DE19643318A1

DE19643318A1 - Mikromechanische Bauelemente und Strukturen und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE19643318A1
Application number: DE19643318A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Erler; Ramon Dipl Ing Hahn; Carsten Dipl Ing Schlegel; Gunter Prof Dr Ing Ebest; Thomas Prof Dr Ing Gesner; Christian Dr Ing Kaufmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1998-04-30

Description

Die Erfindung betrifft mikromechanische Bauelemente und Strukturen nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und das Verfahren zu deren Herstellung. Neben der Anwendung in der Elektrotechnik und Elektronik ist es weiterhin möglich, die Erfindung in anderen Anwendungsgebieten, z. B. in der Medizintechnik, insbesondere wenn spezielle An forderungen an die Schadstofffreiheit gestellt werden, oder in der Automobiltechnik, zum Verbinden von Bauteilen einzu setzen. Ein weiteres Einsatzgebiet besteht in der Herstel lung von Fügeverbindungen, die eine hohe thermische Belast barkeit und hohe chemische Beständigkeit erfordern.

Es sind zahlreiche mikromechanische Bauelemente in Form von z. B. kapazitiven Drucksensoren bekannt. In DE 40 06 108 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mikro mechanischen Bauelementes beschrieben, bei welchem auf eine Trägerplatte aus Silizium eine Haftvermittlerschicht aufge bracht und anschließend eine Glasschicht mit einer Dicke von 10 bis 50 µm in Form einer Dickschichtpaste aufgetragen wird. Auf der Glasschicht erfolgt anschließend die Befestigung des aus dotiertem Silizium bestehenden Sensors oder Aktors durch anodisches Bonden.

In "Lateral Pyrex thin film anodic bonding and KOH deep etching of silicon substrates for micro fluid applications"; Nehlsen S. u. a.; Tagungsband Microsystem Technologies 96, 5 ^th Int. Conference on Micro Electro, Opto, Mechanical Systems and Components, Potsdam, Sept. 17.-19.; Seite 217-222 wird ein Verfahren zum lateralen Bonden von Siliziumkomponenten auf eine Trägerplatte aus Silizium beschrieben, wobei die Trägerplatte mit einer SiO₂-Schicht zur Isolation und mit einer Pyrexschicht zum lateralen Bonden versehen ist.

Der entscheidende Nachteil dieser und anderer mikro mechanischer Bauelemente und Systeme besteht darin, daß als Trägerplatte Silizium eingesetzt wird, welches aufgrund seiner ungenügenden Isolation kein geeignetes Träger substrat der Hybridtechnologie darstellt. Insbesondere bei kapazitiven Anwendungen treten beim Einsatz von Trägersubstraten aus Silizium hohe Parallelkapazitäten auf. Die Anwendung von Glas als Trägersubstrat schränkt den Temperaturbereich ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mikromechanische Bauelemente und Strukturen und ein Verfahren zu deren Herstellung zu entwickeln, die bei einem einfachen Aufbau, eine zuverlässige Isolation auch bei hohen Temperaturen gewährleisten und mittels Halbleiter- und Hybrid technologien herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. und 5. Patentanspruches und den weiteren Merkmalen in deren Unteransprüchen gelöst.

Die Funktionselemente der mikromechanischen Bauelemente und/oder Strukturen sind dabei mit einer Trägerplatte durch elektrostatisches Bonden verbunden, wobei die Trägerplatte erfindungsgemäß erstmalig aus einem bei hohen Temperaturen isolierenden keramischen Substrat besteht. An ihrer, den Funktionselementen zugewandten Seite weist die Trägerplatte eine im Vergleich zu Waferdicken dünne strukturierbare und bondbare Glasschicht auf. Auf ihrer in Richtung zur Glasschicht weisenden Oberseite und auf ihrer Rückseite kann die Trägerplatte bedarfsweise mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein. Die Glasschicht kann ebenfalls an ihrer der Trägerplatte abgewandten Oberseite eine elektrisch leitfähige Schicht aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Schichten und die Glasschicht können entsprechend des erforderlichen Aufbaus der herzustellenden Bauelemente oder Strukturen auch strukturiert sein.

