WO2005118463A1 - Mikromechanisches bauelement mit mehreren kammern und herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanisches bauelement mit mehreren kammern und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2005118463A1
WO2005118463A1 PCT/EP2005/051917 EP2005051917W WO2005118463A1 WO 2005118463 A1 WO2005118463 A1 WO 2005118463A1 EP 2005051917 W EP2005051917 W EP 2005051917W WO 2005118463 A1 WO2005118463 A1 WO 2005118463A1
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WO
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micromechanical component
cap
component
caverns
micromechanical
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Application number
PCT/EP2005/051917
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Frank Fischer
Eckhard Graf
Heiko Stahl
Hartmut Kueppers
Roland Scheuerer
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to JP2007513899A priority patent/JP2008501535A/ja
Priority to US11/628,100 priority patent/US8174082B2/en
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0041—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with techniques not provided for in B81B7/0038
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/025—Inertial sensors not provided for in B81B2201/0235 - B81B2201/0242
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/019—Bonding or gluing multiple substrate layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0145—Hermetically sealing an opening in the lid

Definitions

  • the invention is based on a micromechanical component and a method for producing a micromechanical component according to the type of the relevant independent claims. It is known from the prior art that discrete sensors, in particular rotation rate sensors and acceleration sensors, can be produced using micromechanics. It is also known that rotation rate and acceleration sensors can be integrated together with one or more evaluation circuits in a common housing to form a sensor system. It is also known to integrate micromechanical sensors and the associated evaluation circuit monolithically.
  • the packaging of a micromechanical sensor by means of a cap is shown in German patent application DE 101 04868. The sensor and cap are anodically bonded and delimit a cavern. It is also known from German patent application DE 10243 014 to arrange two caverns in one micromechanical component.
  • the micromechanical component according to the invention is distinguished from known components in that it has at least two caverns with different internal pressures.
  • the integration of several different micromechanical sensors is advantageously determined by type allows different atmospheric internal pressures in a common micromechanical component.
  • the atmospheric internal pressure in the cavern is, for example, 5 mbar to 1.5 bar.
  • a suitable damping for the micromechanical deflection part of acceleration sensors can be set by this pressure.
  • the internal cavity pressure should be selected to be very low in order to ensure a high quality of the vibrator.
  • internal cavern pressures of ⁇ 10 " ⁇ bar are advantageous.
  • micromechanical component provides that at least two caverns are delimited by a common cap. This enables the micromechanical component to be designed in a particularly compact manner of such a component, in particular, these two caverns have different atmospheric internal pressures.
  • At least one cavern has a closed access opening.
  • a predeterminable pressure in the cavern can be set in a simple manner by means of such an access opening.
  • a further advantageous embodiment of the component according to the invention provides that the access opening exists through a component substrate.
  • the access opening here can be provided particularly easily in the sensor production and can also be closed again.
  • the component has a buried semiconductor structure. Buried iter structures make it possible to make the connection surface between the cap and the micromechanical component particularly flat and thus tight.
  • a particularly advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the component has at least one means for electrical contacting, in particular metallization, on a contact area of a component substrate. This configuration does not allow all contacts and non-buried iter structures of the micromechanical component on the to lead capped side of the micromechanical component. The complete capping of one side of the micromechanical component is thus advantageously possible.
  • At least one cavern of the micromechanical component is sealed by means of a circumferential hermetic material connection.
  • the predetermined internal pressure in the cavern is advantageously maintained over the service life of the micromechanical component.
  • Cap consists of a silicon substrate, which is connected to a glass layer. Such a cap can be applied with its glass layer particularly easily to a micromechanical component made of silicon and fastened by means of anodic bonds.
  • the cap in particular the glass layer, has at least one recess to form a cavern.
  • the recess in the cap advantageously enlarges the cavern. There is thus more space in the cavern for micromechanical functional parts.
