WO2006061073A1 - Integrated microsensor and method for production - Google Patents

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WO2006061073A1
WO2006061073A1 PCT/EP2005/011989 EP2005011989W WO2006061073A1 WO 2006061073 A1 WO2006061073 A1 WO 2006061073A1 EP 2005011989 W EP2005011989 W EP 2005011989W WO 2006061073 A1 WO2006061073 A1 WO 2006061073A1
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WO
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sensor
silicon layer
microsensor
substrate
carrier plate
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PCT/EP2005/011989
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Inventor
Manfred Brandl
Robert Csernicska
Franz Schrank
Original Assignee
Austriamicrosystems Ag
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Publication date
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    • B81C1/00349—Creating layers of material on a substrate
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • H01L2924/301—Electrical effects
    • H01L2924/3025—Electromagnetic shielding

Definitions

  • the invention relates to a microsensor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a microsensor is known, for example, from DE 100 27 234 A1.
  • a microsensor is described with a circuit integrated in a carrier plate and a micromechanical sensor element mounted thereon.
  • the sensor element is mechanically and electrically connected by a circumferential solder seam to the integrated circuit.
  • Microsensors are also known, which are connected by means of bonding wire connections with the contacts of a carrier plate.
  • this creates a high production cost and requires packaging, in which also or the bonding wires with protected or at least must be taken into account. This precludes the usability of particularly cost-effective packaging processes.
  • Microsensors for measuring inertia or inertial forces such as those used in the automotive industry as acceleration sensors for navigation and safety systems, are known.
  • wire bonding techniques or connections in flip chip technology have been used so far.
  • the invention has for its object to provide a microsensor of the type mentioned with an improved connection between a sensor element and the contacts on the carrier plate.
  • the microsensor should be able to be manufactured in the wafer composite.
  • the invention provides a microsensor in which a microelectromechanical system, a so-called MEMS device with sensor function, is formed in a substrate which has a crystalline silicon layer on the surface.
  • the microsensor is also arranged and fixed on a carrier plate having electrical contacts.
  • the silicon layer is set in an electrically conductive manner and connected to the electrically conductive contacts via a wafer bonding connection, which represents the electrical and mechanical connection between sensor and carrier plate.
  • the structure of the microsensor according to the invention therefore comprises an integrated contacting which is realized solely by structuring the silicon layer and its electrical connection to the carrier plate by means of wafer bonding. This means that no additional effort is required to make electrical contacts of the sensor with the outside world.
  • the sensor therefore has no sensitive bonding wires, which would require special protection in the packaging of the component.
  • the sensor according to the invention has no solder joints, which are also mechanically and thermally sensitive and can affect the function of the sensor.
  • the contacts having carrier plate can provide electrical interconnections and functions. It is also integrated and can be manufactured independently of the sensor.
  • the microsensor according to the invention has a MEMS structure, thus has electrical and mechanical functions and is produced in particular by microstructuring techniques.
  • the electrical and mechanical components of a MEMS sector can be produced by working out of a compact substrate and in particular of silicon. It is also possible to produce the constituents by means of a structured layer structure, which may include the processes of layer deposition, structuring and optionally detachment of low-lying "trapped" sacrificial layers.
  • the MEMS sensor can contain freely movable or only flexible parts that are fixed on at least one end, but can fulfill a mechanical function with another end or a surface area and are thus at least partially movable.
  • a MEMS sensor has a sensor function, wherein preferably the capacitance of the sensor is changed by the movement of the movable sensor part and supplies the measurement signal dependent on the measured variable.
  • Such a sensor may, for example, be an acceleration sensor which has an inert component relative to the acceleration, for example a bending beam.
  • a further preferred application can be found by a sensor according to the invention as a rotation rate sensor which utilizes the effect of the Coriolis force.
  • the sensor may also be a magnetic sensor and in particular a Hall sensor that is sensitive to the angle of incidence and the strength of a magnetic field. It is also possible to form a MEMS sensor as a pressure sensor or chemical sensor which generates a mechanical change on the sensor via a chemical-physical interaction, which in turn can be read out as an electrical measurement signal.
  • the substrate on which or in which the MEMS sensor system is formed has at least one mechanical carrier function, and therefore consists of a mechanically stable, solid and in particular structurable material.
  • the substrate provides the base material for the construction of the sensor system and therefore comprises at least partially electrically conductive layers or layer regions.
  • the substrate may be a unitary material.
  • the microsensor can also be structured out of a layer structure which comprises at least two layers, or is composed by wafer bonding from at least two wafers which can be processed separately from one another. It is also possible to produce the substrate by a combination of the methods mentioned, or to use such a substrate for the MEMS system.
  • the substrate is preferably a silicon wafer, or an SOI substrate (silicon on insulator) or another arbitrary layer structure on a mechanically stable carrier substrate.
  • a substrate which has a monocrystalline silicon layer, which preferably has a defined thickness and is arranged above a layer of a dielectric.
  • Such substrates may be manufactured by wafer bonding, wherein a first wafer having the dielectric layer with a silicon wafer is connected.
  • Particularly stress-free is a structure in which both wafers consist of crystalline silicon (SOI wafer).
  • the wafer bonding compounds comprise those in which a mechanically stable structure is formed between the surfaces to be joined, in particular by reaction of the interfaces.
  • the invention is limited to electrically conductive wafer bonding compounds which are permeable to the measurement signal supplied by the sensor, or do not oppose the measurement signal to excessive electrical resistance.
  • Well suited as wafer bonding compounds are for example eutectic compounds which are produced by eutectic wafer bonding. Two layers of material are brought into contact with each other, which together form a homogeneous phase with a lower melting point than the starting materials.
  • Eutectic wafer bonding compounds can be made at relatively moderate temperatures of less than 400 degrees. They create both mechanically and thermally stable connections and are electrically conductive. Waferbond compounds can also be produced virtually stress-free.
  • Preferred eutectic is silicon-gold eutectic, which has a melting point of about 363 degrees Celsius and can be formed at maximum temperatures up to 410 degrees Celsius under appropriate contact pressure. It has the necessary electrical conductivity, is mechanically strong and thermally stable.
  • the silicon layer of the substrate is structured such that it forms a frame enclosing the microelectromechanical system and thus closed.
  • This silicon frame is connected to a correspondingly formed, likewise frame-shaped closed wafer bond with the carrier plate so that a gas-tight closure of the microelectromechanical system is formed.
  • the wafer bond provides the MEMS system with protection against environmental influences, in particular protection against mechanical or chemical action, against moisture or too rapid a change in these environmental conditions.
  • the secure encapsulation ensures a stable electrical and mechanical function of the sensor, whereby the aging stability is increased. By including an atmosphere of fixed composition, the sensor function is stabilized.
  • a vacuum-operated MEMS system has no interference with an enclosed atmosphere, which can lead to noise of the sensor signal in particular by Brown's molecular motion. In this way, the sensor sensitivity is improved.
  • the carrier plate has electrical contacts to which an electrical connection to the electrically active parts of the MEMS system is made.
  • the carrier plate has contacts which serve for the external connection of the microsensor. Between the contacts and the external connection, an integrated circuit can be arranged.
  • the carrier plate is designed as an IC component, in particular as a CMOS component.
  • This IC device can have various functions, for example, to provide the sensor with the necessary voltage or the necessary current.
  • the IC component can control the sensor, in particular at certain time intervals or even permanently pick up the sensor signal.
  • the measurement signals supplied by the sensor can also be processed and converted into usable output signals. It is possible, for example, to generate a voltage as an output signal from the measurement signal.
  • the IC component may include an amplifier that amplifies the possibly weak measurement signal of the sensor. It is also possible to convert an optionally non-linear dependence of the measurement signal supplied by the sensor from the variable to be measured into a linear output signal, so that a linear dependence of the output signal on the physical quantity to be measured is obtained.
  • a logic circuit may be incorporated in the IC device, which triggers or makes additional control functions in response to the supplied output signal.
  • integrated electrical structures may be incorporated with the sensor in the integrated circuit device or in the integrated circuit integrated with the carrier board.
  • an electrode which enters into capacitive interaction with a sensor component and thus forms part of the sensor system.
  • This capacitive electrode can, for example, measure an acceleration-dependent capacitive change with a movable sensor component, for example a bending beam in an inertial sensor.