Zur Herstellung von Durchkontaktierungen können entweder nur die Trägerplatte oder die Trägerplatte und die Glasschicht jeweils mindestens einen Durchbruch aufweisen. Die Wandungsflächen dieser Durchbrüche werden dabei eben falls mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen, die mit den elektrisch leitfähigen Schichten auf der Oberseite der Glasschicht, der Schicht zwischen Glasschicht und Trägerplatte und der Schicht auf der Rückseite der Trägerplatte elektrisch leitend verbunden ist.

Die Funktionselemente können aus Silizium oder aus Keramik gefertigt werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich ein Keramikgehäuse auf einer Trägerplatte aus Keramiksubstrat durch anodisches Bonden zu befestigen, wenn zwischen beiden Elementen eine dünne Glasschicht angeordnet ist und die Fügeflächen der keramischen Funktionselemente mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen wurden.

Auch bei Funktionselementen aus Silizium können die Fügeflächen zur Verbesserung der Potentialverteilung beim anodischen Bonden mit einer Metallisierung beschichtet sein.

Zur Herstellung der mikromechanischen Bauelemente und Strukturen werden folgende Prozeßschritte durchgeführt:

1. Die aus einem keramischen Dünn- oder Dickschichtsubstrat bestehende Trägerplatte wird bedarfsweise mit Durch brüchen versehen.
2. Bedarfsweise werden der Durchbruch oder einige oder alle Durchbrüche der Trägerplatte, deren Oberseite und/oder deren Rückseite an den erforderlichen Positionen mit einer festhaftenden elektrisch leitfähigen Schicht versehen, wobei die Schichten strukturiert sein können.
3. Vorher oder anschließend werden die Oberseite und/oder die Rückseite der Trägerplatte und/oder die auf der Trägerplatte bereits aufgebrachten elektrisch leit fähigen Schichten oder die Verbindungsfläche des zu montierenden Elementes mit einer Glasschicht versehen.
4. Nachfolgend wird bedarfsweise auf der Glasschicht die elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht.
5. Anschließend werden gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander die Funktionselemente an der Oberseite der Glasschicht oder auf der elektrisch leitfähigen Schicht elektrostatisch gebondet.

Nach dem Bonden der Funktionselemente können noch nicht beschichtete Durchbrüche zur Herstellung von Durchkon taktierungen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen werden.

Die elektrisch leitfähigen Schichten und die Glasschicht können auch strukturiert sein.

Die Verbindung zwischen der Trägerplatte und den Funktionselementen erfolgt vorzugsweise durch anodisches Bonden, wobei die Glasschicht einerseits die Funktion einer Haftvermittler- und Isolationsschicht zwischen Trägerplatte und den Funktionselementen und einer Passivierungsschicht sowie Isolationsschicht zwischen elektrisch leitfähigen Schichten übernimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können erstmalig Funktionselemente aus Silizium und Keramik mit einer Trägerplatte aus bei hohen Temperaturen elektrisch isolierendem Keramiksubstrat durch elektrostatisches Bonden verbunden werden. Durch die für das Bonden notwendige Glasschicht, die mit einer im Mikrometerbereich liegenden Dicke aufgebracht wird, kann außerdem die Oberflächen qualität der Keramik so verbessert werden, daß sie für das Bonden geeignet ist. Weiterhin besteht nach Aufbringen der Glasschicht die Möglichkeit, diese zur weiteren Verbesserung der Oberfläche (insbesondere zur Verringerung der Rauhigkeit) z. B. durch Schleifen und Polieren zu bearbeiten.

Ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten Klebeverfahren besteht darin, daß durch eine definierte Dicke der Glasschicht definierte Fügeabstände der Funktionselemente zum Trägersubstrat eingehalten werden können. Durch die erstmalige Anwendung von Keramik als nahezu ideales Trägersubstrat bleibt die elektrische Isolation auch bei hohen Temperaturen erhalten. Auch bei Verwendung von dünnen Glasschichten werden unerwünschte Parallelkapazitäten auf ein Minimum reduziert. Die Trägerplatte selbst kann außerdem bereits eine Ebene eines Mikrosystems darstellen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a und 1b Mikromechanisches Bauelement mit einem Funk tionsteil aus Silizium ohne Durchkontaktierung,

Fig. 2a Mikromechanisches Bauelement mit einem kapazi tiven Sensor, mit Durchkontaktierung, Festelek trode als elektrisch leitfähige Schicht auf der Glasschicht,

