DE102017217151B3 - Micromechanical sensor - Google Patents

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DE102017217151B3
DE102017217151B3 DE102017217151.0A DE102017217151A DE102017217151B3 DE 102017217151 B3 DE102017217151 B3 DE 102017217151B3 DE 102017217151 A DE102017217151 A DE 102017217151A DE 102017217151 B3 DE102017217151 B3 DE 102017217151B3
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Franziska Rohlfing
Christian Doering
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Abstract

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend:- ein Substrat (10) mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur (20); und- eine Dünnschichtkappe (30), die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur (20) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Substrat (10) und der Dünnschichtkappe (30) ein Hohlraum (40) ausgebildet ist;- wobei ein Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe (30) zum Substrat (10) definiert mäanderförmig ausgebildet ist.A micromechanical sensor (100), comprising: - a substrate (10) having at least one MEMS structure (20) disposed thereon; and - a thin film cap (30) formed to hermetically cover the MEMS structure (20), wherein a cavity (40) is formed between the substrate (10) and the thin film cap (30), wherein a connecting portion of the thin film cap ( 30) defined to the substrate (10) is meander-shaped.

Description

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

Stand der TechnikState of the art

Empfindliche, meist mechanische Bauelementstrukturen von MEMS-Sensoren müssen zum Schutz vor Beschädigung oder zum Einschließen eines Referenzdrucks verkapselt werden. Typische Vertreter solcher Sensoren sind Inertialsensoren (Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren) und Drucksensoren, bei denen zum Beispiel geätzte Siliziumkappen mittels einer Seal-Glas-Verbindung auf das die empfindliche Bauelementstruktur enthaltende Halbleitersubstrat vorzugsweise gasdicht gebondet werden.Delicate, mostly mechanical device structures of MEMS sensors must be encapsulated to protect against damage or to include a reference pressure. Typical representatives of such sensors are inertial sensors (acceleration sensors, rotation rate sensors) and pressure sensors in which, for example, etched silicon caps are preferably gas-tightly bonded to the semiconductor substrate containing the sensitive component structure by means of a seal-glass connection.

Neben diesen verhältnismäßig kostenintensiven Dickschichtverfahren hat sich auch das weniger aufwändige und in der Regel kostengünstigere Verkappen mittels Dünnschichtverfahren etabliert. Hierbei wird auf der empfindlichen Bauelementstruktur eine Opferschicht (z.B. Siliziumoxid oder Polyimid) aufgebracht, auf der wiederum das gewünschte Kappenmaterial (z.B. Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid) als dünne Schicht durch Sputtern oder CVD (engl, chemical vapor deposition) abgeschieden wird. Die Konformität der Kappenschicht ist dabei prozessabhängig. Um die Opferschicht entfernen zu können, werden in die Kappenschicht Öffnungen geätzt. Nach Entfernen der Opferschicht und Verschließen der Öffnungen in der Kappenschicht bleibt die Dünnschichtkappe stehen, die dann in einem Abstand, der der Dicke der Opferschicht entspricht, die MEMS-Struktur überspannt.In addition to these relatively expensive thick-film processes, the less expensive and generally more cost-effective capping by means of thin-film processes has also become established. Here, a sacrificial layer (e.g., silicon oxide or polyimide) is deposited on the sensitive device structure on which in turn the desired capping material (e.g., silicon carbide or silicon nitride) is deposited as a thin film by sputtering or chemical vapor deposition (CVD). The conformity of the cap layer is process-dependent. In order to be able to remove the sacrificial layer, openings are etched into the cap layer. After removing the sacrificial layer and closing the openings in the cap layer, the thin-film cap remains, which then spans the MEMS structure at a distance that corresponds to the thickness of the sacrificial layer.

US 2016/0265986 A1 beschreibt und illustriert beispielhaft eine Ausgestaltung und Herstellung einer Dünnschichtkappe. US 2016/0265986 A1 describes and illustrates by way of example a design and manufacture of a thin-film cap.