  • FIG. 1 shows a known sensor arrangement in schematic cross section
  • FIG. 2 shows a sensor according to the invention in a schematic cross section
  • FIG. 3 shows the sensor fragmentary in schematic cross-section prior to the production of the wafer bonding compound
  • FIG. 4 shows a detail of a wafer bond in schematic cross section.
  • FIG. 1 shows a known sensor arrangement with a microsensor.
  • a microsensor MS which is arranged as a MEMS system on a substrate SUB and the IC component IC separate components, which are electrically connected to one another via a bonding wire BW.
  • the arrangement in turn is connected to a leadframe LF, which is part of a housing in which the sensor arrangement is tightly encapsulated against environmental influences.
  • the microsensor MS is, for example, an inertial sensor which receives accelerations along a main axis (indicated by the double arrow) and generates a sensor signal which is passed to the IC component IC where it is processed and / or evaluated.
  • FIG. 2 shows a microsensor according to the invention, which may have a similar design with respect to the micromechanical system and may have the same function as a known microsensor shown in FIG. 1, for example.
  • the sensor components are only schematically indicated and comprise in the present case, in which the microsensor is designed as an inertial sensor, at least one sensor tongue ST which is attached at one end, while the other end due to the flexibility of the material used and its inertia at Acting acceleration, performs a deflection, for example, in the plane of the double arrows drawn or even vertically thereto.
  • the sensor comprises vertical connection structures VS1 and VS2, which consist of electrically conductive material and via which the electrical connection of the sensor takes place.
  • a sealing frame SF is shown, which encloses the MEMS system as a ring-shaped closed.
  • All parts of the sensor plane SE are preferably formed of the same material, in particular of conductively adjusted and therefore correspondingly doped silicon.
  • the conductivity of the silicon is not set too high in order to guarantee good operability of the sensor. It is e.g. a conductivity of about 1 Ohmzentimeter sufficient.
  • the substrate comprises a carrier substrate having on the surface an insulator layer IS, on which an epitaxial silicon layer is applied in a desired thickness.
  • the insulator layer can serve as etch stop layer for structuring the components of the sensor plane SE from the underside.
  • a part of the structures of the sensor plane SE can also be structured from the rear, ie from the side of the sensor plane facing the substrate SUB.
  • the substrate can be opened in a manner known per se and the structures can be uncovered or produced by structuring processing.
  • the structure is designed such that it can be produced in a manner known per se by structuring from the front side (bottom side in the figure).
  • the sealing frame SF and the vertical connection structures VS lie in one plane, so that a simple connection these structures with the support plate TP by wafer bonding is possible.
  • the sensor tongue ST is arranged at a distance both to the substrate SUB and to the carrier plate in order to ensure free mobility. The distance can also be ensured by depressions in the carrier plate.
  • the carrier plate TP is made of a mechanically stable material, on the surface of which bonding structures are arranged. A part of the bonding structures is connected to electrical conductor tracks LB, which are integrated on the surface or in the carrier plate TP and, as electrical contacts EK, enable the electrical connection of the microsensor.
  • the parts of the sensor plane SE, in particular the undersides of the sealing frame SF and the vertical connecting structures VS, which are provided for connection, are placed on these bonding structures and connected by means of a wafer bonding method.
  • the wafer bonding method generates electrically conductive connections between the vertical connection structures VS and the conductor tracks LB.
  • the carrier plate TP may also comprise at least one integrated circuit.
  • the electrical connection of the sensor element to the outside world is effected via a further electrical contact AK, which is also arranged, for example, on the surface of the carrier plate next to the sensor arrangement and is in electrical connection with the conductor track LB.
  • At least two electrical connections are respectively provided for the sensor element and accordingly also for the carrier plate.
  • the power for example, the application of a predetermined operating voltage.
  • the carrier plate TP can also be an IC component, on the surface of which the corresponding bonding structures are applied for connection to the elements of the sensor plane SE are.
  • the wafer bonding connections to the sealing frame SF are likewise electrically conductive, they generally have no connection to the conductor tracks LB and thus to possible integrated circuits within the carrier plate TP.
  • the sealing frames can also be used for shielding and are then at substrate potential.
  • the vertical connection structures VS1, VS2 may be of limited cross-section and have any cross-sectional shape.
  • the cross section is preferably sufficient, depending on the conductivity of the material of the sensor plane SE, to guide the sensor signal reliably to the IC or, in general, to the interconnection of the carrier plate TP.
  • the sealing frame SF circulates the entire area of the sensor plane and encloses the microelectromechanical system.
  • the sealing frame SF closes circumferentially tight not only with the support plate TP but also with the substrate SUB, so that enclosed within the sealing frame between substrate SUB and support plate TP, a sealed cavity is formed, for example, maintains a vacuum.
  • the boundary surface between the sealing frame SF and the substrate SUB consists, for example, in its uppermost insulating layer IS, which is applied over the entire surface or also structured in accordance with the sensor plane SE.
  • FIG. 3 shows the arrangement shortly before the manufacture of the honeycomb connection on the basis of a detail in schematic cross section.
  • the carrier plate TP comprises at least one isolation region IG, which consists of a dielectric, and in which at least one conductor track LB and optionally an integrated circuit IC is embedded.
  • the insulated region IG can be applied to a baseplate GP or represent the cover layer of an integrated semiconductor component.
  • Structures HS, KS, MS are preformed on the surface of the carrier plate TP, which are provided for the electrical and mechanical connection with the parts of the MEMS structure. are seen. These comprise at least one metal layer MS.
  • auxiliary layers such as an adhesive layer HS and a contact layer KS may be provided.
  • an adhesive layer HS and a contact layer KS are well suited.
  • the metal layer consists of the metal which is to form the later eutectic compound with silicon, in particular of gold.
  • the bonding structure which is provided for connection to the vertical connection structures VS, is connected to the conductor LB via a through-connection DK, for example, and represents the electrical contact EK.
  • the sensor plane SE of the micro-electro-mechanical system is formed, for example, of electrically conductive monocrystalline silicon. Between the substrate and silicon layer is still an insulating layer of a dielectric disposed.
  • a polysilicon layer SS is applied on the underside of the provided for connection to the carrier plate parts of the silicon layer.
  • a dielectric layer DS may be arranged between polysilicon layer SS and silicon layer. This defines the amount of silicon intended for the formation of the eutectic and achieves the formation of the eutectic exclusively in the desired plane.
  • an opening is provided which forms at least one electrical connection between polysilicon layer SS and silicon layer.
  • all structures of the sensor plane SE as shown in Figure 2 to 4 may have on its underside a stage STU. This is structured, for example, together with the freely movable sensor tongue ST. This makes it possible to increase the distance of the bonding structures or the electrical to adjust them to a suitable value.
  • the thickness of the polysilicon layer SS and the metal layer MS are matched to one another in such a way that the associated volume ranges result in the mass fraction that the respective material has in the later eutectic.
  • a layer thickness ratio of gold to polysilicon of 100 to 52 is advantageous, which in the eutectic corresponds to a weight fraction of 94 percent gold.
  • the substrate with the MEMS sensor structure is fitted on the contact structures on the carrier plate TP.
  • the metal of the metal layer reacts with the polysilicon to form a eutectic.
  • FIG. 4 shows the arrangement with ready-made wafer bond connection WBC. While the wafer bonding compound in the region of the sealing frame SF or their adhesive and contact layer is seated on the insulating region IG, in the region of the vertical connection structure VS shown in FIG. 4, an electrically conductive contact is made via the silicon of the connection structure VS, the wafer bonding connection WBC and the adhesion and bonding Contact layer HS, KS made to fürkontak- tion DK, the electrical connection of the micro-electro-mechanical sensor element is guaranteed to the support plate and thus via the external connections AK to the outside world.
  • the invention has been explained by way of example only with reference to the exemplary embodiments, but is of course not limited to these.
  • the invention is also not limited to the eutectic wafer bonding compound and can be replaced by other electrically conductive wafer bonding compounds.
  • the sealing frame SF is not mandatory part of the invention, however, an advantageous embodiment.
  • the exact configuration of the substrate and the carrier plate are variable and not core of the invention.
  • the choice of materials for the sensor plane SE which does not have to consist of uniform material, but may also include other materials and in particular insulators by producing a suitable layer structure, is likewise not restricted. This may be necessary or advantageous especially in connection with other sensor types.

Abstract

The invention relates to a microsensor, embodied as a microelectromechanical system (MEMS) on a substrate with a sensor function. At least the upper layer on the substrate (SUB) of the microelectromechanical system is thus electrically-conducting and connected to electrical contacts on a support plate (TP) by means of an electrically-conducting wafer bonding connection (WBC). An integrated circuit (IC) for processing the sensor signals can be included in the support plate.