Fig. 2b Mikromechanisches Bauelement mit einem kapazi tiven Sensor, mit Durchkontaktierung, Festelek trode als elektrisch leitfähige Schicht zwischen der Glasschicht und der Trägerplatte,

Fig. 3a Laterales Bonden mit einer auf der Glasschicht aufgebrachten Elektrode,

Fig. 3b Laterales Bonden mit einer unter der Glasschicht aufgebrachten Elektrode,

Fig. 4 Laterales Bonden unter Anwendung eines Metall rahmens,

Fig. 5 Laterales Bonden unter Anwendung eines Silizium rahmens,

Fig. 6 Laterales Bonden unter Anwendung von im Verhältnis zur Fügefläche inneren und äußeren unter der Glasschicht angeordneten Leiterbahnen,

Fig. 7 Verbindung zweier gehäuseartiger Keramikbauteile,

Fig. 8 Verbindung eines Keramikgehäuses mit dem Träger substrat,

Fig. 9 Aufbau von Schichtstapeln gleicher oder unter schiedlicher Materialien,

Fig. 10 Mikromechanische Struktur mit beidseitig auf Trägerplatten angeordneten Funktionselementen.

In Fig. 1a wird ein mikromechanisches Bauelement mit einer Trägerplatte 1 und einem Funktionselement F aus Silizium gezeigt, bei welchem keine Durchkontaktierung auf die Rückseite 1b der aus Keramiksubstrat bestehenden Trägerplatte 1 vorgesehen ist. Das Funktionselement F ist beispielsweise als Aktor ausgebildet. Als Trägerplatte 1 kommt vorzugsweise ein Keramiksubstrat zum Einsatz, dessen thermisches Ausdehnungsverhalten dem Funktionselement F gut angepaßt ist (z. B. Aluminium-Nitrid-Keramik als Träger substrat bei einem Funktionsteil F aus Silizium). Auf der Oberseite 1a der Trägerplatte 1 wurde ganz flächig eine elektrisch leitfähige Schicht 2 (z. B. Aluminium) vorzugsweise durch Sputtern aufgebracht. Darauf ist eine Glasschicht 3 aus bondfähigem Glas (z. B. Corning 7740) angeordnet. Diese wird z. B. durch Sputtern hergestellt. Die Glasschicht 3 läßt dabei einen Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 2 zum Anlegen der Spannung frei. Auf der Glasschicht 3 wird das Funktionselement F aus Silizium durch anodisches Bonden befestigt. Dabei wird der Pluspol 20 der Spannung am Funktionsteil F und der Minuspol an der freiliegenden elektrisch leitfähigen Schicht 2 angelegt. Der Bondprozeß wird unter Anwendung bekannter Parameter durchgeführt.

Eine ähnliche Ausführungsvariante zeigt Fig. 1b. Im Unterschied zum vorgenannten Ausführungsbeispiel sind die elektrisch leitfähige Schicht 2 und die Glasschicht 3 nur im Bereich der Fügeflächen AF aufgebracht. Die Glasschicht umschließt dabei die elektrisch leitfähige Schicht 2, wobei jedoch ein Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 2 wiederum zur Kontaktierung freibleibt. Hierbei ist es auch möglich, die Glasschicht (3) direkt auf die Fügefläche AF des Funktionselementes F aufzubringen. Beim anodischen Bonden ist dann das Funktionselement F mit dem Minuspol zu verbinden (nicht dargestellt).

Ein mikromechanisches Bauelement in Form eines kapazitiven Sensors wird in Fig. 2a gezeigt. Die elektrisch leitfähige Schicht 2 auf der Oberseite 1a der Trägerplatte 1 ist ebenfalls strukturiert ausgebildet und befindet sich im Bereich der Fügefläche AF des Funktionselementes F unter der Glasschicht 3, wobei ein Bereich zum Anlegen der Spannung aus der Glasschicht 3 herausgeführt wird.