Das Dokument DE 601 18 208 T2 offenbart einen breitbandigen Miniaturwandler mit einer erhöhte Mikrostruktur mit einer kreisförmigen Dünnschichtplatte aus Siliziumnitrit, die von einer Seitenwand getragen wird und mit einem Si-Wafer verbunden ist. Die Seitenwand weist eine Vielzahl von periodischen Rippen und Nuten auf. Die Wirkung der Rippung der Seitenwand besteht darin, dass dadurch die Seitenwand versteift wird.The document DE 601 18 208 T2 discloses a broadband miniature transducer having an increased microstructure with a circular thin film plate of silicon nitride carried by a sidewall and connected to a Si wafer. The side wall has a plurality of periodic ribs and grooves. The effect of the ribbing of the sidewall is that it stiffens the sidewall.

Das Dokument EP 2 440 025 B1 offenbart eine Abdeckeinrichtung für ein organisches Substrat, ein Substrat mit einer Abdeckeinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Abdeckeinrichtung. Hierbei wird eine Abdeckeinrichtung mit einer Verschlusskappe aus Metall gezeigt, wobei ein Heizelement als Leiterbahn ausgebildet ist und innerhalb einem als Leiterplatte ausgebildeten Substrat angeordnet ist, um einen Kurzschluss mit der Verschlusskappe zu vermeiden.The document EP 2 440 025 B1 discloses an organic substrate capping device, a substrate having a capping device, and a method of manufacturing a capping device. In this case, a covering device with a metal closure cap is shown, wherein a heating element is designed as a conductor track and is arranged within a substrate designed as a printed circuit board in order to avoid a short circuit with the closure cap.

Das Dokument DE 10 2012 215 251 A1 offenbart ein MEMS-Bauelement mit einer Verankerungsstruktur mit mäanderförmigen Wandabschnitten eines Gegenelements, wobei das Gegenelement keine Dünnschichtkappe darstellt.The document DE 10 2012 215 251 A1 discloses a MEMS device having an anchoring structure with meandering wall portions of a mating member, wherein the mating member does not constitute a thin film cap.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber mechanischen Belastungen verbesserten mikromechanischen Sensor bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide a micromechanical sensor improved over mechanical loads.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:

  • - ein Substrat mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur; und
  • - eine Dünnschichtkappe, die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur ausgebildet ist, wobei zwischen dem Substrat und der Dünnschichtkappe ein Hohlraum ausgebildet ist;
  • - wobei ein senkrechter Abschnitt der Dünnschichtkappe, der die Dünnschichtkappe mit dem Substrat verbindet, derart definiert mäanderförmig ausgebildet ist, dass maximale mechanische Spannungen auf der Oberfläche der Dünnschichtkappe auftreten.
The object is achieved according to a first aspect with a micromechanical sensor, comprising:
  • a substrate having at least one MEMS structure disposed thereon; and
  • a thin film cap formed to hermetically cover the MEMS structure with a cavity formed between the substrate and the thin film cap;
  • - Wherein a vertical portion of the thin-film cap, which connects the thin-film cap to the substrate, defined meandering is formed so that maximum mechanical stresses on the surface of the thin-film cap occur.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Kerbwirkung an einem Übergang der Dünnschichtkappe zum Substrat verringert, wodurch vorteilhaft eine Steifigkeit der Dünnschichtkappe erhöht ist. Vorteilhaft sind zur Herstellung der vorgeschlagenen Dünnschichtkappe keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich. Im Ergebnis ist dadurch vorteilhaft mit einfachen Mitteln eine größere Belastbarkeit bzw. mechanische Festigkeit der Dünnschichtkappe und damit des gesamten mikromechanischen Sensors realisiert.In this way, a notch effect is advantageously reduced at a transition of the thin-film cap to the substrate, which advantageously increases the rigidity of the thin-film cap. Advantageously, no additional process steps are required for the production of the proposed thin-film cap. As a result, a greater load capacity or mechanical strength of the thin-film cap and thus of the entire micromechanical sensor is advantageously realized by simple means.

