-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
-
Stand der Technik
-
Aus
DE 10 2014 200 500 A1 sind Drucksensoren bekannt, bei denen die Durchbiegung einer Membran gemessen wird. Auf einer ersten Seite der Membran wird der zu messende Druck angelegt. Auf der zweiten Seite der Membran wird ein Referenzdruck, meist Vakuum, vorgesehen. Die Auslenkung der Membran wird meist kapazitiv gemessen. Entweder wird die Membran selbst als erste bewegliche Elektrode genutzt, oder an der Membran wird eine Elektrode vorgesehen. Es wird weiter eine zweite feststehende Elektrode vorgesehen. Die Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode wird als Maß für die Druckänderung genutzt. Um das veränderbare kapazitive Signal auszuwerten, wird dieses Signal meist mit einer fixen Vergleichskapazität ungefähr gleicher Größe verglichen.
-
Nachteilig an dieser Messmethode ist, dass die Kapazitätsänderung zu einem nichtlinearen Signal führt, das nur mit hohem Aufwand linearisiert werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn man, wie in
DE 10 2014 200 500 A1 7 vorgeschlagen, die Vergleichskapazität als veränderliche, gegenläufige Kapazität auslegt ist, die ein umgekehrtes Verhalten aufweist. Das heißt, bei einem anliegenden Druck wird der Abstand des ersten Elektrodenpaars verringert, die Kapazität erhöht, und der Abstand des zweiten Elektrodenpaars wird erhöht, also die Kapazität verringert. Dadurch wird eine insgesamt größere Kapazitätsänderung und damit ein höheres Signal erzeugt. Werden beide Kapazitäten bezüglicher ihrer Kapazitätsänderung pro angelegtem Druck ungefähr gleich auslegt, so erhält man auch eine sehr lineare Änderung der Differenzkapazität pro Druck und damit ein sehr lineares Drucksignal.
-
Typischerweise spricht man bei derartigen Anordnungen von volldifferentiellen Anordnungen. Diese volldifferentielle Anordnung ist günstig, aber nur sehr schwer herstellbar, da sowohl die Membran als bewegliche Elektrode als auch beide feststehenden Elektroden als eigene Schicht abgeschieden werden und dazwischen jeweils geeignete Opferschichten vorgesehen werden müssen. Weiter muss im Herstellungsprozess auf eine ausreichende mechanische Stabilität der in diesem Konzept freistehenden, feststehenden und beweglichen Elektroden geachtet werden.
-
Weiter muss in diesem Konzept gleichzeitig auf eine ausreichende Perforation der freistehenden und beweglichen Elektroden geachtet werden, um eine zuverlässige Ätzung der Opferschichten zu gewährleisten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement, aufweisend
- - eine MEMS-Einrichtung und eine Auswerteeinrichtung; wobei
- - die MEMS-Einrichtung eine in einer ersten Kaverne angeordnete erste Membran und eine in einer zweiten Kaverne angeordnete zweite Membran umfasst, wobei die erste Membran entgegengesetzt zur zweiten Membran auslenkbar ist; und
- - wobei die Auswerteeinrichtung Auswerteelektroden umfasst, mit denen die Auslenkungen der Membranen erfassbar sind.
-
Auf diese Weise wird ein Mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, welches eine differentielle Auswertung mit zwei Membranen bereitstellt. Vorteilhaft wird zur Herstellung kein Multischichtstapel benötigt, was in weniger Schichten resultiert. Auf diese Weise können Abstände zwischen den Schichten prozessbedingt besser eingestellt werden.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
- - Ausbilden einer MEMS-Einrichtung und einer Auswerteeinrichtung, wobei in der MEMS-Einrichtung eine in einer ersten Kaverne angeordnete erste Membran und eine in einer zweiten Kaverne angeordnete zweite Membran ausgebildet wird, wobei die erste Membran entgegengesetzt zur zweiten Membran auslenkbar ausgebildet wird; und
- - Ausbilden von Auswerteelektroden der Auswerteeinrichtung, mit denen die Auslenkungen der Membranen erfassbar sind.