Das Funktionselement F weist ein bewegliches Elektrodenteil 4 auf. Diesem gegenüberliegend ist die Glasschicht 3 direkt auf der Trägerplatte 1 angeordnet. Auf der Oberseite der Glasschicht 3 ist die Festelektrode 5 in Form einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht aufgebracht. Die Glasschicht 3 ist zwischen dem Bereich der Fügefläche AF und der Festelektrode 5 unterbrochen, so daß eine zuverlässige Isolierung geschaffen wird. Über eine Durchkontaktierung 6 wird der Anschluß der Festelektrode 5 auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1 geführt. Dazu weisen die unter der Festelektrode 5 angeordnete Glasschicht 3 und die Trägerplatte 1 einen Durchbruch 7 auf. Der Durchbruch 7 ist an seiner Wandung ebenfalls mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 2 versehen, die mit der Festelektrode 5 und mit einer weiteren, im Bereich des Durchbruches 7 auf der Rückseite 1b der Trägerplatte 1 befindlichen, elektrisch leitfähigen Schicht 2 verbunden ist. Auf der Glasschicht 3 können bei Bedarf weitere elektrisch leitfähige Schichten 2 aufgebracht werden, und so angeordnet sein, daß sie teilweise unter der Fügefläche AF des kapazitiven Sensors liegen, so daß ein Preßkontakt 8 zum Silizium entsteht. Die Bondkontaktierung B1 wird am Silizium und an den Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 2 angelegt, der aus der Glasschicht 3 geführt wird. Bei Bedarf ist auch ein hermetischer Verschluß der Durchkontaktierung 6, z. B. durch ein Glas- oder Keramikteil möglich.

In Fig. 2b ist eine analoge Variante dargestellt, bei der sich jedoch die dem beweglichen Elektrodenteil 4 gegenüberliegende Festelektrode 5 unter der Glasschicht 3 befindet. Damit wird ein Kurzschluß zwischen dem beweg lichen Elektrodenteil 4 und der Festelektrode 5 ausgeschlossen. Die Kontaktierung der Festelektrode 5 erfolgt durch eine in der Hybridtechnologie bekannte Durchkontaktierung 6.

Bei allen vorgenannten Ausführungsvarianten wird über Glasschichten 3, die eine im Mikrometerbereich liegende Stärke aufweisen, anodisch gebondet.

Mit dem lateralen Bonden gem. Fig. 3a bis Fig. 5 ist es möglich, Bondpotentialabstände zu realisieren, die ein Vielfaches der Schichtdicke der Glasschicht 3 betragen. Dazu werden die Bondmetallisierungen zur Fügefläche AF des Funktionsteiles F seitlich versetzt. So ist es möglich, auch bei einer geringen Schichtdicke der Glasschicht 3 Bondpotentialabstände zu erzielen, die der Dicke üblicher Glassubstrate entsprechen. Dies gestattet die Ausdehnung der Bondspannung auf Werte um 1000 V und darüber auch bei Anwendung dünner Glasschichten 3 auf isolierenden Substraten. Dadurch entstehen beim Bonden vergleichsweise große Kräfte zwischen Glasoberfläche und Bondpartner (Funktionselemente), die den Bondvorgang unterstützen. Das Bonden erfolgt an der Fügefläche AF vom äußeren Rand her beginnend. Eine derartige Ausführungsform, bei welcher um das Funktionselement F die Bondmetallisierung 9 in Form einer elektrisch leitfähigen geschlossenen Schicht angeordnet ist, zeigen Fig. 3a und 3b. In Fig. 3a ist die Bondmetallisierung 9 über und in Fig. 3b unter der Glasschicht 3 angeordnet. Zwischen dem Funktionselement F und der Glasschicht 3 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 2 angeordnet. Bei einem Funktionselement F aus Silizium wird dabei eine günstigere Verteilung des Bondpotentials, bei einem Funktionselement F aus Keramik wird durch die elektrisch leitfähige Schicht 2 erst die Zuführung des Bondpotentials ermöglicht. Zur gezielten Führung des Bondvorganges kann die Bondmetallisierung 9 auch unterteilt sein.

Gem. Fig. 4 wird die auf oder unter der Glasschicht 3 abge schiedene Elektrode 9 durch ein Elektrodenwerkzeug 9a ersetzt, welches so gestaltet ist, daß es nach dem Absenken auf der Oberfläche der Glasschicht 3 flächig aufliegt und nach dem Bondvorgang wieder entfernt werden kann. Damit wird es möglich, die dadurch freibleibenden Flächen auch anderweitig zu nutzen, so daß eine insgesamt kleinere Bauform möglich ist. Das Elektrodenwerkzeug 9a ist z. B. als geschlossener Rahmen ausgebildet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Elektrodenwerkzeug 9a in vorteilhafter Weise so auszuführen, daß mit diesem die für die Bondverbindung erforderliche Temperatur im Bondbereich lokal erzeugt wird. Durch diese nur örtliche Erwärmung werden bereits auf der Trägerplatte 1 an anderen Positionen vorhandene mikroelektronische Bauelemente vor ungewollten Temperatureinflüssen während des Bondens geschützt.