Description

Beschreibungdescription
Integrierter Mikrosensor und Verfahren zur HerstellungIntegrated microsensor and method of manufacture
Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a microsensor according to the preamble of patent claim 1.
Ein derartiger Mikrosensor ist beispielsweise aus DE 100 27 234 Al bekannt. Hier ist ein Mikrosensor mit einem in einer Trägerplatte integrierten Schaltkreis und einem darauf montierten mikromechanischen Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement ist mechanisch und elektrisch durch eine umlaufende Lötnaht mit dem integrierten Schaltkreis verbunden.Such a microsensor is known, for example, from DE 100 27 234 A1. Here, a microsensor is described with a circuit integrated in a carrier plate and a micromechanical sensor element mounted thereon. The sensor element is mechanically and electrically connected by a circumferential solder seam to the integrated circuit.
Es sind auch Mikrosensoren bekannt, die mittels Bonddrahtverbindungen mit den Kontakten einer Trägerplatte verbunden sind. Dies erzeugt jedoch einen hohen Herstellungsaufwand und erfordert ein Packaging, bei dem auch der oder die Bonddrähte mit geschützt oder zumindest mit berücksichtigt werden müssen. Dies schließt die Verwendbarkeit besonders kostengünstiger Packaging Verfahren aus.Microsensors are also known, which are connected by means of bonding wire connections with the contacts of a carrier plate. However, this creates a high production cost and requires packaging, in which also or the bonding wires with protected or at least must be taken into account. This precludes the usability of particularly cost-effective packaging processes.
Bei einer direkten Lötverbindung zwischen Sensorelement und Trägerplatte besteht die Gefahr, dass sich die Verbindung unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verformt . Auch eine Alterung der Lötverbindung kann zu einer Lageveränderung des Sensorelements relativ zur dem integrierten Schaltkreis führen, so dass sich elektrischen Eigenschaften des Sensors verändern können. Diese Gefahr wird durch eine Temperaturerhöhung, wie sie beispielsweise beim Auflöten des Mikrosen- sors auf eine Leiterplatte auftreten kann, deutlich erhöht. Zudem erfordert die Herstellung einer Mehrzahl von Mikrosen- soren mit Lötverbindungen im Waferverbund einen hohen technischen Aufwand, da viele Lötflächen gleichzeitig mit hoher Präzision miteinander verlötet werden müssen.In a direct solder joint between the sensor element and the carrier plate there is a risk that the compound deforms under the influence of mechanical stresses. An aging of the solder joint can also lead to a change in position of the sensor element relative to the integrated circuit, so that electrical properties of the sensor can change. This risk is significantly increased by an increase in temperature, which can occur, for example, during soldering of the microsensor to a printed circuit board. In addition, the production of a plurality of microsensors with soldered joints in the wafer assembly requires a high level of technical complexity, since many soldering surfaces simultaneously have to be soldered together with high precision.
Es sind Mikrosensoren zum Messen von Trägheitsmomenten oder Trägheitskräften bekannt, wie sie in der Automobilindustrie als Beschleunigungssensoren für Navigations- und Sicherheitssysteme eingesetzt werden. Für diese wurden bislang Draht- bondtechniken oder Verbindungen in Flip Chip Technik eingesetzt .Microsensors for measuring inertia or inertial forces, such as those used in the automotive industry as acceleration sensors for navigation and safety systems, are known. For these, wire bonding techniques or connections in flip chip technology have been used so far.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrosensor der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Verbindung zwischen einem Sensorelement und den Kontakten auf der Trägerplatte zu schaffen. Vorzugsweise soll der Mikrosensor im Waferverbund gefertigt werden können.The invention has for its object to provide a microsensor of the type mentioned with an improved connection between a sensor element and the contacts on the carrier plate. Preferably, the microsensor should be able to be manufactured in the wafer composite.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrosensor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrosensor sind Gegenstand weiterer Ansprüche.This object is achieved by a microsensor having the features of patent claim 1. Advantageous developments of the invention and a method for producing the microsensor are the subject of further claims.
Die Erfindung gibt einen Mikrosensor an, bei dem in einem Substrat, das auf der Oberfläche eine kristalline Siliziumschicht aufweist, ein mikroelektromechanisches System, ein sogenanntes MEMS-Bauelement mit Sensorfunktion ausgebildet ist. Der Mikrosensor ist außerdem auf einer Trägerplatte angeordnet und befestigt, die elektrische Kontakte aufweist. Die Siliziumschicht ist elektrisch leitend eingestellt und mit den elektrisch leitenden Kontakten über eine Waferbond- verbindung verbunden, die die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Sensor und Trägerplatte darstellen. Der erfindungsgemäße Aufbau des Mikrosensors umfasst also eine integrierte Kontaktierung, die allein durch Strukturierung der Siliziumschicht und deren elektrische Anbindung an die Trägerplatte mittels Waferbondens realisiert ist. Das bedeutet, dass kein zusätzlicher Aufwand zur Herstellung elektrischer Kontakte des Sensors mit der Außenwelt erforderlich ist. Der Sensor weist daher keine empfindlichen Bonddrähte auf, die beim Packaging des Bauelementes eines besonderen Schutzes bedürften. Ebenso weist der erfindungsgemäße Sensor keine Lötstellen auf, die ebenfalls mechanisch und thermisch empfindlich sind und die Funktion des Sensors beeinträchtigen können. Die Kontakte aufweisende Trägerplatte kann elektrische Verschaltungen und Funktionen zur Verfügung stellen. Sie ist ebenfalls integriert und unabhängig vom Sensor herstellbar.The invention provides a microsensor in which a microelectromechanical system, a so-called MEMS device with sensor function, is formed in a substrate which has a crystalline silicon layer on the surface. The microsensor is also arranged and fixed on a carrier plate having electrical contacts. The silicon layer is set in an electrically conductive manner and connected to the electrically conductive contacts via a wafer bonding connection, which represents the electrical and mechanical connection between sensor and carrier plate. The structure of the microsensor according to the invention therefore comprises an integrated contacting which is realized solely by structuring the silicon layer and its electrical connection to the carrier plate by means of wafer bonding. This means that no additional effort is required to make electrical contacts of the sensor with the outside world. The sensor therefore has no sensitive bonding wires, which would require special protection in the packaging of the component. Likewise, the sensor according to the invention has no solder joints, which are also mechanically and thermally sensitive and can affect the function of the sensor. The contacts having carrier plate can provide electrical interconnections and functions. It is also integrated and can be manufactured independently of the sensor.
Der erfindungsgemäße Mikrosensor weist wie gesagt einen MEMS- Aufbau auf, besitzt somit elektrische und mechanische Funktionen und ist insbesondere durch Mikrostrukturierungstechniken hergestellt. Die elektrischen und mechanischen Bestandteile eines MEMS-Sektors können durch Herausarbeiten aus einem kompakten Substrat und insbesondere aus Silizium hergestellt werden. Möglich ist es auch, die Bestandteile über einen strukturierten Schichtaufbau herzustellen, der die Prozesse Schichtabscheidung, Strukturieren und gegebenenfalls Herauslösen tiefliegender "eingeschlossener" Opferschichten umfassen kann.As stated, the microsensor according to the invention has a MEMS structure, thus has electrical and mechanical functions and is produced in particular by microstructuring techniques. The electrical and mechanical components of a MEMS sector can be produced by working out of a compact substrate and in particular of silicon. It is also possible to produce the constituents by means of a structured layer structure, which may include the processes of layer deposition, structuring and optionally detachment of low-lying "trapped" sacrificial layers.