  • the method according to the invention for producing a micromechanical component is distinguished from known methods in that the micromechanical component and the cap are hermetically connected to one another at a first predeterminable atmospheric pressure, then access to at least one cavern is generated and then access to one second predetermined atmospheric pressure is hermetically sealed. It is advantageous here that, at least for one cavern, the atmospheric internal pressure can already be specified during the capping process step. It is also advantageous that different atmospheric internal pressures can be specified in the individual caverns, which means, for example, that different micromechanical sensors can be produced with pressures of different types.
  • the caverns consisting of the cap and the micromechanical component can be produced by connection processes with practically any process pressure, because the access to the cavern interior pressure can still be changed after the access.
  • Cap is made of a silicon substrate and a glass, which are bonded together by anodic bonding. It is advantageous here that a cap can be produced in this simple manner and can be connected to a micromechanical component in a further process step of anodic bonding.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that at least one recess, in particular by etching, is produced in the glass to form a cavern.
  • This method can advantageously produce a cap which, starting from a flat substrate and a flat glass, enables the formation of the largest possible cavern.
  • micromechanical component and the cap are connected to one another by anodic bonding.
  • Anodic bonding enables hermetic connections to be made.
  • the access is generated in a component substrate of the micromechanical component. Access is easily and inexpensively generated in the same manufacturing step, in which trenches for the electrical insulation of parts of the component are made in the component substrate of the micromechanical component.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the access is closed by means of a deposition process, in particular a CVD method.
  • a deposition process enables the Access at particularly low process pressures. This is advantageous for the creation of caverns with a low atmospheric pressure.
  • FIG. 1 shows the provision of a substrate and a glass
  • FIG. 2 shows the connection of substrate and glass by means of anodic bonding
  • FIG. 3 shows the thinning of the glass layer
  • FIG. 4 shows the etching of recesses in the glass
  • FIG. 5 shows the application of a shield and the parallelization of the substrate
  • FIG. 6 shows the alignment of a cap with respect to a micromechanical component
  • FIG. 7 shows the connection of component and cap
  • FIG. 8 shows the creation of an access opening to a cavern
  • FIG. 9 shows the closing of the access opening
  • FIG. 10 shows the creation of a rear-side contact
  • FIG. 11 shows an arrangement of several caverns in a micromechanical component.
  • FIG. 1 shows the provision of a substrate and a glass for the production of a cap.
  • a cap substrate 100 which in this example consists of silicon, is arranged and aligned with a glass 150.
  • the glass 150 is made of Pyrex.
  • the cap substrate 100 and the glass 150 must have a suitable roughness of the facing surfaces for a connection.
  • FIG. 2 shows the connection of the substrate 100 to the glass 150.
  • the connection takes place, for example, using the known technique of anodic bonding.
  • Figure 3 shows the thinning of the glass layer.
  • the glass 150 is thinned 300 by grinding and chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Figure 4 shows the creation of recesses in glass.
  • Glass 150 can be produced, for example, by a BOE etching process (Buffered Oxid Etch).
  • the recesses 400 have a depth of approximately 5.5 ⁇ m.
  • support areas 450 can be left out.
  • FIG. 5 shows the creation of a shield and the parallelization of the cap substrate.
  • a metal layer is deposited on areas of the glass layer 150, in particular in the area of the recesses 400 and the support area 450.
  • This metal layer can e.g. are made of aluminum and have a thickness of approx. 400 nm.
  • the metal layer can be
  • the shield 550 can optionally have a contact tab 555 such that a conductive connection can be contacted thereon.
  • the cap substrate 100 is parallelized.
  • Parallelization 560 takes place from the rear of the cap substrate 100.
  • the parallelization 560 is intended to ensure that the essentially disk-shaped cap substrate 100 has approximately the same thickness everywhere, which in this example is approximately 450 ⁇ m.
  • the cap substrate 100, the glass layer 150 and the shield 550 together form a cap 500.