Eine ähnliche Ausführung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei ein Siliziumrahmen 9b eingesetzt wird. Dieser kann auch auf die Glasschicht 3 der Trägerplatte 1 gebondet werden und selbst als Funktionselement dienen. Vorteilhaft bei diesen Ausführungsvarianten gem. Fig. 4 und 5 ist, daß die Befestigung der Funktionselemente F ohne zusätzliche Bondmetallisierung 9 auf oder unter der Glasschicht 3 erfolgen kann.

In Fig. 6 wird ein mikromechanisches Bauelement mit einem Funktionselement F aus Keramik dargestellt. Dieses Funktionselement F ist an seiner gesamten in Richtung zur Trägerplatte 1 weisenden Oberfläche mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 2a versehen. An einer Seite wird die elektrisch leitende Schicht 2a zur Kontaktierung an die Oberseite des aus Keramik bestehenden Funktionselementes F geführt. Beidseitig zu den Fügeflächen AF dieses Funktions elements F befinden sich zwischen der Glasschicht 3 und der Trägerplatte 1 elektrisch leitfähige Schichten in Form einer inneren Leiterbahn 2' und einer äußeren Leiterbahn 2'' zur gezielten Steuerung des Bondprozesses. Die äußere und die innere Leiterbahn 2' und 2'' können jeweils durchgängig und untereinander verbunden oder voneinander getrennt ausgebildet sein oder auch jeweils unterteilt werden. Im letzteren Fall können sie mit dem Bondpotential auch sequentiell verbunden werden. Die äußere Leiterbahn 2'' kann auch auf der Glasschicht 3 angeordnet sein (nicht dargestellt). Auch bei dieser Ausführungsform wird die Bondspannung nicht durch die Glasdicke begrenzt. Bei der Anwendung eines Elektrodenwerkzeuges 9a kann auf die äußere Leiterbahn 2'' auch verzichtet werden. Die Durchkontak tierung 6 der Festelektrode 5 auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1 erfolgt wie in Fig. 2a beschrieben. Die innere Leiterbahn 2' wird durch eine weitere in der Hybridtechnologie bekannte Durchkontaktierung 6.1 auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1 geführt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch möglich, andere isolierende Formteile (z. B. Al₂O₃-Keramik), die ganz oder teilweise metallisiert sind, miteinander zu verbinden. In Fig. 7 wird die Verbindung zweier Gehäusehälften 10.1 und 10.2 aus Keramik gezeigt. Beide Gehäusehälften 10.1 und 10.2 sind an ihren Oberflächen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 2a versehen. Im Fügebereich AF ist zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten 2a die Glasschicht 3 angeordnet. Die Bondkontaktierung B1 wird an die elektrisch leitfähige Schicht 2a beider Gehäusehälften 10.1 und 10.2 angelegt. Eines oder beide Formteile können auch flächig ausgebildet sein.

Eine Variante des lateralen Bondens eines Gehäuses 10.1 aus Keramik auf eine Trägerplatte 1 wird in Fig. 8 gezeigt. Die Metallisierung in Form der elektrisch leitfähigen Schicht 2 und die Glasschicht 3 sind auf der Trägerplatte 1 aus Keramiksubstrat aufgebracht. Die elektrisch leitfähige Schicht 2 kann sowohl unter als auch auf der Glasschicht 3 sein. Es ist auch möglich, die Trägerplatte 1 als Formteil auszubilden. Die Bondkontaktierung wird an die elektrisch leitfähigen Schichten 2 und 2a angelegt.