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

  • - Bereitstellen eines Substrats mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur; und
  • - Bereitstellen einer Dünnschichtkappe, die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur ausgebildet ist, wobei zwischen dem Substrat und der Dünnschichtkappe ein Hohlraum ausgebildet wird;
  • - wobei ein senkrechter Abschnitt der Dünnschichtkappe, der die Dünnschichtkappe mit dem Substrat verbindet, derart definiert mäanderförmig ausgebildet ist, dass maximale mechanische Spannungen auf der Oberfläche der Dünnschichtkappe auftreten.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor, comprising the steps:
  • Providing a substrate having at least one MEMS structure disposed thereon; and
  • - Providing a thin-film cap, which is designed for hermetic coverage of the MEMS structure, wherein between the substrate and the thin-film cap, a cavity is formed;
  • - wherein a vertical portion of the thin-film cap connecting the thin-film cap to the substrate is meandered in a defined manner such that maximum mechanical stresses occur on the surface of the thin-film cap.

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 die Dünnschichtkappe zum Substrat eine runde Grundform aufweist. Auf diese Weise kann für den mikromechanischen Sensor bei externer Belastung eine bessere und homogenere Spannungsverteilung in der Dünnschichtkappe realisiert werden.An advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the thin-film cap has a round basic shape relative to the substrate. In this way, a better and more homogeneous stress distribution in the thin-film cap can be realized for the micromechanical sensor under external load.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Dünnschichtkappe zum Substrat eine eckige Grundform aufweist. Auf diese Weise ist für den mikromechanischen Sensor eine bessere Flächenausnutzung realisiert, wobei Substratmaterial effektiver genutzt wird. Im Ergebnis kann auf diese Weise somit eine kostengünstigere Herstellung des mikromechanischen Sensors unterstützt sein.A further advantageous development of the micromechanical pressure sensor provides that the thin-film cap has an angular basic shape to the substrate. In this way, a better surface utilization is realized for the micromechanical sensor, wherein substrate material is used more effectively. As a result, a more cost-effective production of the micromechanical sensor can thus be supported in this way.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderförmige Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe zum Substrat runde Abschnitte aufweist. Dadurch ist eine besonders homogene mechanische Kräfteverteilung im Übergangsbereich zwischen Dünnschichtkappe und Substrat unterstützt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the meandering connection section of the thin-film cap has round sections to the substrate. This supports a particularly homogeneous mechanical distribution of forces in the transition region between the thin-film cap and the substrate.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass der mäanderförmige Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe zum Substrat gerade Abschnitte aufweist. Auf diese Weise ist zur Herstellung eine Verwendung einer kostengünstigeren Maske unterstützt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the meandering connection section of the thin-film cap has straight sections relative to the substrate. In this way, a use of a lower cost mask is supported for the production.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben dabei 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 Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.Disclosed device features result analogously from corresponding process features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and designs relating to the micromechanical sensor result analogously from corresponding embodiments, features and technical advantages of the method for producing a micromechanical sensor, and vice versa.

In den Figuren zeigt:

  • 1 eine stark vereinfachte prinzipielle Querschnittsansicht durch einen herkömmlichen mikromechanischen Sensor;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Dünnschichtkappe eines herkömmlichen mikromechanischen Sensors;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer Dünnschichtkappe einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 4 eine perspektivische Unteransicht einer quadratisch ausgebildeten Dünnschichtkappe eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 5 eine perspektivische Detailansicht der Dünnschichtkappe von 4;
  • 6 eine perspektivische Unteransicht einer rund ausgebildeten Dünnschichtkappe eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
  • 7 eine perspektivische Detailansicht der Dünnschichtkappe von 6; und
  • 8 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
In the figures shows:
  • 1 a greatly simplified schematic cross-sectional view through a conventional micromechanical sensor;
  • 2 a perspective view of a thin-film cap of a conventional micromechanical sensor;
  • 3 a perspective view of a thin-film cap of an embodiment of a proposed micromechanical sensor;
  • 4 a perspective bottom view of a square shaped thin-film cap of a proposed micromechanical sensor;
  • 5 a detailed perspective view of the thin-film cap of 4 ;
  • 6 a perspective bottom view of a round shaped thin-film cap of a proposed micromechanical sensor;
  • 7 a detailed perspective view of the thin-film cap of 6 ; and
  • 8th a schematic representation of an embodiment of a proposed method for producing a micromechanical sensor.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines mikromechanischen Sensors mit verbesserter Stabilität gegenüber externer mechanischer Belastung.A central idea of the present invention is in particular a provision of a micromechanical sensor with improved stability against external mechanical stress.