  • FIG. 6 shows the alignment of the cap with respect to a micromechanical component.
  • the micromechanical component 600 has a micromechanical functional layer 610 made of polycrystalline silicon, a dielectric layer 620 made of silicon oxide and a component substrate 630 made of silicon.
  • the micromechanical functional layer 610 has a connection area 640, micromechanical structures 650 and optionally support bearing 655.
  • the glass layer 150 in the cap 500 has bonding surfaces 660 on the surface facing the micromechanical component 600.
  • FIG. 7 shows the connection of component and cap.
  • the cap 500 is with the
  • Component 600 anodically bonded to bonding surfaces 660.
  • This material connection of the glass layer 150 with the micromechanical functional layer 610 is hermetically sealed.
  • the cap 500 and the micromechanical component 600 delimit at least one cavern 700.
  • FIG. 8 shows the creation of an access opening to a cavern.
  • the component substrate 630 is thinned 800 to a thickness of approximately 125 ⁇ m.
  • the thinning 800 is done for example by grinding and polishing.
  • Trenches 810 are then introduced into the component substrate 630 and isolate the contact regions 830 from the remaining component substrate 630. In the same manufacturing step, the
  • Component substrate 630 introduced an access opening 820 to the cavern 700. Through the access opening 820, the atmospheric cavern pressure is adjusted to the ambient pressure.
  • Figure 9 shows the closing of the access opening.
  • the component substrate 630 is coated with an oxide 900, which is done, for example, by means of a CVD method.
  • the oxide 900 fills the isolation trenches 810, closes the access opening 820 and otherwise coats the component substrate 630.
  • the process pressure during the coating process which can be less than 10 "3, is enclosed in the cavern 700.
  • the contact area 830 is covered by the coating recessed at least partially with the oxide 900.
  • FIG. 10 shows the generation of a rear-side contact on the micromechanical component 600.
  • a metallization 10 is applied to the contact area 830 and in some areas to the oxide 900.
  • the metallization 10 can during Application or also be structured in a later manufacturing step. This process step enables contacts to be made to conductive areas inside the micromechanical component, as well as contacts and conductor tracks on the surface.
  • FIG. 11 shows a micromechanical component according to the invention with several caverns.
  • the component is schematically shown transparently in plan view.
  • the caverns 700 a, b are located inside the micromechanical component and in this example are formed by a single common cap on the component.
  • the cap and the component have connection surfaces 660 which, after the anodic bonding in this example, form a first bond frame 113 and a second bond frame 115.
  • the first bond frame 113 encloses a cavern 700a, which has a closed access opening 820.
  • An internal pressure of less than 10 ⁇ 3 bar is conceivable.
  • the cavern 700a houses a micromechanical functional element 111 which, due to its design, works at very low pressures. This can e.g. a micromechanical rotation rate sensor or another high-quality micromechanical oscillator.
  • the vacuum in the cavern 700a is hermetically sealed by the bonding frame 113 from the ambient pressure.
  • the micromechanical component has three further caverns 700b which have no access opening 820 at all.
  • These caverns 700b essentially contain the process pressure that prevailed during the process step of anodic bonding. This can be, for example, pressures between 5 mbar and 1.5 bar.
  • Functional elements 110 are arranged in these caverns 700b, which function by design at higher pressures or are more tolerant towards higher working pressures.
  • the micromechanical functional elements 110 can be acceleration sensor structures, for example, which work damped at the given atmospheric internal pressure of the caverns 700b.
  • the three caverns 700b with higher internal pressure are hermetically sealed from the vacuum in the fourth cavern 700a by the bonding frame 113. Furthermore, all caverns 700a, b are hermetically sealed from the outside world by the common bond frame 115. In this example, the three caverns 700b with a higher internal pressure are not separated from one another by further bond frames, since they are in them after the process step of anodic bonding, essentially the same inside cavern pressure prevails.