Gem. Fig. 9 sind auch mehrere Platten über Zwischen schichten aus Glas miteinander simultan oder sequentiell bondbar. Bestehen die Platten aus bondbarem Material (z. B. Glaswafer) kann auf Glaszwischenschichten verzichtet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Platten 11, 12 und 13 übereinander angeordnet. Die erste Platte 11 besteht aus einem metallisierten Glassubstrat, während die zweite Platte 12 und die dritte Platte 13 aus Keramiksubstrat gefertigt wurden. Die Keramikplatten 12 und 13 weisen beidseitig elektrisch leitfähige Schichten 2 auf. Zwischen den Platten 11, 12 und 13 sind Glasschichten 3 angeordnet.

In Fig. 10 wird eine mikromechanische Struktur mit beidseitig aufgebrachten Funktionselementen F1 bis F3 gezeigt. Dabei ist die Trägerplatte 1 als Mehrlagenkeramik mit Durchkontaktierungen und inneren Leitbahnsystemen ausgebildet. Auf die Oberseite 1a der Trägerplatte 1 sind ein erstes Funktionselement F1 und ein zweites Funktions element F2 aus Silizium auf eine Glasschicht 3a und auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1 ein drittes Funktions element F3 aus Keramik über eine weitere Glasschicht 3b gebondet. Die Funktionselemente F1 bis F3 weisen jeweils eine bewegliche Elektrode 4.1, 4.2 und 4.3 auf. Der beweglichen Elektrode 4.1, 4.2 und 4.3 gegenüberliegend ist jeweils auf der Trägerplatte 1 unter der Glasschicht 3a bzw. 3b eine Festelektrode 5.1, 5.2, 5.3 angeordnet. Die Sensor-/Aktorkontaktierungen S1, S2 und S3 und die Bondkontaktierungen B1, B2', B2'', B3 der Funktionselemente F1, F2 und F3 werden über entsprechende Durch kontaktierungen auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1 geführt. Das Funktionselement F1 weist auf der Bondseite eine elektrisch leitfähige Schicht 2a auf. Im Bereich der Fügefläche AF des ersten Funktionselementes F1 ist ebenfalls eine elektrisch leitfähige Schicht 2 unter der Glasschicht 3a angeordnet. Zwischen Funktionselement F1 und Trägerplatte 1 wird an der Fügefläche AF ein Metall/Metall-Preß kontakt 8 gebildet. Von dieser elektrisch leitfähigen Schicht 2 über der Glasschicht 3a führt eine Durch kontaktierung K.1a; von der elektrisch leitfähigen Schicht 2 unter der Glasschicht 3a eine Kontaktierung K.1b auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1. Gleichermaßen führt von der unter der Glasschicht 3a angeordneten Festelektrode 5.1 eine Durchkontaktierung K.1c auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1. Auf der Rückseite 1b der Trägerplatte 1 erfolgt an den Durchkontaktierungen K.1a und K.1b der An schluß der Bondkontaktierung B1 und an den Durchkontak tierungen K.1a und K.1c die Sensor-/Aktorkontaktierung S1 des Funktionselementes F1, je nachdem ob es als Sensor oder Aktor ausgebildet ist. Alternativ kann die Bondkontak tierung B1 auch an das Funktionselement F1 und an die elektrisch leitfähige Schicht 2 unter der Glasschicht 3a im Fügebereich AF gelegt werden (gestrichelt dargestellt). In diesem Fall kann die Durchkontaktierung K.1b entfallen.

Im Bereich der Fügefläche AF des Funktionselementes F2 weist die Trägerplatte 1, wie in Fig. 6 beschrieben, äußere und innere unter der Glasschicht 3a angeordnete elektrisch leitfähige Schichten 2' und 2'' auf. Das Funktionselement F2 ist über einen Preßkontakt 8 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 2 auf der Glasschicht 3a verbunden. Vom Preßkontakt 8 führt eine Kontaktierung K.2a; von der äußeren elektrisch leitfähigen Schicht 2'' eine Kontaktie rung K.2b; von der inneren elektrisch leitfähigen Schicht 2' eine Kontaktierung K.2c; und von der Festelektrode 5.2 eine Kontaktierung K.2d auf die Rückseite 1b der Trägerplatte 1. Vom Funktionselement F2 zu K.2b erfolgt die äußere Bondkontaktierung B2'' und vom Funktionselement F2 zu K.2c die innere Bondkontaktierung B2'. An K.2a und K.2d wird die Sensor-/Aktorkontaktierung S2 angeschlossen.