Der MEMS-Sensor kann frei bewegliche oder auch nur flexible Teile enthalten, die an zumindest einem Ende fixiert sind, mit einem anderen Ende oder einem Flächenbereich aber eine mechanische Funktion erfüllen können und damit zumindest zum Teil beweglich ausgebildet sind. Ein MEMS-Sensor weist eine Sensorfunktion auf, wobei vorzugsweise die Kapazität des Sensor durch die Bewegung des beweglichen Sensorteils verändert wird und das von der Messgröße abhängige Messsignal liefert. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Beschleunigungs- sensor sein, der einen gegenüber der Beschleunigung trägen Bestandteil aufweist, beispielsweise einen Biegebalken. Eine weitere bevorzugte Anwendung kann ein erfindungsgemäßer Sensor als Drehratensensor finden, der den Effekt der Coriolis- Kraft nutzt. Der Sensor kann auch ein Magnetsensor und insbesondere ein Hallsensor sein, der empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel und der Stärke eines Magnetfelds ist. Möglich ist es auch einen MEMS-Sensor als Drucksensor auszubilden o- der als chemischen Sensor, der über chemisch physikalische Wechselwirkung eine mechanische Veränderung am Sensor erzeugt, die wiederum als elektrisches Messsignal ausgelesen werden kann.The MEMS sensor can contain freely movable or only flexible parts that are fixed on at least one end, but can fulfill a mechanical function with another end or a surface area and are thus at least partially movable. A MEMS sensor has a sensor function, wherein preferably the capacitance of the sensor is changed by the movement of the movable sensor part and supplies the measurement signal dependent on the measured variable. Such a sensor may, for example, be an acceleration sensor which has an inert component relative to the acceleration, for example a bending beam. A further preferred application can be found by a sensor according to the invention as a rotation rate sensor which utilizes the effect of the Coriolis force. The sensor may also be a magnetic sensor and in particular a Hall sensor that is sensitive to the angle of incidence and the strength of a magnetic field. It is also possible to form a MEMS sensor as a pressure sensor or chemical sensor which generates a mechanical change on the sensor via a chemical-physical interaction, which in turn can be read out as an electrical measurement signal.
Das Substrat, auf dem oder in dem das MEMS-Sensorsystem ausgebildet ist, weist zumindest eine mechanische Trägerfunktion auf, und besteht daher aus einem mechanisch stabilen, festen und insbesondere strukturierbaren Material . Das Substrat stellt das Grundmaterial für den Aufbau des Sensorsystems zur Verfügung und umfasst daher zumindest teilweise elektrisch leitfähige Schichten oder Schichtbereiche. Das Substrat kann ein einheitliches Material sein. Der Mikrosensor kann auch aus einem Schichtaufbau herausstrukturiert sein, der zumindest zwei Schichten umfasst, oder durch Waferbonden aus zumindest zwei Wafern, die getrennt voneinander bearbeitet sein können, zusammengesetzt ist. Möglich ist es auch, das Substrat durch eine Kombination der genannten Verfahren herzustellen, beziehungsweise ein solches Substrat für das MEMS- System zu verwenden. Vorzugsweise ist das Substrat ein SiIi- ziumwafer, oder ein SOI-Substrat (Silicon on Isolator) oder ein anderer beliebiger Schichtaufbau auf eine mechanisch stabilen Trägersubstrat. Vorteilhaft wird ein Substrat verwendet, das eine monokristalline Siliziumschicht aufweist, die vorzugsweise ein definierte Dicke besitzt und über einer Schicht eines Dielektrikums angeordnet ist. Solche Substrate können durch Waferbonden hergestellt werden, wobei ein erster Wafer mit der Dielektrikumsschicht mit einem Siliziumwafer verbunden wird. Besonders spannungsfrei ist ein Aufbau, bei dem beide Wafer aus kristallinem Silizium bestehen (SOI Wa- fer) .The substrate on which or in which the MEMS sensor system is formed has at least one mechanical carrier function, and therefore consists of a mechanically stable, solid and in particular structurable material. The substrate provides the base material for the construction of the sensor system and therefore comprises at least partially electrically conductive layers or layer regions. The substrate may be a unitary material. The microsensor can also be structured out of a layer structure which comprises at least two layers, or is composed by wafer bonding from at least two wafers which can be processed separately from one another. It is also possible to produce the substrate by a combination of the methods mentioned, or to use such a substrate for the MEMS system. The substrate is preferably a silicon wafer, or an SOI substrate (silicon on insulator) or another arbitrary layer structure on a mechanically stable carrier substrate. Advantageously, a substrate is used which has a monocrystalline silicon layer, which preferably has a defined thickness and is arranged above a layer of a dielectric. Such substrates may be manufactured by wafer bonding, wherein a first wafer having the dielectric layer with a silicon wafer is connected. Particularly stress-free is a structure in which both wafers consist of crystalline silicon (SOI wafer).
Unter Waferbondverbindung werden erfindungsgemäß alle Verbindungen verstanden, die auf Waferebene durchgeführt werden können. Vorzugsweise umfassen die Waferbondverbindungen solche, bei denen ein mechanisch stabiles Gefüge zwischen den zu verbindenden Oberflächen entsteht, insbesondere durch Reaktion der Grenzflächen. Die Erfindung ist eingeschränkt auf e- lektrisch leitfähige Waferbondverbindungen, die für das vom Sensor gelieferte Messsignal durchlässig sind, beziehungsweise dem Messsignal keinen zu hohen elektrischen Widerstand entgegensetzen. Gut geeignet als Waferbondverbindungen sind zum Beispiel eutektische Verbindungen, die durch eutektisches Waferbonden hergestellt werden. Dabei werden zwei Material- schichten miteinander in Kontakt gebracht, die zusammen eine homogene Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Ausgangsmaterialien ausbilden. Eutektische Waferbondverbindungen können bei relativ moderaten Temperaturen von unter 400 Grad hergestellt werden. Sie schaffen sowohl mechanisch als auch thermisch stabile Verbindungen und sind elektrisch leitend. Waferbondverbindungen können auch nahezu spannungsfrei erzeugt werden.Under wafer bond according to the invention all compounds understood that can be carried out at the wafer level. Preferably, the wafer bonding compounds comprise those in which a mechanically stable structure is formed between the surfaces to be joined, in particular by reaction of the interfaces. The invention is limited to electrically conductive wafer bonding compounds which are permeable to the measurement signal supplied by the sensor, or do not oppose the measurement signal to excessive electrical resistance. Well suited as wafer bonding compounds are for example eutectic compounds which are produced by eutectic wafer bonding. Two layers of material are brought into contact with each other, which together form a homogeneous phase with a lower melting point than the starting materials. Eutectic wafer bonding compounds can be made at relatively moderate temperatures of less than 400 degrees. They create both mechanically and thermally stable connections and are electrically conductive. Waferbond compounds can also be produced virtually stress-free.
Bevorzugtes Eutektikum ist Silizium-Gold-Eutektikum, das einen Schmelzpunkt von ca. 363 Grad Celsius aufweist und bei Maximaltemperaturen bis 410 Grad Celsius unter entsprechendem Anpressdruck ausgebildet werden kann. Es weist die nötige e- lektrische Leitfähigkeit auf, ist mechanisch fest und thermisch stabil.Preferred eutectic is silicon-gold eutectic, which has a melting point of about 363 degrees Celsius and can be formed at maximum temperatures up to 410 degrees Celsius under appropriate contact pressure. It has the necessary electrical conductivity, is mechanically strong and thermally stable.
Möglich ist es jedoch auch, andere Eutektika einzusetzen, insbesondere solche mit Silizium. Bekannt sind beispielsweise Silber-Silizium- und Silizium-Aluminium-Eutektikum. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Siliziumschicht des Substrats so strukturiert dass sie einen das mikro-elektromechanische System umschließenden und damit geschlossenen Rahmen ausbildet. Dieser Siliziumrahmen ist mit einer entsprechend ausgebildeten, ebenfalls rahmenförmig geschlossenen Waferbondverbindung mit der Trägerplatte so verbunden, dass ein gasdichter Verschluss des mikro- elektromechanisehen Systems entsteht. Dies hat den Vorteil, dass auf diese Weise integriert und ohne verfahrenstechnischen Mehraufwand und ohne Zusatzkosten eine gas- und feuchtigkeitsdichte Verkapselung des Mikrosensors durchgeführt werden kann. Die Waferbondverbindung bietet dem MEMS-System Schutz vor Umgebungseinflüssen, insbesondere Schutz vor mechanischer oder chemischer Einwirkung, vor Feuchtigkeit oder auch vor einer zu schnellen Veränderung dieser Umgebungsverhältnisse. Durch die sichere Verkapselung wird eine stabile elektrische und mechanische Funktion des Sensors gewährleistet, wobei auch die Alterungsstabilität erhöht ist. Durch das Einschließen einer Atmosphäre feststehender Zusammensetzung wird die Sensorfunktion stabilisiert.However, it is also possible to use other eutectics, in particular those with silicon. For example, silver-silicon and silicon-aluminum eutectic are known. In a preferred embodiment of the invention, the silicon layer of the substrate is structured such that it forms a frame enclosing the microelectromechanical system and thus closed. This silicon frame is connected to a correspondingly formed, likewise frame-shaped closed wafer bond with the carrier plate so that a gas-tight closure of the microelectromechanical system is formed. This has the advantage that integrated in this way and without additional process engineering overhead and without additional costs, a gas and moisture-tight encapsulation of the microsensor can be performed. The wafer bond provides the MEMS system with protection against environmental influences, in particular protection against mechanical or chemical action, against moisture or too rapid a change in these environmental conditions. The secure encapsulation ensures a stable electrical and mechanical function of the sensor, whereby the aging stability is increased. By including an atmosphere of fixed composition, the sensor function is stabilized.