  • contact areas 10 produced by metallization are also shown in FIG.
  • the micromechanical component can be connected, for example, to an external evaluation circuit, not shown here.
  • micromechanical component Further configurations of the micromechanical component are possible.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, wobei die Kavernen unterschiedliche atmosphärische Innendrücke aufweisen. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind. Dabei werden das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden. Danach wird ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt, und anschliessend wird der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen.

Description

MIKROMECHANISCHES BAUELEMENT MIT MEHREREN KAMMERN UND HERSTELLUNGSVERFAHREN
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement und einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach der Gattung der betreffenden unabhängigen Patentansprüche. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass diskrete Sensoren insbesondere Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren in Mikromechanik hergestellt werden können. Es ist ebenfalls bekannt, dass Drehraten- und Beschleunigungssensoren zusammen mit einem oder mehreren Auswerteschaltungen in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem Sensorsystem integriert werden können. Weiterhin ist bekannt, mikromechanische Sensoren und die zugehörige Auswerteschaltung monolithisch zu integrieren. In der deutschen Patentanmeldung DE 101 04868 ist das Verpacken eines mikromechanischen Sensors mittels einer Kappe gezeigt. Sensor und Kappe sind anodisch gebondet und begrenzen eine Kaverne. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10243 014 ist weiterhin bekannt, zwei Kavernen in einem mikromechanischen Bauteil anzuordnen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement zeichnet sich gegenüber bekannten Bauelementen dadurch aus, dass es wenigstens zwei Kavernen mit unterschiedlichen Innendrücken aufweist. Dadurch wird vorteilhaft die Integration mehrerer unterschiedlicher mikromechanischer Sensoren mit bauartbestimmt unterschiedlichen atmosphärischen Innendrücken in einem gemeinsamen mikromechanischen Bauelement ermöglicht. Bei einem mikromechanischen Beschleunigungssensor ist der atmosphärische Innendruck in der Kaverne beispielsweise mit 5 mbar bis 1,5 bar vorgegeben. Durch diesen Druck lässt sich eine geeignete , Dämpfung für das mikromechanische Auslenkungsteil von Beschleunigungssensoren einstellen. Bei aktiv schwingenden Sensoren insbesondere bei Drehratensensoren ist der Kaverneninnendruck sehr klein zu wählen um eine hohe Güte des Schwingers zu gewährleisten. Hier sind Kaverneninnendrücke von < 10"^ bar vorteilhaft. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass wenigstens zwei Kavernen von einer gemeinsamen Kappe begrenzt sind. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des mikromechanischen Bauelements. Weiterhin kann hierdurch die Anzahl der Schritte zur Herstellung eines solchen Bauelements verringert werden. Insbesondere weisen diese beiden Kavernen unterschiedliche atmosphärische Innendrücke auf.
Vorteilhaft ist auch, dass wenigstens eine Kaverne eine verschlossene Zugangsöffhung aufweist. Mittels einer solchen Zugangsöffhung kann auf einfache Weise ein vorgebbarer Druck in der Kaverne eingestellt werden.
" Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements sieht vor, dass die Zugangsöff ung durch ein Bauteilsubstrat hindurch besteht. Die Zugangsöffhung kann hier bei der Sensorfertigung besonders einfach vorgesehen und auch wieder verschlossen werden.
Vorteilhaft ist auch, wenn das Bauelement eine vergrabene ll«iterstruktur aufweist. Vergrabene I^iterstrukturen ermöglichen es, die Verbindungsfläche zwischen Kappe und mikromechanischem Bauteil besonders eben und damit dicht zu gestalten. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass das Bauelement an einem Kontaktbereich eines Bauteilsubstrats wenigstens ein Mittel zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine Metallisierung, aufweist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, alle Kontakte und nicht vergrabene I^iterstrukturen des mikromechanischen Bauelements auf der nicht verkappten Seite des mikromechanischen Bauteils zu führen. Somit ist vorteilhaft die komplette Verkappung einer Seite des mikromechanischen Bauteils möglich.
