Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente
mittels anodischem Bonden anzugeben, das eine verbesserte Ausbeute
und größere Zuverlässigkeit
bei der Herstellung der mikromechanischen Bauelemente gewährleistet
und kostengünstig
durchführbar
ist. Weiterhin soll ein mikromechanisches Bauelement geschaffen
werden, bei dem die Gefahr von Beschädigungen verringert ist, eine größere Zuverlässigkeit
gewährleistet
ist, und das kostengünstig
mit größerer Ausbeute
herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch
das Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente gemäß Patentanspruch
1, sowie durch das mikromechanische Bauelement gemäß Patentanspruch 10.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente mittels anodischem
Bonden werden mindestens zwei Teile bzw. Wafer an einer Verbindungsfläche zusammengefügt und mittels
anodischem Bonden miteinander verbunden, wobei eine Bondspannung
an die beiden Teile angelegt wird, so dass ein Teil als Kathode dient,
und wobei während
des anodischen Bondens der Verlauf elektrischer Feldlinien eines
elektrischen Feldes im Bereich der zu verbindenden Teile mittels ein
oder mehrerer Metallstrukturen gezielt beeinflusst wird. Dabei biden
die Metallstrukturen mehrere Metallstruktur-Bereiche, die radial
um das Zentrum eines der zu verbindenden Teile angeordnet sind,
und deren Potenziale beim Bonden getrennt voneinander eingestellt
werden, um den Verlauf der elektrischen Feldlinien des elektrischen
Feldes gezielt zu beeinflussen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine verbesserte Ausbeute und Zuverlässigkeit bei der Herstellung
mikromechanischer Bauelemente erreicht. Weiterhin können die
Bondparameter günstiger
gewählt
werden, je nach der Art und Beschaffenheit der Bauelemente. Insbesondere
bei Sensorstrukturen, die bewegliche Strukturen enthalten, wird das
anodische Bonden und das damit verbundene Herstellungsverfahren
optimiert.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren das
elektrische Feld auf den Verbindungsbereich der beiden Teile bzw.
Wafer konzentriert. Dadurch wird erreicht, dass die Bondspannung
effektiv an denjenigen Stellen genutzt wird, an denen ein möglichst
großes
elektrisches Feld benötigt
wird, während
Bereiche und Strukturen, die durch das elektrische Feld beschädigt werden
können,
davon weitgehend freigehalten werden.
Bevorzugt werden die elektrischen
Feldlinien im wesentlichen senkrecht zur Verbindungsfläche der
beiden Wafer ausgerichtet. Durch diese Maßnahme wird insbesondere das
elektrische Feld wirksam beim Bondprozess genutzt, so dass beispielsweise die
notwendige Bondspannung entsprechend verringert werden kann.
Vorteilhaft befindet sich die Metallstruktur
an der Kathode, beispielsweise an der Außenseite oder Innenseite der
Kathode, und insbesondere ist bzw. wird die Metallstruktur während des
Bondens mit einer Stromquelle verbunden. Durch diese weitere Maßnahme ergibt
sich eine besonders gute Wirkung der Metallstruktur, die darüber hinaus
konstruktiv auf relativ einfache Weise realisiert werden kann.
Bevorzugt umfassen die zu verbindenden Teile,
die z.B. Wafer bzw. Chips sind, mehrere mikromechanische Bauelemente,
wobei die Metallstrukturen jeweils den Verlauf der elektrischen
Feldlinien für die
zu verbondenden Bereiche der einzelnen Bauelemente beeinflussen.
D.h., es können
Wafer mit unterschiedlichen oder mehreren Funktionsgruppen bzw. Bauteilen
miteinander mittels Bondens verbunden werden, wobei die zu den einzelnen
Bauelementen bzw. Funktionsgruppen zugehörigen zu verbondenden Bereiche
jeweils zugeordnete Metallstrukturen aufweisen. Auf diese Weise
können
z.B. mehrere mikromechanische Bauelemente gleichzeitig und mit hoher
Zuverlässigkeit
in einem Arbeitsschritt gefertigt werden.
Vorteilhafterweise sind oder werden
die Metallstrukturen in einzelnen Gruppen elektrisch miteinander
verbunden, d.h., es werden ein oder mehrere Metallstruktur-Bereiche
erzeugt. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass eine Beeinflussung
des Feldverlaufs über
den gesamten Waferbereich erfolgt.