-
Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner Fluidkanäle aufweist, wobei in einem ersten Fluidkanal ein Außendruck zwischen die erste Membran und einen Kappenwafer führbar ist und wobei in einem zweiten Fluidkanal ein Referenzdruck zwischen die zweite Membran und den Kappenwafer führbar ist. Vorteilhaft können dadurch mithilfe der Fluidkanäle definierte Drücke innerhalb des mikromechanischen Bauelements eingestellt werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Fluidkanäle hermetisch voneinander isoliert sind. Dadurch können die Drücke in den Kavernen jeweils sehr spezifisch und voneinander entkoppelt eingestellt werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinrichtung im Kappenwafer angeordnet ist. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein resultierendes ausgewertetes Signal direkt aus dem Kappenwafer ausgelesen werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass im Kappenwafer Auswerteelektroden ausgebildet sind. Vorteilhaft ist dadurch eine noch bessere Erfassung von Drucksensorsignalen unterstützt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass das mikromechanische Bauelement als ein Chip-Scale-Package ausgebildet ist. Auf diese Weise ist das Package genauso groß wie der Chip, wodurch eine besonders kompakte Bauform des mikromechanischen Bauelements unterstützt ist.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Membranen auf gleiche oder auf unterschiedliche elektrische Potentiale anschließbar sind. Auf diese Weise können spezifische Auswerteverfahren für das mikromechanische Bauelement verwendet werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass der Referenzdruck in den Kavernen gleich oder unterschiedlich ist. Vorteilhaft sind dadurch spezifische Auswerteverfahren für das mikromechanische Bauelement unterstützt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass das mikromechanische Bauelement ein Drucksensor ist. Auf diese Weise wird ein besonders nützlicher Anwendungsfall für das mikromechanische Bauelement bereitgestellt.
-
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.
-
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das mikromechanische Bauelement in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements ergeben und umgekehrt.
-
In den Figuren zeigt:
- 1-3 Querschnittsansichten einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
- 4 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
- 5-13 Querschnittsansichten betreffend eine Herstellung eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements; und
- 14 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement zu realisieren. Dazu wird auch ein entsprechender Herstellungsprozess zum Herstellen des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen.
-
Vorgeschlagen wird, für das mikromechanische Bauelement 100 zwei Membranen 4a, 4b vorzusehen, wobei ein zu messender Außendruck Pa auf einer Vorderseite einer ersten Membran 4a angelegt wird und ein Referenzdruck Pr (z.B. Vakuum) auf einer Rückseite der ersten Membran 4a angelegt wird. Zudem ist vorgesehen, bei der zweiten Membran 4b den zu messenden Außendruck Pa auf der Rückseite der zweiten Membran 4b anzulegen und den Referenzdruck Pr auf der Vorderseite der zweiten Membran 4b anzulegen. Vorteilhaft kann dabei der Referenzdruck Pr in den beiden Kavernen 6a, 6b gleich oder unterschiedlich sein.
-
Vorteilhaft werden somit anstelle eines konventionellen, technologisch komplexen Systems einer Einzelmembran mit volldifferentieller Auswertung zwei Membranen 4a, 4b und damit auch zwei sowohl elektrisch als auch mechanisch entkoppelte Einzelmembranen 4a, 4b verwendet, die bezüglich ihrer Druckbelastung entgegengesetzt ausgelenkt werden. Damit kann ein deutlich einfacheres System bereitgestellt werden, was vorteilhaft in einem einfacheren Herstellungsprozess hergestellt werden kann.
-
Vorteilhaft werden nur eine einzige Gegenelektrode und entsprechend auch nur eine einzige Opferschicht zwischen den beweglichen Membranen 4a, 4b und den entsprechenden Gegenelektroden 3a, 3b benötigt.