Vorteilhaft ist auch, dass wenigstens eine Kaverne des mikromechanischen Bauelements mittels einer umlaufenden hermetischen Materialverbindung abgedichtet ist. Hierdurch wird vorteilhaft der vorgegebene Innendruck in der Kaverne über die Lebensdauer des mikromechanischen Bauelements gehalten.
Vorteilhaft ist auch, wenn mehrere Kavernen mittels einer gemeinsamen umlaufenden hermetischen Materialverbindung abgedichtet sind. Vorteilhaft können so Bereiche des mikromechanischen Bauelements mit gleichem Druck in den betroffenen Kavernen vorgesehen werden. Weiterhin ist es auch möglich, Bereiche unterschiedlichen Drucks insbesondere stufenweise besseren Vakuums vorzusehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements sieht vor, dass die
Kappe aus einem Siliziumsubstrat, welches mit einer Glasschicht verbunden ist, besteht. Eine solche Kappe kann mit ihrer Glasschicht besonders einfach auf ein mikromechanisches Bauteil aus Silizium aufgebracht und mittels anodischen Bonden befestigt werden.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Kappe, insbesondere die Glasschicht, zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung aufweist. Durch die Ausnehmung in der Kappe wird vorteilhaft die Kaverne vergrößert. In der Kaverne besteht somit mehr Raum für mikromechanische Funktionsteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, zeichnet sich gegenüber bekannten Verfahren dadurch aus, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden werden, danach ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt wird und anschließend der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass wenigstens für eine Kaverne der atmosphärische Innendruck bereits beim Prozessschritt des Verkappens vorgegeben werden kann. Vorteilhaft ist weiterhin, dass in den einzelnen Kavernen verschiedene atmosphärische Innendrücke vorgebbar sind, wodurch beispielsweise verschiedene mikromechanische Sensoren mit bauartbestimmt unterschiedlichen Drücken herstellbar sind.
Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die aus Kappe und mikromechanischem Bauteil bestehenden Kavernen durch Verbindungsprozessen mit praktisch beliebigem Prozessdruck herstellbar sind, weil durch den Zugang im Nachhinein der Kaverneninnendruck immer noch änderbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die
Kappe aus einem Siliziumsubstrat und einem Glas hergestellt wird, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass auf diese einfache Weise eine Kappe herstellbar ist, die in einem weiteren Prozessschritt des anodischen Bondens mit einem mikromechanischen Bauteil verbunden werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in dem Glas zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere durch Ätzen, erzeugt wird. Vorteilhaft kann durch dieses Verfahren eine Kappe hergestellt werden, welche ausgehend von einem ebenen Substrat und einem ebenen Glas die Bildung einer möglichst großen Kaverne ermöglicht.
Vorteilhaft ist auch, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Anodisches Bonden ermöglicht die Herstellung hermetischer Verbindungen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Zugang in einem Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils erzeugt wird. Der Zugang wird einfach und kostengünstig in dem selben Herstellungsschritt erzeugt, bei dem in das Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils Gräben zur elektrischen Isolation von Teilen des Bauteils eingebracht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Zugang mittels eines Abscheideprozesses, insbesondere eines CVD-Verfahrens, verschlossen wird. Ein derartiger Abscheideprozess ermöglicht das Verschließen des Zuganges bei besonders geringen Prozessdrücken. Dies ist vorteilhaft zur Erzeugung von Kavernen mit geringem atmosphärischem Innendruck.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Verfahrensschritte des Öfihens von Zugängen und des nachfolgenden Verschließens unter einem vorgebbaren atmosphärischen Druck mehrfach hintereinander ausgeführt werden können. Hierdurch ist es möglich, weitere Kavernen mit unterschiedlichen vorgebbaren atmosphärischen Drücken herzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt das Bereitstellen eines Substrates und eines Glases, Figur 2 zeigt das Verbinden von Substrat und Glas mittels anodischen Bondens, Figur 3 zeigt das Abdünnen der Glasschicht,
Figur 4 zeigt das Ätzen von Ausnehmungen im Glas,
Figur 5 zeigt das Aufbringen einer Abschirmung und das Parallelisieren des Substrates, Figur 6 zeigt das Ausrichten einer Kappe gegenüber einem mikromechanischen Bauteil, Figur 7 zeigt das Verbinden von Bauteil und Kappe, Figur 8 zeigt das Erzeugen einer Zugangsöffhung zu einer Kaverne,
Figur 9 zeigt das Verschießen der Zugangsöffhung, Figur 10 zeigt das Erzeugen eines Rückseitenkontaktes und Figur 11 zeigt eine Anordnung mehrerer Kavernen in einem mikromechanischen Bauelement.
Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen
Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden. Figur 1 zeigt das Bereitstellen eines Substrates und eines Glases zur Herstellung einer Kappe. Ein Kappensubstrat 100, welches in diesem Beispiel aus Silizium besteht, wird gegenüber einem Glas 150 angeordnet und ausgerichtet. Das Glas 150 besteht in diesem Beispiel aus Pyrex. Das Kappensübstrat 100 und das Glas 150 müssen für eine Verbindung eine geeignete Rauhigkeit der einander zugewandten Oberflächen aufweisen.
Figur 2 zeigt das Verbinden des Substrats 100 mit dem Glas 150. Die Verbindung erfolgt beispielsweise mittels der bekannten Technik des anodischen Bondens.
Figur 3 zeigt das Abdünnen der Glasschicht. Das Abdünnen 300 des Glases 150 erfolgt durch Schleifen und chemisch-mechanisches Polieren (CMP). Im Ergebnis entsteht in diesem Beispiel eine Glasschicht 150 mit einer Dicke von ca. 50 μm.
Figur 4 zeigt das Erzeugen von Ausnehmungen in Glas. Die Ausnehmungen 400 in dem
Glas 150 können beispielsweise durch ein BOE-Ätzverfahren (engl.: Buffered Oxid Etch) hergestellt werden. Die Ausnehmungen 400 haben in dem gezeigten Beispiel eine Tiefe von ca. 5,5 μm. Beim Erzeugen der Ausnehmungen kann vorgesehen werden, Stützbereiche 450 auszusparen.
Figur 5 zeigt das Erzeugen einer Abschirmung und das Parallelisieren des Kappensubstrals. Zur Erzeugung eines Abschirmung 550 wird auf Bereichen der Glasschicht 150, insbesondere im Bereich der Ausnehmungen 400 und dem Stützbereich 450, eine Metallschicht abgeschieden. Diese Metallschicht kann z.B. aus Aluminium bestehen und weist hier eine Dicke von ca. 400 nm auf. Die Metallschicht kann bei
Bedarf strakturiert abgeschieden oder auch nach der Abscheidung strukturiert werden. Die Abschirmung 550 kann optional eine Kontaktfahne 555 aufweisen, derart, dass daran eine leitfähige Verbindung kontaktiert werden kann.
Im nächsten Herstellungsschritt wird das Kappensubstrat 100 parallelisiert. Das
Parallelisieren 560 erfolgt von der Rückseite des Kappensübstrates 100 aus. Durch das Parallelisieren 560 soll sichergestellt werden, dass das im Wesentlichen scheibenförmige Kappensubstrat 100 überall in etwa die gleiche Dicke aufweist, die in diesem Beispiel ca. 450μm beträgt. Das Kappensubstrat 100, die Glasschicht 150 und die Abschirmung 550 bilden zusammen eine Kappe 500. Figur 6 zeigt das Ausrichten der Kappe gegenüber einem mikromechanischen Bauteil. Das mikromechanische Bauteil 600 weist eine mikromechanische Funktionsschicht 610 aus polykristallinem Silizium, eine dielektrische Schicht 620 aus Siliziumoxid und ein Bauteilsubstrat 630 aus Silizium auf. Die mikromechanische Funktionsschicht 610 weist einen Anschlussbereich 640, mikromechanische Strukturen 650 und optional Stützlager 655 auf. Die Glasschicht 150 in der Kappe 500 weist an der dem mikromechanischen Bauteil 600 zugewandten Fläche Bondflächen 660 auf.