Alternativ kann die Bondkontaktierung B2' bzw. B2'' direkt zwischen dem Funktionselement F2 und der inneren und äußeren elektrisch leitfähigen Schicht 2' und 2'' erfolgen (gestrichelt dargestellt). Dann können die Durchkontaktie rungen K.2b und K.2c entfallen. Weiterhin kann die Bond kontaktierung B2'' auch auf der Rückseite 1b der Trägerplatte 1 an K.2a und K.2b bzw. an K.2a und K.2c erfolgen (nicht dargestellt). Beim Bonden von F2 ist eine verhältnismäßig hohe Spannung erforderlich.

Zur Verhinderung von elektrischen Durchschlägen ist eine hinreichende seitliche Entfernung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 2, die zum Preßkontakt 8 führt und der elektrisch leitfähigen Schicht 2'' einzuhalten. Die Kreuzung beider Metallschichten würde beim Bonden einen elektrischen Durchschlag in der Glasschicht hervorrufen. Das dritte Funktionselement F3 aus Keramik weist an seiner Oberfläche eine durchgängige elektrisch leitfähige Schicht 2a auf. Im Fügebereich AF wurde auf der Rückseite 1b der Trägerplatte 1 eine Metallschicht 2 aufgetragen. Über dieser ist eine Glasschicht 3b zwischen Funktionselement F3 und Trägerplatte 1 aufgebracht, wobei ein Bereich der Metallschicht 2 für den Anschluß der Bondkontaktierung B3 freibleibt. Weiterhin ist eine Glasschicht 3b über der Festelektrode 5.3 vorgesehen. Von der Festelektrode 5.3 führt durch die Trägerplatte 1 zurück auf deren Rückseite 1b eine weitere Durchkontaktierung K3. Die Bondkontak tierung B3 erfolgt zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 2a des Funktionselementes F3 und der elektrisch leitfähigen Schicht 2 und die Sensor-/Aktorkontaktierung S3 dieses dritten Funktionselementes F3 erfolgt durch Anschluß an der Kontaktierung K3 und der elektrisch leitfähigen Schicht 2a.

Neben diesem Ausführungsbeispiel sind auch entsprechend des Einsatzgebietes zahlreiche Möglichkeiten für die Gestaltung der mikromechanischen Strukturen möglich. So können die Kontaktierungen auch auf beiden Seiten 1a und 1b der Trägerplatte 1 erfolgen oder wahlweise auch komplett auf die Oberseite 1a der Trägerplatte 1 geführt werden. Weiter hin kann die Trägerplatte mit weiteren Funktionselementen Fn bestückt werden.

Die dargestellten Varianten gestatten sowohl eine unmittelbare Verbindung von beschichteten Substraten der Hybridtechnologie untereinander als auch mit Mikrosystem komponenten aus Silizium, Glas o. ä. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die gemeinsame Nutzung des elektrostatischen Bondens und fortschrittlicher Halbleiter- und Hybridtechnologie möglich. Der Bondvorgang ist durch gezieltes Einwirken von Normalkräften auf die Bondebenen beeinflußbar.

Das Trägersubstrat wird erstmalig als mikromechanische Systemebene nutzbar, wodurch die Anzahl der Systemebenen reduziert werden kann. Gleichermaßen ist eine Verringerung sonst notwendiger Drahtbondungen möglich. Weiterhin ist eine fremd- und schadstoffarme Häusung von Baugruppen gegeben.

Durch den Einsatz von Trägermaterialien in Form von Keramik, die bei üblichen Bondtemperaturen und darüber hinaus elektrisch isolieren, eröffnen sich neue Perspek tiven für die Hochtemperatursensorik.

Bezugszeichenliste

1

Trägerplatte

1

a Oberseite der Trägerplatte

1

b Rückseite der Trägerplatte

1

2

elektrisch leitfähige Schicht

2

a elektrisch leitfähige Schicht

2

' innere Leiterbahn

2

'' äußere Leiterbahn

3

Glasschicht

3

a,

3

b Glasschicht

4

bewegliche Elektrode

4.1

,

4.2

,

4.3

bewegliche Elektrode

5

Festelektrode

5.1

,

5.2

,

5.3

Festelektrode

6

,

6.1

Durchkontaktierung

7

Durchbruch

8

Preßkontakt

9

Bondmetallisierung

9

a Elektrodenwerkzeug

9

b Siliziumrahmen

10.1

Gehäusehälfte

10.2

Gehäusehälfte

11

erste Platte

12

zweite Platte

13

dritte Platte
AF Fügeflächen
F Funktionselement
F

1

, F

2

, F

3

, Fn Funktionselement
K.