Möglich ist es auch, im Inneren des Siliziumrahmens ein Vakuum einzuschließen, wobei ein Mikrosensor mit weiter verbesserten elektrischen und mechanischen Funktionen erhalten wird. Ein im Vakuum arbeitendes MEMS-System weist keine Störungen durch eine eingeschlossene Atmosphäre auf, die insbesondere durch Brown'sehe Molekularbewegung zu einem Rauschen des Sensorsignals führen können. Auf diese Weise wird auch die Sensorempfindlichkeit verbessert.It is also possible to include a vacuum inside the silicon frame to obtain a microsensor with further improved electrical and mechanical functions. A vacuum-operated MEMS system has no interference with an enclosed atmosphere, which can lead to noise of the sensor signal in particular by Brown's molecular motion. In this way, the sensor sensitivity is improved.
Die Trägerplatte weist elektrische Kontakte auf, zu denen eine elektrische Verbindung mit den elektrisch aktiven Teilen des MEMS-Systems hergestellt wird. Darüber hinaus weist die Trägerplatte Kontakte auf, die zum Außenanschluss des Mikrosensors dienen. Zwischen den Kontakten und dem Außenanschluss kann eine integrierte Schaltung angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Trägerplatte jedoch als IC-Bauelement ausgebildet, insbesondere als CMOS-Bauelement . Dieses IC- Bauelement kann verschiedene Funktionen aufweisen, um beispielsweise den Sensor mit der nötigen Spannung oder dem nötigen Strom zu versorgen. Das IC-Bauelement kann den Sensor ansteuern, insbesondere in bestimmten zeitlichen Intervallen oder auch dauerhaft das Sensorsignal abgreifen. Im IC- Bauelement können auch die vom Sensor gelieferten Messsignale verarbeitet werden und in verwertbare Ausgangssignale umgesetzt werden. Möglich ist es beispielsweise, aus dem Messsignal eine Spannung als Ausgangssignal zu generieren. Weiterhin kann das IC-Bauelement einen Verstärker enthalten, der das gegebenenfalls schwache Messsignal des Sensors verstärkt. Auch ist es möglich, eine gegebenenfalls nichtlineare Abhängigkeit des vom Sensor gelieferten Messsignals von der zu messenden Größe in ein lineares Ausgangssignal umzusetzen, sodass eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals von der zu messenden physikalischen Größe erhalten wird. Darüber hinaus kann im IC-Bauelement eine logische Schaltung eingebaut sein, die weitere Steuerfunktionen in Abhängigkeit vom gelieferten Ausgangssignal auslöst oder vornimmt.The carrier plate has electrical contacts to which an electrical connection to the electrically active parts of the MEMS system is made. In addition, the carrier plate has contacts which serve for the external connection of the microsensor. Between the contacts and the external connection, an integrated circuit can be arranged. Preferably, however, the carrier plate is designed as an IC component, in particular as a CMOS component. This IC device can have various functions, for example, to provide the sensor with the necessary voltage or the necessary current. The IC component can control the sensor, in particular at certain time intervals or even permanently pick up the sensor signal. In the IC component, the measurement signals supplied by the sensor can also be processed and converted into usable output signals. It is possible, for example, to generate a voltage as an output signal from the measurement signal. Furthermore, the IC component may include an amplifier that amplifies the possibly weak measurement signal of the sensor. It is also possible to convert an optionally non-linear dependence of the measurement signal supplied by the sensor from the variable to be measured into a linear output signal, so that a linear dependence of the output signal on the physical quantity to be measured is obtained. In addition, a logic circuit may be incorporated in the IC device, which triggers or makes additional control functions in response to the supplied output signal.
Im IC-Bauelement oder in der integrierten Schaltung, die in der Trägerplatte integriert ist, können außerdem mit dem Sensor wechselwirkende elektrische Strukturen eingebaut sein. Beispielsweise ist es möglich, in der integrierten Schaltung eine Elektrode vorzusehen, die in kapazitive Wechselwirkung mit einem Sensorbestandteil tritt und damit Teil des Sensorsystems ist. Diese kapazitiv wirkende Elektrode kann beispielsweise mit einem beweglichen Sensorbestandteil, zum Beispiel einem Biegebalken in einem Trägheitssensor eine von einer Beschleunigung abhängige kapazitive Veränderung messen.In addition, integrated electrical structures may be incorporated with the sensor in the integrated circuit device or in the integrated circuit integrated with the carrier board. For example, it is possible to provide in the integrated circuit an electrode which enters into capacitive interaction with a sensor component and thus forms part of the sensor system. This capacitive electrode can, for example, measure an acceleration-dependent capacitive change with a movable sensor component, for example a bending beam in an inertial sensor.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausge- führt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and related figures. The figures serve only to illustrate the invention and are therefore only schematically and not to scale. leads. Identical or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
Figur 1 zeigt eine bekannte Sensoranordnung im schematischen Querschnitt,FIG. 1 shows a known sensor arrangement in schematic cross section,
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor im schematischen Querschnitt,FIG. 2 shows a sensor according to the invention in a schematic cross section,
Figur 3 zeigt den Sensor ausschnittsweise im schematischen Querschnitt vor dem Herstellen der Waferbondverbindung,FIG. 3 shows the sensor fragmentary in schematic cross-section prior to the production of the wafer bonding compound,
Figur 4 zeigt ausschnittsweise eine Waferbondverbindung im schematischen Querschnitt.FIG. 4 shows a detail of a wafer bond in schematic cross section.
Figur 1 zeigt eine bekannte Sensoranordnung mit einem Mikro- sensor. Dabei stellen ein Mikrosensor MS, der als MEMS-System auf einem Substrat SUB angeordnet ist und das IC-Bauelement IC getrennte Bauteile dar, die über einen Bonddraht BW elektrisch miteinander verbunden sind. Die Anordnung wiederum ist mit einem Leadframe LF verbunden, das Teil eines Gehäuses ist, in dem die Sensoranordnung gegen Umgebungseinflüsse dicht verkapselt ist. Der Mikrosensor MS ist beispielsweise ein Trägheitssensor, der Beschleunigungen entlang einer Hauptachse (angedeutet durch den Doppelpfeil) aufnimmt daraus ein Sensorsignal erzeugt, welches an das IC-Bauelement IC geleitet und dort verarbeitet und/oder ausgewertet wird.FIG. 1 shows a known sensor arrangement with a microsensor. In this case, a microsensor MS, which is arranged as a MEMS system on a substrate SUB and the IC component IC separate components, which are electrically connected to one another via a bonding wire BW. The arrangement in turn is connected to a leadframe LF, which is part of a housing in which the sensor arrangement is tightly encapsulated against environmental influences. The microsensor MS is, for example, an inertial sensor which receives accelerations along a main axis (indicated by the double arrow) and generates a sensor signal which is passed to the IC component IC where it is processed and / or evaluated.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikrosensor, der bezüglich des mikromechanischen Systems ähnlich ausgebildet sein und die gleiche Funktion aufweisen kann wie ein bekannter und z.B. in Figur 1 dargestellter Mikrosensor. Die Sensorbestandteile sind nur schematisch angedeutet und umfassen im vorliegenden Fall, bei dem der Mikrosensor als Trägheitssensor ausgebildet ist, zumindest eine Sensorzunge ST die an einem Ende befestigt ist, während das andere Ende aufgrund der Flexibilität des verwendeten Materials und seiner Massenträgheit bei Einwirken einer Beschleunigung, eine Auslenkung ausführt, beispielsweise in der Ebene der eingezeichneten Doppelpfeile oder auch vertikal dazu. Des weiteren umfasst der Sensor vertikale VerbindungsStrukturen VSl und VS2, die aus elektrisch leitendem Material bestehen, und über die der elektrische An- schluss des Sensors erfolgt. Weiter ist in der Figur ein Dichtungsrahmen SF gezeigt, der das MEMS-System als ringförmig geschlossen umschließt.FIG. 2 shows a microsensor according to the invention, which may have a similar design with respect to the micromechanical system and may have the same function as a known microsensor shown in FIG. 1, for example. The sensor components are only schematically indicated and comprise in the present case, in which the microsensor is designed as an inertial sensor, at least one sensor tongue ST which is attached at one end, while the other end due to the flexibility of the material used and its inertia at Acting acceleration, performs a deflection, for example, in the plane of the double arrows drawn or even vertically thereto. Furthermore, the sensor comprises vertical connection structures VS1 and VS2, which consist of electrically conductive material and via which the electrical connection of the sensor takes place. Further, in the figure, a sealing frame SF is shown, which encloses the MEMS system as a ring-shaped closed.