-
Vorteilhaft müssen im Betrieb des mikromechanischen Bauelements 100 die beiden beweglichen Membranen 4a, 4b nicht unbedingt auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Weiter vorteilhaft ist, dass trotz der elektrischen Trennung die beiden Membranen 4a, 4b aus der gleichen Schicht, also mit gleichen Schichteigenschaften und mit gleicher Geometrie herstellbar sind.
-
Dies hat mehrere Vorteile: Erstens weist das elektrische Differenzsignal der beiden Membranen 4a, 4b keinen signifikanten Offset auf. Zweitens ist das Verhalten bezüglich Druckänderungen gegenläufig gleich, wodurch eine sehr hohe Linearität des resultierenden Drucksignals erreicht werden kann. Drittens reagieren beide Membranen 4a, 4b aufgrund ihrer mechanischen und geometrischen Gleichheit in gleicher Weise auf elektrische und mechanische Störsignale. Aufgrund des differentiellen Auswerteprinzips tragen diese Störsignale aber nicht signifikant zum Signal bei, sondern mitteln sich im Wesentlichen heraus.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100. Man erkennt, dass auf einem Substrat 1 eine erste Isolationsschicht 2a angeordnet ist. Auf der ersten Isolationsschicht 2a sind in einer leitfähigen Schicht 3 mindestens zwei elektrisch leitfähige feste Gegenelektroden 3a, 3b ausgebildet. Über den Gegenelektroden 3a, 3b ist jeweils eine bewegliche Membran 4a, 4b angeordnet. Dabei sind die Membranen 4a, 4b mit einem Kappenwafer 6 derart verschlossen, dass zwischen der ersten Membran 4a und dem Kappenwafer 6 sowie zwischen einer zweiten Membran 4b und der zweiten Gegenelektrode 3b ein Außendruck Pa eingeschlossen ist.
-
In einer vorteilhaften Variante sind beide Bereiche über einen inneren Fluid- bzw. Gaskanal miteinander verbunden, so dass an beiden Membranen 4a, 4b stets derselbe Referenzdruck Pr anliegt. Die Membranen 4a, 4b sind mit dem Kappenwafer 6 derart verschlossen, dass über einen äußeren Fluidkanal 7 der Außendruck Pa zwischen der zweiten Membran 4b und dem Kappenwafer 6 sowie zwischen der ersten Membran 4a und der zweiten Gegenelektrode 3b herangeführt wird. In vorteilhafter Weise können die Fluidkanäle zwischen dem Substrat 1 und dem Kappenwafer 6 und abschnittsweise innerhalb des Schichtstapels auf dem Substrat 1 realisiert werden. Vorteilhaft sind die beiden Fluidkanäle 7, 8 gegeneinander hermetisch isoliert.
-
2 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100, mit dem äußeren Fluidkanal 7, über den der Außendruck Pa oberhalb der ersten Membran 4a bzw. unterhalb der zweiten Membran 4b geführt wird.
-
3 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 mit dem inneren Fluidkanal 8, über den der Referenzdruck Pr unter die erste Membran 4a bzw. über die zweite Membran 4b geführt wird.
-
Anstelle des Kappenwafers 6, der insbesondere zum Schutz und zum Einschließen der geeigneten Druckniveaus Pa, Pr dient, können die Gegenelektroden in besonders einfacher Weise auf der Seite des Kappenwafers 6 realisiert werden.
-
Ferner ist es auch denkbar, dass die Gegenelektroden 3a, 3b sowohl im Kappenwafer 6 als auch auf dem Substrat 1 realisiert werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein doppelt volldifferentielles System erzeugt werden, das sich durch ein besonders starkes Sensorsignal auszeichnet.
-
Die Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements 100 von 4 zeigt, dass der Kappenwafer 6 als ein ASIC-Wafer ausgebildet sein und damit auch die Funktion einer elektrischen Auswertung der Drucksensorsignale der Membranen 4a, 4b übernehmen kann. Dies resultiert vorteilhaft in einem besonders kompakten Gesamtsystem, wobei die elektrischen Signale der Membranen 4a, 4b und der Gegenelektroden 3a, 3b in diesem Fall besonders günstig durch eine metallische Bondschicht 5 von der Substratseite auf die Kappenseite übertragen werden kann.