1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen mikromechanischen Sensors 100. Erkennbar ist eine Dünnschichtkappe 30, die auf einem Substrat 10 angeordnet bzw. mit diesem hermetisch verbunden ist, wobei die Dünnschichtkappe 30 auf dem Substrat 10 mit einer Opferschicht (nicht dargestellt) abgeschieden wurde. Die Opferschicht wurde in der Darstellung von 1 bereits entfernt, sodass die Dünnschichtkappe 30 den Bereich mit MEMS-Strukturen 20 in einem durch die Opferschichtdicke definierten Abstand überspannt und dabei eine Kavität bzw. einen Hohlraum 40 ausbildet. Die Dünnschichtkappe 30 schützt dabei die empfindlichen MEMS-Strukturen 20 und dient auch zum Einschluss eines definierten Drucks innerhalb des Hohlraums 40. 1 schematically shows a cross-sectional view of a conventional micromechanical sensor 100 , Visible is a thin-film cap 30 on a substrate 10 is arranged or connected to this hermetically, wherein the thin-film cap 30 on the substrate 10 with a sacrificial layer (not shown) was deposited. The sacrificial layer was in the presentation of 1 already removed, leaving the thin-film cap 30 the area with MEMS structures 20 spans in a distance defined by the sacrificial layer thickness and thereby a cavity or a cavity 40 formed. The thin-film cap 30 protects the sensitive MEMS structures 20 and also serves to trap a defined pressure within the cavity 40 ,

Eine Schichtdicke der Dünnschichtkappe 30 beträgt je nach Anwendung typischerweise einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer, jene der Opferschicht einige Mikrometer. Die freie Spannweite der Dünnschichtkappe 30 liegt im Bereich von wenigen hundert Mikrometern. Sie kann zum Beispiel durch Einführen von Stützen oder Ankerpunkten erhöht werden, sofern die darunter befindlichen MEMS-Strukturen 20 dies zulassen. Bei einem Drucksensor ist dies in der Regel allerdings nicht möglich, da sich die Druckmembran frei bewegen können muss. In der Draufsicht ist die Dünnschichtkappe 30 vorzugsweise kreisrund oder quadratisch ausgebildet, sie kann aber prinzipiell jede beliebige andere Gestalt annehmen, da die Maskenform zur fotolithografischen Strukturierung der Opferschicht so gut wie keine Beschränkung hat. A layer thickness of the thin-film cap 30 is typically a few hundred nanometers to a few microns, depending on the application, that of the sacrificial layer a few microns. The free span of the thin-film cap 30 is in the range of a few hundred micrometers. For example, it can be increased by inserting columns or anchor points, provided the underlying MEMS structures 20 allow this. In a pressure sensor, this is usually not possible because the pressure membrane must be able to move freely. In the plan view is the thin-film cap 30 preferably circular or square formed, but it can in principle assume any other shape, since the mask shape for photolithographic structuring of the sacrificial layer has almost no limitation.

Eine herkömmlich hergestellte Dünnschichtkappe eines MEMS-Sensors, insbesondere eines MEMS-Drucksensors weist bei mechanischer Belastung durch z.B. Differenzdruck und/oder Zugeigenspannungen die höchste Spannungskonzentration aufgrund von Kerbwirkung an der relativ scharfen Kante am Übergang vom Substrat zur Seitenwand auf. Dies ist prinzipiell in 2 angedeutet, die in unterschiedlichen Graustufen ein Ausmaß einer mechanischen Belastung der Dünnschichtkappe 30 an der Oberfläche und in einer Detailansicht in einer Kerbe der Dünnschichtkappe 30 zeigt. Erkennbar ist eine qualitative Skala der ersten Hauptspannung mit dem darauf eingezeichneten Wert Null.A conventionally produced thin-film cap of a MEMS sensor, in particular a MEMS pressure sensor, has the highest stress concentration due to notch effect at the relatively sharp edge at the transition from the substrate to the side wall under mechanical load due to eg differential pressure and / or tensile residual stresses. This is basically in 2 indicated that in different shades of gray a degree of mechanical stress on the thin-film cap 30 at the surface and in a detail view in a notch of the thin-film cap 30 shows. Recognizable is a qualitative scale of the first main voltage with the zero value marked on it.