Sämtliche Teile der Sensorebene SE sind vorzugsweise aus dem selben Material ausgebildet, insbesondere aus leitfähig eingestelltem und daher entsprechend dotiertem Silizium. Bei vorzugsweise kapazitiv arbeitenden Sensoren werden an die Leitfähigkeit des Siliziums keine zu hohen Anforderungen gestellt, um eine gute Funktionsfähigkeit des Sensors zu garantieren. Es ist z.B. eine Leitfähigkeit von ca. 1 Ohmzentimeter ausreichend.All parts of the sensor plane SE are preferably formed of the same material, in particular of conductively adjusted and therefore correspondingly doped silicon. In the case of preferably capacitively operating sensors, the conductivity of the silicon is not set too high in order to guarantee good operability of the sensor. It is e.g. a conductivity of about 1 Ohmzentimeter sufficient.
Dieses Silizium bildet die Oberfläche eines Substrates SUB. Vorzugsweise umfasst das Substrat ein Trägersubstrat, welches auf der Oberfläche eine Isolatorschicht IS aufweist, auf der eine epitaxiale Siliziumschicht in einer gewünschten Dicke aufgebracht ist . Die Isolatorschicht kann dabei als Ätzstoppschicht zum Strukturieren der Bestandteile der Sensorebene SE von der Unterseite her dienen. Ein Teil der Strukturen der Sensorebene SE kann auch von der Rückseite her strukturiert sein, also von der zum Substrat SUB weisenden Seite der Sensorebene. Dazu kann das Substrat in an sich bekannter Weise geöffnet und die Strukturen freigelegt beziehungsweise durch strukturierende Bearbeitung erzeugt werden. Im vorliegenden Fall ist der Aufbau so ausgebildet, dass er in an sich bekannter Weise durch Strukturieren von der Vorderseite her (in der Figur die Unterseite) hergestellt werden kann.This silicon forms the surface of a substrate SUB. Preferably, the substrate comprises a carrier substrate having on the surface an insulator layer IS, on which an epitaxial silicon layer is applied in a desired thickness. The insulator layer can serve as etch stop layer for structuring the components of the sensor plane SE from the underside. A part of the structures of the sensor plane SE can also be structured from the rear, ie from the side of the sensor plane facing the substrate SUB. For this purpose, the substrate can be opened in a manner known per se and the structures can be uncovered or produced by structuring processing. In the present case, the structure is designed such that it can be produced in a manner known per se by structuring from the front side (bottom side in the figure).
Von den Strukturen der Sensorebene liegen zumindest die Unterseiten des Dichtrahmens SF und der vertikalen Verbindungsstrukturen VS in einer Ebene, sodass eine einfache Verbindung dieser Strukturen mit der Trägerplatte TP mittels Waferbonden möglich ist. Die Sensorzunge ST dagegen ist im Abstand sowohl zum Substrat SUB als auch zur Trägerplatte angeordnet, um die freie Beweglichkeit zu gewährleisten. Der Abstand kann auch durch Vertiefungen in Trägerplatte gewährleistet werden.Of the structures of the sensor plane, at least the bottoms of the sealing frame SF and the vertical connection structures VS lie in one plane, so that a simple connection these structures with the support plate TP by wafer bonding is possible. By contrast, the sensor tongue ST is arranged at a distance both to the substrate SUB and to the carrier plate in order to ensure free mobility. The distance can also be ensured by depressions in the carrier plate.
Die Trägerplatte TP ist aus einem mechanisch stabilen Material, auf deren Oberfläche Bondstrukturen angeordnet sind. Ein Teil der Bondstrukturen steht mit elektrischen Leiterbahnen LB in Verbindung, die auf der Oberfläche oder in die Trägerplatte TP integriert verlaufen und als elektrische Kontakte EK die elektrische Anbindung des Mikrosensor ermöglichen. Auf diese Bondstrukturen sind die zur Verbindung vorgesehenen Teile der Sensorebene SE, insbesondere die Unterseiten des Dichtrahmes SF und der vertikalen Verbindungsstrukturen VS aufgesetzt und mittels eines Waferbondverfahrens verbunden. Durch das Waferbondverfahren werden elektrisch leitende Verbindungen zwischen den vertikalen Verbindungsstrukturen VS und den Leiterbahnen LB erzeugt.The carrier plate TP is made of a mechanically stable material, on the surface of which bonding structures are arranged. A part of the bonding structures is connected to electrical conductor tracks LB, which are integrated on the surface or in the carrier plate TP and, as electrical contacts EK, enable the electrical connection of the microsensor. The parts of the sensor plane SE, in particular the undersides of the sealing frame SF and the vertical connecting structures VS, which are provided for connection, are placed on these bonding structures and connected by means of a wafer bonding method. The wafer bonding method generates electrically conductive connections between the vertical connection structures VS and the conductor tracks LB.
Neben den Leiterbahnen LB kann die Trägerplatte TP noch zumindest eine integrierte Schaltung umfassen. Die elektrische Verbindung des Sensorelements mit der Außenwelt erfolgt über einen weiteren elektrischen Kontakt AK, der zum Beispiel e- benfalls auf der Oberfläche der Trägerplatte neben der Sensoranordnung angeordnet ist und mit der Leiterbahn LB in e- lektrischer Verbindung steht.In addition to the conductor tracks LB, the carrier plate TP may also comprise at least one integrated circuit. The electrical connection of the sensor element to the outside world is effected via a further electrical contact AK, which is also arranged, for example, on the surface of the carrier plate next to the sensor arrangement and is in electrical connection with the conductor track LB.
Vorzugsweise sind zumindest je zwei elektrische Anschlüsse für das Sensorelement und dementsprechend auch für die Trägerplatte vorgesehen. Über weitere Anschlüsse kann beispielsweise die Stromversorgung, beispielsweise die Beaufschlagung mit einer vorgegebenen Betriebsspannung erfolgen.Preferably, at least two electrical connections are respectively provided for the sensor element and accordingly also for the carrier plate. About other connections, for example, the power, for example, the application of a predetermined operating voltage.
Die Trägerplatte TP kann auch ein IC-Bauelement sein, auf dessen Oberfläche die entsprechenden Bondstrukturen zur Verbindung mit den Elementen der Sensorebene SE aufgebracht sind. Die Waferbondverbindungen zum Dichtungsrahmen SF sind zwar ebenfalls elektrisch leitend, haben aber in der Regel keine Verbindung zu den Leiterbahnen LB und damit zu möglichen integrierten Schaltungen innerhalb der Trägerplatte TP. Die Dichtrahmen können aber auch zur Abschirmung verwendet werden und liegen dann auf Substratpotential.The carrier plate TP can also be an IC component, on the surface of which the corresponding bonding structures are applied for connection to the elements of the sensor plane SE are. Although the wafer bonding connections to the sealing frame SF are likewise electrically conductive, they generally have no connection to the conductor tracks LB and thus to possible integrated circuits within the carrier plate TP. However, the sealing frames can also be used for shielding and are then at substrate potential.
Die vertikalen Verbindungsstrukturen VSl, VS2 können von begrenztem Querschnitt sein und eine beliebige Querschnittsform aufweisen. Vorzugsweise ist der Querschnitt in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Materials der Sensorebene SE ausreichend, um das Sensorsignal sicher zum IC oder allgemein zur der Verschaltung der Trägerplatte TP leiten.The vertical connection structures VS1, VS2 may be of limited cross-section and have any cross-sectional shape. The cross section is preferably sufficient, depending on the conductivity of the material of the sensor plane SE, to guide the sensor signal reliably to the IC or, in general, to the interconnection of the carrier plate TP.