-
Diese Anordnung kann auch in besonders günstiger und einfacher Weise mit den oben vorgeschlagenen Anordnungen kombiniert werden. Als dritte Gegenelektrode 9 auf dem Kappenwafer 6 kann dazu eine Metallschicht der ASIC-Schaltung verwendet werden, die prozesstechnisch die oberste Metalllage darstellt. Lötbälle 11 dienen zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements 100 und werden elektrisch über Durchkontaktierungen mit inneren Metallschichten des ASIC-Wafers verbunden.
-
Anhand der 5 bis 13 wird nachfolgend ein Verfahren zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100 näher erläutert.
-
Die Querschnittsansicht von 5 zeigt, dass auf dem Substrat 1 eine Isolationsschicht 2a abgeschieden wird. Optional kann die Isolationsschicht 2a strukturiert werden, um einen Substratkontakt herzustellen.
-
Danach wird eine leitfähige Schicht 3, die unter anderem als elektrische Leiterbahn und als Gegenelektrode genutzt werden kann, abgeschieden und strukturiert, wobei als leitfähige Schicht 3 bevorzugt eine dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden wird.
-
Optional werden, wie in 5 und 6 dargestellt, in der leitfähigen Schicht 3 Ätzkanäle 3c erzeugt, um eine Opferschichtätzung zu beschleunigen. Es werden zu diesem Zweck beispielsweise schmale, sich in die Tiefe der leitfähigen Schicht 3 öffnende Schlitze in die leitfähige Schicht 3 geätzt, die bei der Opferschichtabscheidung nicht vollständig verfüllt werden und deren Hohlräume als Ätzbeschleunigungskanal dienen können, verwendet.
-
7 zeigt, dass danach eine erste Opferschicht 2b, bevorzugt in Form einer Oxidschicht, abgeschieden und strukturiert wird. Die Opferschicht 2b wird dabei zwischen der ersten Membran 4a und deren zugeordnete Gegenelektrode 3a vorgesehen. Ferner ist die Opferschicht 2b auch zwischen der zweiten Membran 4b und deren zugeordneter Gegenelektrode 3b vorgesehen.
-
Ferner ist die Opferschicht 2b auch in einem Verbindungbereich 10 zwischen erster Membran 4a und deren zugeordneter Gegenelektrode 3a und einem Zugangsbereich zur zweiten Kaverne 6b vorgesehen. Die Opferschicht 2b wird in einem Verbindungsbereich zwischen der zweiten Membran 4b und deren Gegenelektrode 3b und einem Zugangsbereich zur ersten Kaverne 6a vorgesehen.
-
7 und 8 mit einer Detailansicht von 7 zeigen, dass Ätzkanäle 3c in der leitfähigen Schicht 3 nicht vollständig verfüllt werden, wodurch sich ein Ätzmedium vorteilhaft sehr schnell in den Ätzkanälen 3c ausbreiten kann. Im Ergebnis repräsentieren die Ätzkanäle 3c somit gewissermaßen „Ätzbeschleunigungskanäle“. Dies ist vorteilhaft, um die Fluidkanäle 7, 8 zwischen den Kavernen 6a, 6b auszubilden.
-
Optional können, wie in 9 angedeutet, auch zwei Opferschichten 2b, 2c abgeschieden und strukturiert werden, wodurch sich vorteilhaft zwei unterschiedliche Gap-Abstände einstellen lassen. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn zwischen der ersten Membran 4a und der ersten Gegenelektrode 3a ein größerer Abstand eingestellt wird als zwischen der zweiten Membran 4b und der zweiten Gegenelektrode 3b. Wenn der mikromechanische Drucksensor derart ausgelegt wird, dass bei einem Arbeitsdruck die Abstände zwischen den Gegenelektroden 3a, 3b und den Membranen 4a, 4b jeweils ungefähr gleich sind, erhält man ein besonders lineares elektrisches Signal, das gleichzeitig vorteilhaft auch sehr wenig auf mechanischen Stress aufgrund von z.B. Substratverbiegung reagiert.