Dargestellt ist eine Verteilung der mechanischen Spannung in einer quadratischen Dünnschichtkappe 30 mit geradlinigem Verlauf der Stufe zum Substrat 10, wenn ein Unterdruck im Hohlraum 40 unter der Dünnschichtkappe 30 eingeschlossen ist. Man erkennt deutlich die aufgrund der Stufe der Dünnschichtkappe 30 hervorgerufene Kerb- bzw. Hebelwirkung, die eine Zugspannungskonzentration an der konkaven Kante am Übergang von der Seitenwand der Dünnschichtkappe 30 zur Substratauflage bewirkt.Shown is a distribution of the mechanical stress in a square thin-film cap 30 with straight course of the step to the substrate 10 if a vacuum in the cavity 40 under the thin-film cap 30 is included. One recognizes clearly the due to the stage of the thin-film cap 30 causing a stress concentration at the concave edge at the transition from the sidewall of the thin film cap 30 causes the substrate support.

Eine derartige Kerbstelle birgt für die Dünnschichtkappe 30 eine erhöhte Gefahr von Rissbildung und kann somit die mechanische Robustheit der Dünnschichtkappe 30 erheblich reduzieren. Für die naheliegende Maßnahme einer kontrollierten Verrundung der kritischen Kante bieten die bekannten Ätzverfahren zur Strukturierung der Opferschicht allerdings nur begrenzte Möglichkeiten.Such a notch holds for the thin-film cap 30 an increased risk of cracking and thus the mechanical robustness of the thin-film cap 30 reduce considerably. For the obvious measure of a controlled rounding of the critical edge, however, the known etching methods for structuring the sacrificial layer offer only limited possibilities.

Vorgeschlagen wird daher, einen Verbindungsbereich der Dünnschichtkappe 30 zum Substrat 10 mäanderförmig bzw. mäandriert auszugestalten. Dadurch wird vorteilhaft eine mechanische Stützwirkung generiert, die dazu führt, dass die Bereiche maximaler mechanischer Spannung von der scharfen Kante auf die eher unkritische glatte Oberfläche der Dünnschichtkappe 30 „verlagert“ werden.It is therefore proposed, a connection region of the thin-film cap 30 to the substrate 10 Meandering or meandering design. As a result, a mechanical support effect is advantageously generated, which leads to the areas of maximum mechanical stress from the sharp edge to the rather uncritical smooth surface of the thin-film cap 30 Be "relocated".

3 illustriert eine derart gestaltete Dünnschichtkappe 30 mit mäandriertem bzw. gezahntem Randbereich, wobei Anzahl, Abstand, Länge und Grundriss (eckig oder mit Rundungen nach Art eines Mäanders) der Zähne je nach Belastungsart Gegenstand von Optimierung sein kann. Die genannten Parameter können vorzugsweise mit an sich bekannten Simulationstools ermittelt werden. Durch die mäandrierte Ausgestaltung des Randbereichs der Dünnschichtkappe 30 ist vorteilhaft unterstützt, dass senkrechte Wandanteile der Dünnschichtkappe 30 durch radial nach innen verlaufende Wandanteile ergänzt bzw. von diesen gestützt werden. Erreicht wird dies im Prinzip dadurch, dass durch die vorgeschlagenen Designmaßnahme die senkrechte Wand der Dünnschichtkappe 30 bei Belastung daran gehindert wird, nach innen zu kippen. Dadurch wird der Verbindungsbereich der Dünnschichtkappe 30 zum Substrat 10 wirkungsvoll versteift. 3 illustrates such a designed thin-film cap 30 with meandered or serrated edge area, whereby the number, distance, length and floor plan (square or with curves of a meander type) of the teeth can be subject to optimization depending on the type of load. The mentioned parameters can preferably be determined with known simulation tools. Due to the meandering design of the edge region of the thin-film cap 30 is favorably supported, that vertical wall portions of the thin-film cap 30 be complemented by radially inwardly extending wall portions or supported by these. This is achieved in principle by the proposed design measure the vertical wall of the thin-film cap 30 is prevented from tipping inwards under load. This will make the connection area of the thin-film cap 30 to the substrate 10 effectively stiffened.

