionsfähigkeit verbessern. Das Gettermaterial in der zweiten Kaverne 20 oder Getter Kaverne kann aus unterschiedlichen Materialien sowie Kombinationen daraus bestehen. Besonders geeignet ist Silizium, da dies einfach in der Herstellung ist und durch den verwendeten Prozessfluss für das Sensorelement zur Verfügung steht. Zusätzlich kann die Getter Kaverne und deren Strukturierung mit einem Gettermaterial beschichtet werden, um die Sorptionsfähigkeit zu erhöhen. Realisierungsmöglichkeiten sind in den 5 und 6 dargestellt.
5 zeigt dazu in einem vierten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Strukturierung 24 einer inneren Oberfläche der zweiten Kaverne 20.
6 zeigt in einem fünften Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer zweiten Kaverne, welche ein Gettermaterial 22 enthält. In diesem Beispiel ist außerdem ebenfalls das Merkmal einer Strukturierung 24 einer inneren Oberfläche der zweiten Kaverne 20 verwirklicht.
Um die mikromechanische Vorrichtung durch die zweite Kaverne nicht oder nur so wenig wie möglich zu vergrößern, kann die zweite Kaverne 20 teilweise oder vollständig unter den Bondrahmen 70 gelegt werden. Dies ist möglich, da der Bondrahmen mehrere 10µm Breite aufweist. Bei einer Verlegung der zweiten Kaverne 20 unter den Bondrahmen 70 kann dieser sonst ungenutzte Bereich für die zweite Kaverne Verwendung finden.
Die 7 a und b zeigen in einem sechsten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit zwei zweiten Kavernen 20, welche zumindest teilweise unter einem Bondrahmen 70 angeordnet sind. 7 a zeigt dabei in Draufsicht eine mikromechanische Vorrichtung mit einer zweiten Kaverne 20, die teilweise unter dem Bondrahmen 70 angeordnet ist (links) und mit einer weiteren zweiten Kaverne 20, die vollständig unter dem Bondrahmen 70 angeordnet ist (rechts).
7 b zeigt diese mikromechanische Vorrichtung im Querschnitt
Die zweite Kaverne 20 kann auch umlaufend um die erste Kaverne 10 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: erste Kaverne
15: MEMS-Element
20: zweite Kaverne
22: Gettermaterial
24: Strukturierung einer inneren Oberfläche der zweiten Kaverne
30: Verbindungskanal
40: Verschluss
45: elektrische Kontaktierung
60: Haupterstreckungsebene
70: Bondrahmen
80: Kappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1410433 [0005]
EP 1412550 [0005]
EP 1869696 [0005]

Claims

Mikromechanische Vorrichtung mit einer ersten Kaverne (10), welche ein MEMS-Element (15) aufweist, und mit einer zweiten Kaverne (20), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kaverne (20) mit der ersten Kaverne (10) mittels eines Verbindungskanals (30) verbunden ist, wobei der Verbindungskanal (30) einen Verschluss (40) aufweist, durch welchen die erste Kaverne (10) und die zweite Kaverne (20) hermetisch voneinander abgeschlossen sind, wobei der Verschluss (40) elektrisch zu öffnen ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kaverne (20) ein Gettermaterial (22) enthält.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kaverne (20) eine Strukturierung (24) einer inneren Oberfläche aufweist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene (60) aufweist und dass die erste Kaverne (10) und die zweite Kaverne (20) in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (60) wenigstens teilweise überlappend angeordnet sind.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Vorrichtung eine Haupterstreckungsebene (60) sowie einen Bondrahmen (70) und eine Kappe (80) parallel zur Haupterstreckungsebene (60) aufweist und dass der Bondrahmen (70) und die zweite Kaverne (20) in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (60) wenigstens teilweise überlappend angeordnet sind.