Bevorzugt sind oder werden die elektrisch verbundenen
Bereiche radial um das Waferzentrum angeordnet. Beispielsweise können die
Bereiche voneinander isoliert sein und während des Bondens getrennt
angeschlossen und/oder mit Spannung beaufschlagt werden, wobei sich
der Bondvorgang vom Waferzentrum zum Rand hin ausbreitet. Durch
diese Art des gezielten Bondens, das ausgehend vom Waferzentrum
zum Waferrand hin durchgeführt
wird, werden die mechanischen Spannungen reduziert, die durch den
Bondvorgang entstehen können.
Beispielsweise werden Bereiche der
zu verbindenden Teile bzw. Wafer, die nicht verbondet werden, mit
möglichst
wenig senkrecht zur Verbindungsfläche gerichteten elektrischen
Feldlinien beaufschlagt. Dadurch werden empfindliche Bereiche bzw. Funktionsgruppen
oder -strukturen innerhalb der Wafer von schädigenden elektrischen Feldern
freigehalten.
Insbesondere können die ein oder mehreren Metallstrukturen
mit einem Potenzial beaufschlagt werden, das sich von dem zum Bonden
verwendeten Potenzial unterscheidet.
Dadurch erfolgt eine besonders gezielte
und wirksame Beeinflussung des elektrischen Feldes mittels Metallstrukturen,
die z.B. auf der Außenseite oder
Innenseite der Kathode angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein mikromechanisches Bauteil geschaffen, das mindestens
zwei Teile bzw. Wafer umfasst, die an ein oder mehreren Verbindungsflächen durch anodisches
Bonden miteinander verbunden sind, wobei eines der Teile beim Bonden
als Kathode dient, und wobei ein oder mehrere Metallstrukturen zur
gezielten Beeinflussung der elektrischen Feldlinien eines während des
Bondvorgangs vorhandenen Feldes vorgesehen sind. Dabei bilden die
Metallstrukturen mehrere Metallstruktur-Bereiche, die radial um das
Zentrum eines der miteinander verbundenen Teile angeordnet sind
und deren Potenziale getrennt voneinander einstellbar sind, um beim
Bondvorgang eine gezielte Beeinflussung des Verlaufs der elektrischen
Feldlinien des elektrischen Feldes zu ermöglichen.
Beispielsweise sind die ein oder
mehreren Metallstrukturen an der Außen- oder Innenseite der Kathode
angeordnet.
Insbesondere ist das während des
Bondvorganges als Kathode verwendete Teil zumindest im Bereich der
Verbindung aus alkaliionhaltigem Glas gefertigt.
Beispielsweise sind die ein oder
mehreren Metallstrukturen derart angeordnet, dass das elektrische
Feld während
des Bondvorganges auf den Verbindungsbereich konzentriert ist. Damit
ergibt sich bei der Fertigung eine Reduzierung der Bondspannung
und damit ein schonenderer Bondvorgang, was sich positiv auf die
Zuverlässigkeit
und die Ausbeute auswirkt. Besonders bei weich aufgehängten Strukturen
besteht eine verringerte Gefahr von Beschädigungen bei dem mikromechanischen
Bauelement.
Insbesondere sind die ein oder mehreren Metallstrukturen
derart angeordnet, dass während des
Bondvorgangs die elektrischen Feldlinien im Wesentlichen senkrecht
zur Verbindungsfläche
der Teile bzw. Wafer ausgerichtet sind. Die Wafer können mehrere
mikromechanische Bauelemente umfassen, wobei die Metallstrukturen
derart angeordnet sind, dass sie während des Bondens jeweils den
Verlauf der elektrischen Feldlinien für die zu verbondenden Bereiche
der einzelnen Bauelemente beeinflussen.
Vorteilhafterweise sind die Metallstrukturen in
Gruppen elektrisch miteinander verbunden, um ein oder mehrere elektrische
Bereiche zu erzeugen.
Bevorzugt sind die elektrischen Bereiche
radial um das Zentrum der Wafer angeordnet. Dadurch werden insbesondere
mechanische Spannungen im Bereich der Wafer reduziert.
Bevorzugt ist das mikromechanische
Bauelement mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt,
wie es oben allgemein beschrieben ist und nachfolgend detailliert
erläutert
wird.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit geschaffen,
kostengünstig
zuverlässige
mikromechanische Bauelemente mit großer Ausbeute zu fertigen. Die
Bondspannung kann reduziert werden und damit ein schonenderer Bondvorgang
erfolgen, was speziell bei weich aufgehängten Strukturen von Vorteil
ist. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit des Anhaftens von beweglichen
Strukturen bedingt durch elektrostatische Kräfte beim anodischen Bonden
stark verringert, da nur noch eine reduzierte Bondspannung erforderlich
ist.