Grafisch dargestellt ist eine Spannungsverteilung einer ersten Hauptspannung im Sinne der technischen Mechanik in der Dünnschichtkappe 30 mit gezahntem Rand bei Einwirken einer Druckdifferenz zwischen dem unterhalb der Dünnschichtkappe 30 angeordneten Hohlraum 40 und dem Außenbereich des mikromechanischen Sensors 100, wobei der mechanische Druck von oben auf die Dünnschichtkappe 30 einwirkt.Graphically represented is a stress distribution of a first main stress in the sense of the technical mechanics in the thin-film cap 30 with serrated edge upon application of a pressure difference between the below the thin film cap 30 arranged cavity 40 and the exterior of the micromechanical sensor 100 , where the mechanical pressure from the top of the thin-film cap 30 acts.

Derartige Kräfte können sowohl aufgrund von thermischen Spannungen im Herstellprozess als auch von außen einwirkenden mechanischen Lasten herrühren. Dargestellt ist ein herausgehobener Bereich in einem Umfeld eines Zahns der Dünnschichtkappe 30, wobei in einem Bereich A angedeutet ist, dass eine reduzierte Kerbwirkung aufgrund der mäandrierten Ausgestaltung des Randbereichs der Dünnschichtkappe 30 erzielt wird.Such forces can arise both due to thermal stresses in the manufacturing process as well as externally acting mechanical loads. Shown is a raised area in an environment of a tooth of the thin-film cap 30 , wherein in a region A is indicated that a reduced notch effect due to the meandering configuration of the edge region of the thin-film cap 30 is achieved.

Prinzipiell wird dadurch vorteilhaft erreicht, dass durch die Stützwirkung der Zacken die jetzt nicht mehr geradlinig verlaufende konvexe Kante entlastet und der Bereich maximaler Zugspannung auf die Oberseite der Dünnschichtkappe 30 verlagert wird, wo keine Kerbwirkung vorhanden ist und der mechanische Spannungswert somit kontrollierbar ist. Eine Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung in der Dünnschichtkappe 30 ist auf diese Weise vorteilhaft eliminiert bzw. wenigstens stark reduziert.In principle, this advantageously achieved that relieved by the support effect of the teeth now no longer rectilinear convex edge and the area of maximum tension on the top of the thin-film cap 30 is shifted, where no notch effect is present and the mechanical tension value is thus controllable. A probability of cracking in the thin-film cap 30 is advantageously eliminated in this way or at least greatly reduced.

Zur Herstellung des gezahnten bzw. mäandrierten Randes muss der Rand der Opferschicht durch entsprechendes Maskendesign strukturiert werden, wobei darauf geachtet werden sollte, dass die Abmessungen der Zähne mindestens so groß sind, dass die Dünnschichtkappe 30 darauf noch fehlerfrei konform abgeschieden werden kann, so dass die abgeschiedene Schicht den Formen der darunterliegenden Opferschicht im Abscheideprozess sehr genau folgen kann. Dadurch ist eine hohe Homogenität einer Wandstärke der abgeschiedenen Schicht unterstützt, wobei Eckbereiche sehr gut bedeckt sind.To produce the toothed or meandered edge, the edge of the sacrificial layer must be patterned by appropriate mask design, care should be taken that the dimensions of the teeth are at least as large that the thin-film cap 30 can be deposited thereon without error conform, so that the deposited layer can follow the shapes of the underlying sacrificial layer in the deposition process very closely. As a result, a high homogeneity of a wall thickness of the deposited layer is supported, wherein corner regions are very well covered.

Jeweils eine Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgestalteten Dünnschichtkappe 30 mit gezahntem Rand in quadratischer und in kreisrunder Form ist in den Unteransichten der Dünnschichtkappe 30 von 4 und 6 dargestellt.In each case one embodiment of the thin-film cap designed according to the invention 30 with serrated edge in square and circular shape is in the bottom views of the thin-film cap 30 from 4 and 6 shown.