Figur 7 zeigt das Verbinden von Bauteil und Kappe. Dabei wird die Kappe 500 mit dem
Bauteil 600 an den Bondflächen 660 anodisch gebondet. Diese Materialverbindung der Glasschicht 150 mit der mikromechanischen Funktionsschicht 610 ist hermetisch dicht. Im Ergebnis begrenzen die Kappe 500 und das mikromechanische Bauteil 600 wenigstens eine Kaverne 700.
Figur 8 zeigt das Erzeugen einer Zugangsöffhung zu einer Kaverne. Zunächst erfolgt ein Abdünnen 800 des Bauteilsubstrats 630 auf eine Dicke von ca. 125μm. Das Abdünnen 800 geschieht beispielsweise durch Schleifen und Polieren. Anschließend werden in das Bauteilsubstrat 630 Gräben 810 eingebracht, die Kontaktbereiche 830 vom restlichen Bauteilsubstrat 630 isolieren. In dem selben Herstellungsschritt wird in das
Bauteilsubstrat 630 eine Zugangsöffhung 820 zur Kaverne 700 eingebracht. Durch die Zugangsöffhung 820 wird der atmosphärische Kaverneninnendruck dem Umgebungsdruck angeglichen.
Figur 9 zeigt das Verschließen der Zugangsöffhung. Dazu wird das Bauteilsubstrat 630 mit einem Oxid 900 beschichtet, was beispielsweise mittels eines CVD- Verfahrens geschieht. Das Oxid 900 verfüllt die Isolationsgräben 810, verschließt die Zugangsöffiiung 820 und beschichtet im übrigen das Bauteilsubstrat 630. Der Prozessdruck während des Beschichtens, der weniger als 10"3 betragen kann, wird dabei in der Kaverne 700 eingeschlossen. Der Kontaktbereich 830 wird von der Beschichtung mit dem Oxid 900 wenigstens teilweise ausgespart.
Figur 10 zeigt das Erzeugen eines Rückseitenkontaktes auf dem mikromechanischen Bauteil 600. Dabei wird eine Metallisierung 10 auf den Kontaktbereich 830 und bereichsweise auf das Oxid 900 aufgebracht. Die Metallisierung 10 kann während des Λufbringens oder auch in einem späteren Herstellungsschritt strukturiert werden. Durch diesen Prozessschritt können Kontakte zu leitfähigen Bereichen im Inneren des mikromechanischen Bauelements sowie Kontakte und Leiterbahnen auf der Oberfläche hergestellt werden.
Figur 11 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit mehreren Kavernen. Das Bauelement ist schematisch in Draufsicht durchsichtig dargestellt. Die Kavernen 700 a,b befinden sich im Inneren des mikromechanischen Bauelements und sind in diesem Beispiel durch eine einzige gemeinsame Kappe auf dem Bauelement gebildet. Kappe und Bauelement weisen Verbindungsflächen 660 auf, die nach dem anodischen Bonden in diesem Beispiel einen ersten Bondrahmen 113 und einen zweiten Bondrahmen 115 bilden. Der ersten Bondrahmen 113 umschließt eine Kaverne 700a, die eine verschlossene Zugangsöffhung 820 aufweist. In dieser Kaverne 700a herrscht ein sehr geringer atmosphärischer Innendruck. Denkbar ist ein Innendruck von weniger als 10~3 bar. Die Kaverne 700a beherbergt ein mikromechanisches Funktionselement 111, welches bauartbedingt bei sehr niedrigen Drücken arbeitet. Dies kann z.B. ein mikromechanischer Drehratensensor oder ein anderer mikromechanischer Schwinger hoher Güte sein. Das Vakuum in der Kaverne 700a wird von dem Bondrahmen 113 hermetisch vom Umgebungsdruck abgeschlossen.