Weiterhin können sehr weich aufgehängte Strukturen
gefertigt werden, die mit den bisher bekannten Verfahren nicht ohne
weitere Maßnahmen verbondet
werden können.
Es ergeben sich darüber hinaus
kürzere
Bondzeiten durch effektivere Stromführung während des Bondens, was die
Herstellungskosten reduziert.
Insbesondere durch das gezielte Bonden ausgehend
vom Waferzentrum zum Waferrand hin werden die mechanischen Spannungen,
die durch den Bondvorgang entstehen können, reduziert.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
der Figuren beschrieben, in denen
- 1 ein mikromechanisches
Bauelement während
des Bondvorgangs als Beispiel schematisch zeigt;
- 2 ein Bauteil mit
mehreren einzelnen mikromechanischen Bauelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung schematisch zeigt;
- 3 einen Wafer gemäß der Erfindung
schematisch zeigt, der verschiedene Bereiche mit jeweils elektrisch
miteinander verbundenen Metallstrukturen hat; und
- 4 ein weiteres Beispiel
schematisch zeigt, bei der eine zusätzliche Metallstruktur zur
Feldbeeinflussung vorgesehen ist.
1 zeigt
in einer Schnittansicht ein mikromechanisches Bauelement 10,
das aus zwei Teilen bzw. Wafern 11, 12 zusammengefügt ist,
die an einer gemeinsamen Verbindungsfläche 13 durch anodisches
Bonden miteinander verbunden sind. Der obere Wafer 11 trägt an seiner
Oberseite eine Metallstruktur 14a, 14b, die dazu
dient, beim Bondvorgang das elektrische Feld im Bereich der zu verbindenden Wafer 11, 12 gezielt
zu beeinflussen. Im vorliegenden Fall dient der obere Wafer 11 beim
Bondvorgang als Kathode.
In diesem Beispiel hat das mikromechanische
Bauelement 10 einen Innenraum 15, der beispielsweise
nach außen
hin durch die Verbindungsfläche 13,
die eine Bondstelle zwischen dem oberen Wafer 11 und dem
unteren Wafer 12 bildet, abgeschlossen ist. Im Innenraum 15 können bewegliche Strukturen
angeordnet sein, die beispielsweise im Falle eines Inertialsensors
zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten dienen. Es können aber
auch andere Arten von Strukturen im Innenraum 15 angeordnet
sein, je nach der jeweiligen Funktion des hergestellten mikromechanischen
Bauelements 10.
Diese vorzugsweise beweglichen Strukturen können z.
B. vor dem Zusammenfügen
der beiden Wafer 11, 12 an einer der inneren Oberflächen 11a, 12a der
Wafer 11, 12 ausgestaltet werden. Derartige Strukturierungen
von Waferoberflächen
zur Bildung beweglicher Teile sind im Stand der Technik allgemein
bekannt und können
im vorliegenden Fall je nach den Anforderungen gewählt bzw.
ausgestattet werden.
Die Metallstruktur 14a, 14b ist
jeweils parallel zur Verbindungsfläche 13 ausgerichtet
und dieser gegenüberliegend,
d.h. an der der Verbindungsfläche 13 abgewandten
Seite des oberen Wafers 11, angeordnet. Dabei wird der
oberhalb des Innenraums 15 befindliche Bereich der Oberseite
des Wafers 11 von der Metallstruktur 14a, 14b nicht überdeckt.
Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements 10 werden
zunächst
die beiden Wafer 11, 12 mit bekannten Verfahren
strukturiert. Im vorliegenden Fall wird an der Unterseite des Wafers 11 eine
Ausnehmung gebildet, die nach dem Zusammenfügen den Innenraum 15 bildet.
An der Oberseite 12a des unteren Wafers 12 erfolgt
im Bereich des späteren
Innenraums 15 die gegebenenfalls erforderliche Strukturierung,
beispielsweise zur Schaffung beweglicher Teile im Fall von Inertialsensoren
bzw. Beschleunigungs- oder Drehratensensoren.
Der obere Wafer 11 wird
in diesem Beispiel aus alkaliionhaltigem Glas gefertigt. Auf seiner
Oberseite werden nun die Metallstrukturen 14a, 14b aufgebracht,
so dass sie jeweils den späteren
Kontakt- bzw. Verbindungsflächen 13,
die Bondstellen bilden, gegenüberliegen.
Anschließend wird der obere Wafer 11 mit dem
unteren Wafer 12 verbunden, so dass beide Wafer an den
Verbindungsflächen 13 in
direktem Kontakt miteinander stehen. Die Metallstrukturen 14a, 14b,
die am oberen Wafer 11 angeordnet sind, und der untere
Wafer 12 werden für
den Bondvorgang mit einer Spannungsquelle 16 verbunden.