Der Dichtrahmen SF dagegen umläuft den gesamten Bereich der Sensorebene und umschließt das mikro-elektromechanische System. Dabei schließt der Dichtungsrahmen SF nicht nur mit der Trägerplatte TP sondern auch mit dem Substrat SUB umlaufend dicht ab, sodass eingeschlossen innerhalb des Dichtungsrahmens zwischen Substrat SUB und Trägerplatte TP ein abgedichteter Hohlraum entsteht, der beispielsweise ein Vakuum aufrecht erhält. Die Grenzfläche zwischen dem Dichtrahmen SF und dem Substrat SUB besteht beispielsweise in dessen oberster Isolationsschicht IS, die ganzflächig aufgebracht oder auch entsprechend der Sensorebene SE strukturiert sein kein.On the other hand, the sealing frame SF circulates the entire area of the sensor plane and encloses the microelectromechanical system. In this case, the sealing frame SF closes circumferentially tight not only with the support plate TP but also with the substrate SUB, so that enclosed within the sealing frame between substrate SUB and support plate TP, a sealed cavity is formed, for example, maintains a vacuum. The boundary surface between the sealing frame SF and the substrate SUB consists, for example, in its uppermost insulating layer IS, which is applied over the entire surface or also structured in accordance with the sensor plane SE.
Figur 3 zeigt die Anordnung kurz vor der Herstellung der Wa- ferbondverbindung anhand eines Ausschnitts im schematischen Querschnitt. Die Trägerplatte TP umfasst zumindest ein Isolationsgebiet IG, das aus einem Dielektrikum besteht, und in das zumindest eine Leiterbahn LB sowie gegebenenfalls ein integrierter Schaltkreis IC eingebettet ist. Das isolierte Gebiet IG kann auf einer Grundplatte GP aufgebracht sein oder die Deckschicht eines integrierten Halbleiterbauelementes darstellen. Auf der Oberfläche der Trägerplatte TP sind Strukturen HS, KS, MS vorgebildet, die zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit den Teilen des MEMS-Aufbaus vor- gesehen sind. Diese umfassen zumindest eine Metallschicht MS. Zwischen der Oberfläche der Trägerplatte TP beziehungsweise des Isoliergebiets IG und der Metallschicht MS können noch weitere Hilfsschichten wie hier eine Haftschicht HS und eine KontaktSchicht KS vorgesehen sein. Gut geeignet ist beispielsweise eine Haftschicht aus Titan und eine Kontaktschicht aus Kupfer. Die Metallschicht besteht aus dem Metall, welches die spätere eutektische Verbindung mit Silizium ausbilden soll, insbesondere aus Gold. Die Bondstruktur, die zur Verbindung mit den vertikalen Verbindungsstrukturen VS vorgesehen ist, ist beispielsweise über eine Durchkontaktierung DK mit der Leiterbahn LB verbunden und stellt den elektrischen Kontakt EK dar.FIG. 3 shows the arrangement shortly before the manufacture of the honeycomb connection on the basis of a detail in schematic cross section. The carrier plate TP comprises at least one isolation region IG, which consists of a dielectric, and in which at least one conductor track LB and optionally an integrated circuit IC is embedded. The insulated region IG can be applied to a baseplate GP or represent the cover layer of an integrated semiconductor component. Structures HS, KS, MS are preformed on the surface of the carrier plate TP, which are provided for the electrical and mechanical connection with the parts of the MEMS structure. are seen. These comprise at least one metal layer MS. Between the surface of the carrier plate TP or the insulating region IG and the metal layer MS, further auxiliary layers such as an adhesive layer HS and a contact layer KS may be provided. For example, an adhesion layer of titanium and a contact layer of copper are well suited. The metal layer consists of the metal which is to form the later eutectic compound with silicon, in particular of gold. The bonding structure, which is provided for connection to the vertical connection structures VS, is connected to the conductor LB via a through-connection DK, for example, and represents the electrical contact EK.
Die Sensorebene SE des mikro-elektromechanischen Systems ist beispielsweise aus elektrisch leitend eingestelltem monokristallinem Silizium ausgebildet. Zwischen Substrat und Siliziumschicht ist noch eine Isolationsschicht aus einem Dielektrikum angeordnet.The sensor plane SE of the micro-electro-mechanical system is formed, for example, of electrically conductive monocrystalline silicon. Between the substrate and silicon layer is still an insulating layer of a dielectric disposed.
Auf der Unterseite der zur Verbindung mit der Trägerplatte vorgesehenen Teile der Siliziumschicht, insbesondere dem Dichtrahmen SF und den vertikalen Verbindungsstrukturen VS ist eine Polysiliziumschicht SS aufgebracht. Zwischen Polysi- liziumschicht SS und Siliziumschicht kann noch eine dielektrische Schicht DS angeordnet sein. Dadurch wird die zur Ausbildung des Eutektikums vorgesehene Menge an Silizium definiert und die Ausbildung des Eutektikums ausschließlich in der gewünschten Ebene erreiche . In der dielektrischen Schicht DS an der Unterseite der vertikalen Verbindungsstrukturen ist ein zumindest eine die elektrische Verbindung zwischen Polysiliziumschicht SS und Siliziumschicht herstellende Öffnung vorgesehen. Außerdem können alle Strukturen der Sensorebene SE wie in Figur 2 bis 4 dargestellt an ihrer Unterseite eine Stufe STU aufweisen. Diese wird beispielsweise zusammen mit der frei beweglichen Sensorzunge ST strukturiert. Damit ist es möglich, den Abstand der Bondstrukturen bzw. der elekt- risch leitenden Waferbondverbindungen untereinander auf einen geeigneten Wert einzustellen.On the underside of the provided for connection to the carrier plate parts of the silicon layer, in particular the sealing frame SF and the vertical connection structures VS a polysilicon layer SS is applied. Between polysilicon layer SS and silicon layer, a dielectric layer DS may be arranged. This defines the amount of silicon intended for the formation of the eutectic and achieves the formation of the eutectic exclusively in the desired plane. In the dielectric layer DS on the underside of the vertical connection structures, an opening is provided which forms at least one electrical connection between polysilicon layer SS and silicon layer. In addition, all structures of the sensor plane SE as shown in Figure 2 to 4 may have on its underside a stage STU. This is structured, for example, together with the freely movable sensor tongue ST. This makes it possible to increase the distance of the bonding structures or the electrical to adjust them to a suitable value.
Die Dicke der Polysiliziumschicht SS und der Metallschicht MS sind so aufeinander abgestimmt, dass die dazugehörigen Volumenbereiche den Massenanteil ergeben, den das jeweilige Material im späteren Eutektikum aufweist . Zur Herstellung eines Gold-Silizium-Eutektikums ist beispielsweise (bei gleicher Fläche) ein Schichtdickenverhältnis Gold zu Polysilizium von 100 zu 52 vorteilhaft, welches im Eutektikum einem Gewichtsanteil von 94 Prozent Gold entspricht .The thickness of the polysilicon layer SS and the metal layer MS are matched to one another in such a way that the associated volume ranges result in the mass fraction that the respective material has in the later eutectic. To produce a gold-silicon eutectic, for example (with the same area), a layer thickness ratio of gold to polysilicon of 100 to 52 is advantageous, which in the eutectic corresponds to a weight fraction of 94 percent gold.
Zur Herstellung des Eutektikums und damit der Waferbondver- bindung wird das Substrat mit dem MEMS-Sensoraufbau passend auf die Kontaktstrukturen auf der Trägerplatte TP aufgesetzt. Unter einem Anpressdruck und unter Erhöhung der Temperatur auf die Bildungstemperatur des Eutektikums (390 Grad Celsius für Gold-Silizium-Eutektikum) reagiert das Metall der Metallschicht mit dem Polysilizium unter Ausbildung eines Eutektikums.In order to produce the eutectic and thus the wafer bond, the substrate with the MEMS sensor structure is fitted on the contact structures on the carrier plate TP. Under pressure and raising the temperature to the eutectic formation temperature (390 degrees Celsius for gold-silicon eutectic), the metal of the metal layer reacts with the polysilicon to form a eutectic.