Im Fall von 4 ist der Grundriss der Zähne eckig ausgebildet, im Fall von 6 ist der Grundriss der Zähne mäanderförmig gerundet. Im Falle der eckigen quadratischen Grundform der Dünnschichtkappe 30 ist eine bessere Ausnutzung des Substratmaterials unterstützt, wodurch pro Wafer eine höhere Anzahl von mikromechanischen Sensoren herstellbar ist. Denkbar ist hier eine große Variationsvielfalt der Zahngestaltung, sodass auch Mischformen mit eckigen und abgerundeten Zähnen, usw. denkbar sind.In case of 4 the floor plan of the teeth is angular, in the case of 6 the floor plan of the teeth is rounded meandering. In the case of the square square basic shape of the thin-film cap 30 a better utilization of the substrate material is supported, whereby a higher number of micromechanical sensors can be produced per wafer. Conceivable here is a large variety of variations of the tooth design, so that mixed forms with square and rounded teeth, etc. are conceivable.

Mit einer derartigen vorgeschlagenen Dünnschichtkappe 30 mit gezahntem Rand lassen sich insbesondere Absolutdruck-Sensoren herstellen, indem ein Referenzvakuum zwischen der Dünnschichtkappe 30 und der Drucksensormembran eingeschlossen wird.With such a proposed thin-film cap 30 In particular, absolute pressure sensors can be produced with serrated edge by applying a reference vacuum between the thin-film cap 30 and the pressure sensor membrane is enclosed.

Als Materialien für die Dünnschichtkappe 30 eignen sich aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls und der hohen Bruchfestigkeit insbesondere SiC- und Al2O3-Schichten.As materials for the thin-film cap 30 Due to the high modulus of elasticity and the high breaking strength, SiC and Al 2 O 3 layers are particularly suitable.

5 zeigt eine perspektivische Detailansicht der Dünnschichtkappe 30 mit dem Übergangsbereich zwischen der Dünnschichtkappe 30 und dem Substrat 10 (nicht dargestellt). Man erkennt hier besonders gut den mäanderförmig strukturierten Wandbereich des Verbindungsbereichs der Dünnschichtkappe 30 mit dem Substrat 10. 5 shows a perspective detail view of the thin-film cap 30 with the transition region between the thin-film cap 30 and the substrate 10 (not shown). One recognizes here particularly well the meander-shaped structured wall region of the connecting region of the thin-film cap 30 with the substrate 10 ,

7 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines Teilbereichs der Dünnschichtkappe 30 mit einem Teilbereich des Verbindungsbereichs der Dünnschichtkappe 30 zum Substrat 10. Deutlich erkennbar ist die mäandrierte Struktur der Wände der Dünnschichtkappe 30, der einen vorteilhaften Effekt bezüglich mechanischer Stabilität des mikromechanischen Sensors 100 mit sich bringt. 7 shows a perspective detail view of a portion of the thin-film cap 30 with a portion of the connection area of the thin-film cap 30 to the substrate 10 , Clearly visible is the meandering structure of the walls of the thin-film cap 30 which has a beneficial effect on mechanical stability of the micromechanical sensor 100 brings with it.

8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. 8th shows a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical sensor 100 ,

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Substrats 10 mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur 20 durchgeführt.In one step 200 becomes a provision of a substrate 10 with at least one MEMS structure arranged thereon 20 carried out.

In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer Dünnschichtkappe 30, die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur 20 ausgebildet ist, durchgeführt, wobei zwischen dem Substrat 10 und der Dünnschichtkappe 30 ein Hohlraum 40 ausgebildet wird, wobei ein Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe 30 zum Substrat 10 definiert mäanderförmig ausgebildet wird.In one step 210 will provide a thin-film cap 30 used to hermetically cover the MEMS structure 20 is formed, carried out, between the substrate 10 and the thin-film cap 30 a cavity 40 is formed, wherein a connecting portion of the thin-film cap 30 to the substrate 10 defined meandering is formed.

Vorteilhaft sind zur Herstellung des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 keinerlei zusätzliche lithographische Masken erforderlich, weil die bereits vorhandenen Prozesse mit geeigneten lithographischen Masken durchgeführt werden können, um die vorgeschlagene mäandrierte Ausgestaltung des Verbindungsbereichs der Dünnschichtkappe zum Substrat zu realisieren. Dies ist mit konventionellen CAD-Systemen auf einfache Weise möglich.It is advantageous for the production of the proposed micromechanical sensor 100 no additional lithographic masks are required, because the existing processes can be performed with suitable lithographic masks to realize the proposed meandering configuration of the bonding region of the thin-film cap to the substrate. This is easily possible with conventional CAD systems.