Dabei bildet der untere Wafer 12 die Anode und der obere
Wafer 11, der über
die Metallstrukturen 14a, 14b elektrisch kontaktiert
ist, die Kathode. Im Bereich der Wafer 11, 12 entsteht
ein elektrisches Feld, wobei durch die Anordnung der Metallstrukturen 14a, 14b die
Feldlinien E auf die Bondstellen bzw. Verbindungsfläche 13 konzentriert
sind. Weiterhin sind die Feldlinien E senkrecht zu der oder den
Verbindungsflächen 13 ausgerichtet.
Durch die Konzentration der Feldlinien
an der Bondstelle bzw. Verbindungsfläche 13, die auf Grund
der gegenüberliegenden
Metallstruktur 14a, 14b erfolgt, wird der Bereich
des Innenraums 15 weitgehend vom elektrischen Feld freigehalten.
Dadurch werden gegebenenfalls im Innenraum 15 angeordnete
empflindliche Strukturen geschont. Beispielsweise wird die Gefahr
vermindert, dass aufgrund elektrostatischer Kräfte bewegliche Teile an Oberflächen anhaften.
Weiterhin kann durch Konzentration der Feldlinien auf die eigentliche
Bondstelle die Bondspannung an der Spannungsquelle 16 verringert
werden.
In 2 ist
als Schnittansicht eine Ausführungsform
eines mikromechanischen Bauelements gezeigt, das gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist. Das mikromechanische Bauelement 20 ist
dabei in einer Schnittansicht schematisch dargestellt und umfasst
einen oberen Wafer 21, der beim Bonden als Kathode dient,
und einen unteren Wafer 22, der beim Bonden als Anode dient.
An seiner Oberseite trägt der obere
Wafer 21 eine Vielzahl von Metallstrukturen 24,
die durch elektrisch leitende Strukturen bzw. Verbindungen 27 elektrisch
miteinander verbunden sind. Die Metallstrukturen bzw. die aus einer
Vielzahl von leitfähigen
Elementen gebildete Metallstruktur 24 ist derart angeordnet,
dass beim Bonden das elektrische Feld derart ausgerichtet wird,
dass die elektrischen Feldlinien auf die Bondstellen bzw. Verbindungsflächen 23 zwischen
den beiden Wafern 21, 22 ausgerichtet sind und
im Wesentlichen senkrecht zu diesen Flächen verlaufen. Bei dieser
Ausführungsform
sind an der Unterseite bzw. Kontaktseite des oberen Wafers 21 eine
Vielzahl von Ausnehmungen vorgesehen, die jeweils einen Innenraum 25 bilden.
Dort befinden sich jeweils einzelne mikromechanische Strukturen
bzw. Bauelemente, die entsprechend der Funktion des fertigen Bauteils
je nach Anwendungsfall auf bekannte Weite ausgestaltet sind.
Durch die gezielte Anordnung der
Metallstrukturen 24 werden beim Bondvorgang bzw. beim Anlegen
der Bondspannung an der Spannungsquelle 26 die verschiedenen
mikromechanischen Strukturen bzw. Bauelemente im Bereich der Innenräume 15 weitgehend
von elektrischen Feldlinien freigehalten und dadurch beim Bonden
geschont.
3 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf den oberen Wafer 21 des
in 2 gezeigten mikromechanischen
Bauelements. Dabei bildet eine Gruppe einzelner Metallstrukuren 24,
die miteinander elektrisch verbunden sind, jeweils einen Bereich 24a, 24b, 24c.
Dabei sind die Metallstrukturen jeweils eines Bereichs miteinander
elektrisch verbunden, und jeder der Bereiche 24a, 24b, 24c ist
vom benachbarten Bereich elektrisch getrennt. Die Metallstrukturen 24 sind
jeweils oberhalb zugehöriger
Bondstellen im Verbindungsbereich der beiden Wafer 21, 22 angeordnet
und parallel zu den darunterliegenden Bondflächen bzw. Verbindungsflächen ausgerichtet.
Zwischen den einzelnen Metallstrukturen 24 innerhalb eines
Bereichs 24a, 24b, 24c befinden sich
die elektrisch leitenden Verbindungen 27, so dass die jeweils zu
einem Bereich gehörenden
Metallstrukturen auf demselben Potenzial liegen. D.h., dass beim
Bondvorgang das Potenzial der Metallstrukuren 24 jedes Bereichs 24a, 24b, 24c getrennt
eingestellt werden kann.