-
Durch die zusätzliche optionale Opferschicht 2c ist vorteilhaft unterstützt, dass die Membranen 4a, 4b nicht bereits bei einem geringen Druck vorausgelenkt sind. Dadurch können mit den Membranen 4a, 4b gleiche Kapazitäten auch bei einem Druck von ungleich Null Bar bereitgestellt werden.
-
In 10 ist erkennbar, dass die erste Opferschicht 2b lokal geöffnet wird, wobei danach darauf die Membranschicht 4 abgeschieden wird, wie in 11 angedeutet. Dadurch entsteht im Membranbereich ein umlaufender Ring im mikromechanischen Bauelement 100. 11 zeigt, dass eine Membranschicht 4 abgeschieden und strukturiert wird, wobei als Membranschicht 4 vorzugsweise eine dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden wird.
-
In der Querschnittsansicht von 12 ist erkennbar, dass auf die Membranschicht 4 eine Bondschicht 5 abgeschieden wird, wodurch ein Bondprozess zum Verbinden des MEMS-Elements mit einem Kappenwafer 6 vorbereitet wird. 12 entspricht dabei dem linken Abschnitt der Ansicht von 1 im nicht ausgelenkten Zustand, d. h. bei einem nicht angelegten Druck.
-
Anschließend wird, wie in 13 gezeigt, ein Kappenwafer 6 auf den Substratwafer 1 gebondet, wobei vorzugsweise ein AlGe-Bondverfahren genutzt werden kann. Auf einer Waferseite wird das Al abgeschieden und strukturiert und auf der zweiten Seite wird das Ge abgeschieden und strukturiert. Mit dem Bondverfahren kann bevorzugt der Referenzdruck Pr unterhalb der ersten Membran 4a und oberhalb der zweiten Membran 4b eingeschlossen werden.
-
Optional ist auf der Kappenwaferseite über mindestens einer Membran eine Vertiefung 4c vorgesehen. Damit kann in vorteilhafter Weise das Volumen im Referenzdruckbereich erhöht werden und dadurch im Bondverfahren ein besonders geringer und über Lebensdauer stabiler Referenzdruck Pr eingestellt werden.
-
Vorteilhaft ist ein derart hergestelltes mikromechanisches Bauelement 100 in der Form eines Chip-Scale-Package ausgebildet, wodurch vorteilhaft keinerlei Gehäuse-Aufwand mehr erforderlich ist.
-
14 zeigt in prinzipieller Weise einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100.
-
In einem Schritt 200 erfolgt ein Ausbilden einer MEMS-Einrichtung und einer Auswerteeinrichtung, wobei in der MEMS-Einrichtung eine in einer ersten Kaverne 6a angeordnete erste Membran 4a und eine in einer zweiten Kaverne 6b angeordnete zweite Membran 4b ausgebildet wird, wobei die erste Membran 4a entgegengesetzt zur zweiten Membran 4b auslenkbar ausgebildet wird.
-
In einem Schritt 210 erfolgt ein Ausbilden von Auswerteelektroden 3a, 3b der Auswerteeinrichtung, mit denen die Auslenkungen der Membranen 4a, 4b erfassbar sind.
-
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen, insbesondere für einen Drucksensor, beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
-
Das vorgeschlagene Konzept kann vorzugsweise für kapazitive Drucksensoren verwendet werden, wobei das vorgeschlagene Konzept insbesondere für besonders rauscharme und hochempfindliche Sensoren mit geringem Temperaturoffset sehr gut geeignet ist. Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Konzept besonders gut für eine Integration verwendet werden, bei der die Auswerteeinrichtung (ASIC) im Kappenwafer angeordnet ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014200500 A1 [0002, 0003]