Das mikromechanische Bauelement weist in diesem Beispiel drei weitere Kavernen 700b auf, die keinerlei Zugangsöffhung 820 aufweisen. Diese Kavernen 700b beinhalten im wesentlichen den Prozessdruck der während des Prozessschrittes des anodischen Bondens geherrscht hat. Dies können beispielsweise Drücke zwischen 5 mbar und 1,5 bar sein. In diesen Kavernen 700b sind Funktionselemente 110 angeordnet, die bauartbedingt bei höheren Drücken funktionieren oder toleranter gegenüber höheren Arbeitsdrücken sind. Die mikromechanischen Funktionselemente 110 können beispielsweise Beschleunigungssensoretrukturen sein, die bei dem gegebenen atmosphärischen Innendruck der Kavernen 700b gedämpft arbeiten.
Die drei Kavernen 700b mit höherem Innendruck sind durch den Bondrahmen 113 vom Vakuum in der vierten Kaverne 700a hermetisch abgeschlossen. Weiterhin sind alle Kavernen 700a,b durch den gemeinsamen Bondrahmen 115 von der Außenwelt hermetisch abgeschlossen. Die drei Kavernen 700b mit höherem Innendruck sind in diesem Beispiel nicht durch weitere Bondrahmen voneinander abgetrennt, da in ihnen nach dem Prozessschritt des anodischen Bondens ohnehin im wesentlichen der gleiche Kaverneninnendrack herrscht.
Schließlich sind in Figur 11 auch durch Metallisieren erzeugte Kontaktflächen 10 dargestellt. Mittels dieser Kontaktflächen kann das mikromechanische Bauelement beispielsweise mit einer hier nicht dargestellten externen Auswerteschaltung verbunden werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Auswerteschaltung in dem mikromechanischen Bauelement zu integrieren.
Weitere Ausgestaltungen des mikromechanischen Bauelements sind möglich.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavernen unterschiedliche atmosphärische Ihnendrücke aufweisen.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kavernen von einer gemeinsamen Kappe begrenzt sind.
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kaverne eine, insbesondere mit einem Oxid verschlossene, Zugangsöff ung aufweist.
4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffiiung durch ein Bauteilsubstrat hindurch besteht.
5. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine vergrabene I^iterstruktur aufweist.
6. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement an einem Kontaktbereich eines Bauteilsubstrats wenigstens ein Mittel zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine Metallisierung, aufweist.
7. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kaverne mittels einer umlaufenden, hermetischen Materialverbindung abgedichtet ist.
8. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kavernen mittels einer gemeinsamen, umlaufenden, hermetischen Materialverbindung abgedichtet sind.
9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat, welches mit einer Glasschicht verbunden ist, besteht.
10. Mikiomechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe, insbesondere die Glasschicht, zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit wenigstens zwei Kavernen, wobei die Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe bei einem ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander verbunden werden, danach ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt wird, und anschließend der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe aus einem Siliziumsubstrat und einem Glas hergestellt wird, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Glas zur Bildung einer Kaverne wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere durch Ätzen, erzeugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauteil und die Kappe durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang in einem Bauteilsubstrat des mikromechanischen Bauteils erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang mittels eines Abscheideprozesses, insbesondere eines CVD-Verfahrens, verschlossen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte des Öffhens von Zugängen und des nachfolgenden Verschließens unter, vorgebbaren atmosphärischen Drücken mehrfach hintereinander ausgeführt werden können.
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