Vorteilhaft lässt sich der vorgeschlagene mikromechanische Sensor z.B. als Drucksensor oder Inertialsensor einsetzen.Advantageously, the proposed micromechanical sensor can be used e.g. as a pressure sensor or inertial sensor.

Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.The person skilled in the art can also realize embodiments of the invention which are not disclosed or are only partially disclosed, without deviating from the gist of the invention.

Claims (7)

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend: - ein Substrat (10) mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur (20); und - eine Dünnschichtkappe (30), die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur (20) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Substrat (10) und der Dünnschichtkappe (30) ein Hohlraum (40) ausgebildet ist; - wobei ein senkrechter Abschnitt der Dünnschichtkappe (30), der die Dünnschichtkappe (30) mit dem Substrat (10) verbindet, derart definiert mäanderförmig ausgebildet ist, dass maximale mechanische Spannungen auf der Oberfläche der Dünnschichtkappe (30) auftreten und somit eine Kerbwirkung zwischen Substrat (10) und der Dünnschichtkappe (30) reduziert wird.Micromechanical sensor (100), comprising: a substrate (10) having at least one MEMS structure (20) disposed thereon; and a thin film cap (30) formed to hermetically cover the MEMS structure (20), wherein a cavity (40) is formed between the substrate (10) and the thin film cap (30); - Wherein a vertical portion of the thin-film cap (30), which connects the thin-film cap (30) to the substrate (10) defined meandering is formed such that maximum mechanical stresses on the surface of the thin-film cap (30) occur and thus a notch effect between the substrate (10) and the thin-film cap (30) is reduced. Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtkappe (30) zum Substrat (10) eine runde Grundform aufweist.Micromechanical sensor (100) after Claim 1 , characterized in that the thin-film cap (30) to the substrate (10) has a round basic shape. Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtkappe (30) zum Substrat (10) eine eckige Grundform aufweist.Micromechanical sensor (100) after Claim 1 , characterized in that the thin-film cap (30) to the substrate (10) has a polygonal basic shape. Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderförmige Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe (30) zum Substrat (10) runde Abschnitte aufweist. Micromechanical sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the meander-shaped connecting portion of the thin-film cap (30) to the substrate (10) has round sections. Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderförmige Verbindungsabschnitt der Dünnschichtkappe (30) zum Substrat (10) gerade Abschnitte aufweist.Micromechanical sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the meander-shaped connecting portion of the thin-film cap (30) to the substrate (10) has straight sections. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (10) mit wenigstens einer darauf angeordneten MEMS-Struktur (20); und - Bereitstellen einer Dünnschichtkappe (30), die zur hermetischen Abdeckung der MEMS-Struktur (20) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Substrat (10) und der Dünnschichtkappe (30) ein Hohlraum (40) ausgebildet wird; - wobei ein senkrechter Abschnitt der Dünnschichtkappe (30), der die Dünnschichtkappe (30) mit dem Substrat (10) verbindet, derart definiert mäanderförmig ausgebildet wird, dass maximale mechanische Spannungen auf der Oberfläche der Dünnschichtkappe (30) auftreten und somit eine Kerbwirkung zwischen Substrat (10) und der Dünnschichtkappe (30) reduziert wird.Method for producing a micromechanical sensor (100), comprising the steps: - Providing a substrate (10) having at least one MEMS structure (20) arranged thereon; and - providing a thin-film cap (30) which is designed to hermetically cover the MEMS structure (20), wherein a cavity (40) is formed between the substrate (10) and the thin-film cap (30); - Wherein a vertical portion of the thin-film cap (30), which connects the thin-film cap (30) to the substrate (10), defined meandering is formed so that maximum mechanical stresses on the surface of the thin-film cap (30) occur and thus a notch effect between the substrate (10) and the thin-film cap (30) is reduced. Verwendung eines mikromechanischen Sensors (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Drucksensor oder Inertialsensor.Use of a micromechanical sensor (100) according to one of Claims 1 to 5 as a pressure sensor or inertial sensor.
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