In einer besonderen Ausgestalung
des Verfahrens werden die radial um das Zentrum des oberen Wafers 21 angeordneten
Bereiche 24a, 24b, 24c der Metallstrukturen 24 getrennt
an die Spannungsquelle 26 angeschlossen bzw. mit Spannung
beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Spannung erfolgt derart, dass
sich der Bondvorgang vom Waferzentrum zum Rand hin ausbreitet. D.h.,
es werden ausgehend vom inneren Bereich 24a nacheinander
zum Rand hin die weiteren Bereiche 24b und 24c mit Spannung
beaufschlagt. Durch das gezielte Bonden ausgehend vom Waferzentrum
hin zum Waferrand werden die mechanischen Spannungen, die durch den
Bondvorgang innerhalb des mikromechanischen Bauelements entstehen
können,
reduziert.
4 zeigt
eine weitere mögliche
Ausgestaltung des in 1 gezeigten
mikromechanischen Bauelements, wie es oben bereits im Detail beschrieben
ist. Dabei sind Elemente bzw. Bauteile mit im Wesentlichen gleicher
Funktion mit den selben Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet. Bei dem mikromechanischen
Bauelement 30 gemäß 4, das im Wesentlichen ähnlich zu
dem in 1 gezeigten mikromechanischen
Bauelement 10 aufgebaut ist, befinden sich neben den Metallstrukturen 14a, 14b noch
weitere, zusätzliche
Metallstrukturen 38, 39 am oberen Wafer 11,
der während
des Bondvorgangs als Kathode dient. Dabei ist eine Metallstruktur 38 auf
der unteren, im Innenraum 15 gelegenen Seite des oberen
Wafers 11 angeordnet. Die am oberen Rand des Innenraums 15 angeordnete
Metallstruktur 38 überdeckt
dabei einen Bereich des Innenraums 15 und des unteren Wafers 12,
der vor starken elektrischen Feldern beim Bonden frei gehalten werden soll.
Die zweite zusätzliche
Metallstruktur 39 ist an der gegenüberliegenden Seite des oberen
Wafers 11 angeordnet, d.h. an dessen Oberseite, so dass
sie parallel zur ersten, im Innenraum angeordneten Metallstruktur 38 ausgerichtet
ist und diese im Wesentlichen überdeckt.
Der Herstellungsvorgang erfolgt auf ähnliche Weise
wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben,
jedoch wird eine zusätzliche
Spannungsquelle 40 an die zusätzlichen Metallstrukturen 38, 39 angeschlossen,
um beim Bonden der beiden Wafer 21, 22 das elektrische
Feld im Bereich der Wafer gezielt zu beeinflussen. Dazu ist beispielsweise
die auf der Oberseite des oberen Wafers 11 angeordnete
zusätzliche
Metallstruktur 39 mit einem Potenzial beaufschlagt, während die
gegenüberliegende
zusätzliche
Metallstruktur 38 elektrisch mit dem unteren Wafer 12 verbunden
ist.
In dem hier gezeigten Beispiel liegt
beim Bonden der untere Wafer 12 und die innen gelegene zusätzliche
Metallstruktur 38 auf Erdpotenzial.
Durch diese Anordnung mit Metallstrukturen 14a, 14b,
die den Bondstellen bzw. Verbindungsflächen 13 gegenüberliegen,
und die zusätzlichen
Metallstrukturen 38, 39 zur Beeinflussung des
elektrischen Feldes beim Bonden wird der Bereich im Innenraum 15 nur
noch erheblich minimierten Feldstärken ausgesetzt und dadurch
noch stärker
geschützt.
Das Verfahren eignet sich insbesondere
zur Herstellung mikromechanischer Sensoren, wie beispielsweise Intertialsensoren,
die z.B. für
Fahr- und Flugdynamiksysteme geeignet sind.
Insgesamt wird eine höhere Ausbeute
und eine größere Zuverlässigkeit
bei der Herstellung mikromechanischer Bauelemente erreicht. Es können sehr
weich aufgehängte
Strukturen geschaffen und verbondet werden, was mit den bisher bekannten Verfahren
nicht ohne weitere Maßnahmen
möglich ist.
Es ergibt sich insbesondere auch eine kostengünstige Herstellung durch höhere Ausbeute
und kurze Prozesszeiten.
Die Wafer können aus verschiedenartigen geeigneten
Materialien gefertigt sein, wobei beispielsweise Glas und insbesondere
alkaliionhaltiges Glas für
den als Kathode dienenden Wafer und Silizium für den als Anode dienenden Wafer
besonders geeignet ist.