1

a, K.

1

b, K.

1

c Durchkontaktierungen von F

1

K.

2

a, K.

2

b, K.

2

c, K.

2

d Durchkontaktierungen von F

2

K

3

Durchkontaktierung von F

3

B

1

, B

3

Bondkontaktierung
B

2

' innere Bondkontaktierung
B

2

'' äußere Bondkontaktierung
S

1

, S

2

, S

3

Sensor-/Aktorkontaktierung

Claims

1. Mikromechanische Bauelemente und Strukturen mit Funktionselementen, die auf einer Trägerplatte durch elektrostatisches Bonden angeordnet sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägerplatte (1) aus einem auch bei hohen Temperaturen isolierenden keramischen Substrat besteht und auf ihren den Funktionselementen zugewandten Seite (1a) eine im Vergleich zu Waferdicken dünne strukturierbare und bondbare Glasschicht (3) aufweist.

2. Mikromechanische Bauelemente und Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (1) in Richtung zur Glasschicht (3) und/oder die Glasschicht (3) an der Oberseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (2) versehen sind.

3. Mikromechanische Bauelemente und Strukturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (1) auf ihrer, der Glasschicht (3) abgewandten Rückseite (1b) eine elektrisch leitfähige Schicht (2) aufweist, daß die Glasschicht (3) und die Trägerplatte (1) jeweils mit mindestens einem Durchbruch (7) versehen sind und daß von der elektrisch leitfähigen Schicht (2) auf oder unter der Glasschicht (3) zur elektrisch leitfähigen Schicht (2) auf der Rückseite (1b) der Trägerplatte (1) eine Durchkontak tierung (6) führt.

4. Mikromechanische Bauelemente und Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierung (6) in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht (2) an der bzw. den Wandungsflächen der Durchbrüche (7) ausgebildet ist.

5. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem keramischen Dünn- oder Dickschichtsubstrat bestehende Trägerplatte (1)

- bedarfsweise mit Durchbrüchen (7, 7.1 bis 7.n) versehen wird,
- bedarfsweise ein oder mehrere Durchbrüche (7, 7.1 bis 7.n) der Trägerplatte (1), deren Oberseite (1a) und/oder deren Rückseite (1b) an den erforderlichen Positionen mit einer festhaftenden elektrisch leitfähigen Schicht (2) versehen werden, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (2) zur Bildung von leiterbahnartigen Strukturen und Elektroden strukturiert sein kann,
- anschließend die Oberseite (1a) der Trägerplatte (1) und/oder die auf der Trägerplatte (1) bereits aufgebrachte elektrisch leitfähige Schicht (2) mit einer Glasschicht (3) versehen werden,
- nachfolgend bedarfsweise auf die Glasschicht (3) eine weitere elektrisch leitfähige Schicht (2) aufgebracht wird, die bedarfsweise mit anderen elektrisch leitfähigen Schichten (2) verbunden sein kann,
- anschließend gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander die Funktionselemente (F1, F2, F3 bis Fn) an der Oberseite (1a) der Glasschicht (3) und/oder auf einer der elektrisch leitfähigen Schichten (2) durch elektro statisches Bonden befestigt werden.

6. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und Strukturen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Trägerplatte (1) und den Funktionselementen (F1, F2, F3 bis Fn) durch elektro statisches Bonden erfolgt, wobei die Glasschicht (3) einerseits die Funktion einer Haftvermittler- und Isolationsschicht zwischen Trägerplatte (1) und den Funktionselementen (F1, F2, F3 bis Fn) und andererseits einer Passivierungsschicht sowie einer Isolationsschicht zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten (2) übernimmt.

7. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und Strukturen nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Schichten (2) und die Glasschicht (3) in strukturierter Form aufgebracht werden.

8. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und Strukturen nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Durchkontaktierungen (6) in der Trägerplatte (1) vorgefertigt sind.

9. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und Strukturen nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondparameter Temperatur und Spannung aus Richtung des zu bondenden Funktionselementes durch ein Bondwerkzeug (9a) im Bondbereich erzeugt werden.