Figur 4 zeigt die Anordnung mit fertig hergestellter Wafer- bondverbindung WBC. Während die Waferbondverbindung im Bereich des Dichtrahmens SF beziehungsweise deren Haft- und Kontaktschicht auf dem Isoliergebiet IG aufsitzt, wird im Bereich der in Figur 4 dargestellten vertikalen Verbindungsstruktur VS ein elektrisch leitender Kontakt über das Silizium der Verbindungsstruktur VS, die Waferbondverbindung WBC und die Haft- und Kontaktschicht HS, KS hin zur Durchkontak- tierung DK hergestellt, wobei der elektrische Anschluss des mikro-elektromechanischen Sensorelements an die Trägerplatte und somit über die Außenanschlüsse AK an die Außenwelt gewährleistet ist.FIG. 4 shows the arrangement with ready-made wafer bond connection WBC. While the wafer bonding compound in the region of the sealing frame SF or their adhesive and contact layer is seated on the insulating region IG, in the region of the vertical connection structure VS shown in FIG. 4, an electrically conductive contact is made via the silicon of the connection structure VS, the wafer bonding connection WBC and the adhesion and bonding Contact layer HS, KS made to Durchkontak- tion DK, the electrical connection of the micro-electro-mechanical sensor element is guaranteed to the support plate and thus via the external connections AK to the outside world.
Die Erfindung wurde anhand der Ausführungsbeispiele nur exemplarisch erläutert, ist aber natürlich nicht auf diese beschränkt . Insbesondere sind Art und genaue Ausgestaltung des Sensorelements, beziehungsweise dessen mikromechanischen Teils nicht erfindungsmaßgeblich, sodass die Erfindung auch andere Sensortypen umfasst. Die Erfindung ist auch nicht auf die eutektische Waferbondverbindung beschränkt und kann durch andere elektrisch leitende Waferbondverbindungen ersetzt werden. Auch der Dichtrahmen SF ist nicht zwingender Bestandteil der Erfindung, jedoch eine vorteilhafte Ausgestaltung.The invention has been explained by way of example only with reference to the exemplary embodiments, but is of course not limited to these. In particular, the nature and precise design of the Sensor element, or its micromechanical part not erfindungsmaßgeblich, so that the invention also includes other types of sensors. The invention is also not limited to the eutectic wafer bonding compound and can be replaced by other electrically conductive wafer bonding compounds. Also, the sealing frame SF is not mandatory part of the invention, however, an advantageous embodiment.
Auch die genaue Ausgestaltung des Substrats und der Trägerplatte sind variierbar und nicht Kernpunkt der Erfindung. E- benfalls nicht eingeschränkt ist die Auswahl der Materialien für die Sensorebene SE, die nicht aus einheitlichem Material bestehen muss, sondern durch Erzeugung eines geeigneten Schichtaufbaus auch andere Materialien und insbesondere Isolatoren umfassen kann. Dies kann insbesondere in Verbindung mit anderen Sensortypen erforderlich oder vorteilhaft sein. The exact configuration of the substrate and the carrier plate are variable and not core of the invention. The choice of materials for the sensor plane SE, which does not have to consist of uniform material, but may also include other materials and in particular insulators by producing a suitable layer structure, is likewise not restricted. This may be necessary or advantageous especially in connection with other sensor types.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
MS MikrosensorMS microsensor
MEMS Mikro-elektromechanisches SystemMEMS micro-electromechanical system
SUB SubstratSUB substrate
BW BonddrahtBW bonding wire
LF LeadframeLF leadframe
IC Integrierte SchaltungIC integrated circuit
SF DichtungsrahmenSF sealing frame
ST SensorzungeST sensor tongue
WBC WaferbondverbindungWBC wafer bond
LB LeiterbahnLB trace
TP TrägerplatteTP carrier plate
VS Vertikale VerbindungsstrukturVS Vertical connection structure
SE SensorebeneSE sensor level
HS HaftschichtHS adhesive layer
KS KontaktschichtKS contact layer
IG IsoliergebietIG isolation area
DK DurchkontaktierungDK through-hole
IS IsolierschichtIS insulating layer
SS SiliziumschichtSS silicon layer
MS MetallschichtMS metal layer
DS Dielektrische SchichtDS Dielectric layer
GP GrundplatteGP base plate
AK Elektrischer AußenanschlussAK External electrical connection
EK Elektrischer Kontakt EK Electrical contact

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrosensor mit einem mikro-elektromechanischen System, mit einem Substrat (SUB) , das auf der Oberfläche eine kristalline Siliziumschicht aufweist, in der das mikro- elektromechanische System (MEMS) ausgebildet ist, mit einer elektrische Kontakte (EK) aufweisenden Trägerplatte (TP) , auf der der Mikrosensor angeordnet ist, mit einer elektrischen Verbindung (WBC) zwischen dem e- lektromechanischen System und den Kontakten, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht elektrisch leitend eingestellt und über eine Waferbondverbindung (WBC) mit der Trägerplatte verbunden ist, und dass die Waferbondverbindung die genannte elektrische Verbindung zwischen dem elektromechanischen System und den Kontakten darstellt.A microsensor having a microelectromechanical system, comprising a substrate (SUB) having on the surface a crystalline silicon layer in which the microelectromechanical system (MEMS) is formed, having a support plate (TP) having electrical contacts (EK) ), on which the microsensor is arranged, with an electrical connection (WBC) between the e- lektromechanischen system and the contacts, characterized in that the silicon layer is set electrically conductive and connected via a wafer bond (WBC) to the carrier plate, and that the wafer bond represents the said electrical connection between the electromechanical system and the contacts.
2. Mikrosensor nach Anspruch 1, bei dem die Waferbondverbindung (WBC) ein Eutektikum umfasst .A microsensor according to claim 1, wherein the wafer bonding compound (WBC) comprises a eutectic.
3. Mikrosensor nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem das Substrat (SUB) mit der Siliziumschicht aus einem SOI Substrat ausgebildet ist.3. A microsensor according to claim 1 or 2, wherein the substrate (SUB) is formed with the silicon layer of an SOI substrate.
4. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das mikro-elektromechanische System (MEMS) als Trägheitssensor ausgebildet ist.4. Microsensor according to one of claims 1 to 3, wherein the micro-electro-mechanical system (MEMS) is designed as an inertial sensor.
5. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in der Siliziumschicht ein das mikro- elektromechanische System (MEMS) umschließender Rahmen (SF) ausbildet ist, der mit einer entsprechenden rahmenförmig ge- schlossenen Waferbondverbindung (WBC) mit der Trägerplatte (TP) so verbunden ist, dass ein gasdichter Verschluss des Systems ausgebildet ist.5. Microsensor according to one of claims 1 to 4, in which a microelectromechanical system (MEMS) enclosing frame (SF) is formed in the silicon layer, which is provided with a corresponding frame-shaped frame. closed wafer bond (WBC) with the support plate (TP) is connected so that a gas-tight closure of the system is formed.
6. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Trägerplatte (TP) eine integrierte Schaltung um- fasst .6. Microsensor according to one of claims 1 to 5, wherein the carrier plate (TP) comprises an integrated circuit.
7. Mikrosensor nach Anspruch 6, bei dem die Trägerplatte (TP) ein IC Bauelement ist, das eine integrierte Schaltung (IC) zum Betrieb des Sensors umfasst .7. A microsensor according to claim 6, wherein the carrier plate (TP) is an IC device comprising an integrated circuit (IC) for operating the sensor.
8. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das mikro-elektromechanische System (MEMS) in einem zwischen Trägerplatte (TP) , Siliziumschicht und Substrat (SUB) gebildeten, gasdicht verschlossenen Hohlraum angeordnet ist, in dem Vakuum aufrecht erhalten wird.8. Microsensor according to one of claims 5 to 7, wherein the micro-electro-mechanical system (MEMS) is arranged in a between the support plate (TP), silicon layer and substrate (SUB) formed, gas-tight cavity in which vacuum is maintained.
9. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Waferbondverbindung (WBC) ein Gold-Silizium- Eutektikum ist.A microsensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the wafer bonding compound (WBC) is a gold-silicon eutectic.
10. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Mikrosen- sors mit den Schritten auf einem Substrat (SUB) wird eine elektrisch leitende kristalline Siliziumschicht vorgesehen, in der Siliziumschicht wird durch Mikrostrukturierung ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) mit einer Sensorfunktion ausgebildet, bei der Mikrostrukturierung werden dabei vertikale Verbindungsstrukturen (VS) ausgebildet, die mit elektrisch funktionellen Komponenten des Systems verbunden sind, es wird eine Trägerplatte (TP) vorgesehen, in die eine elektrische Verschaltung (LB, IC, DK) integriert ist, wobei auf der Oberfläche bondbare Kontaktflächen angeordnet sind, das Substrat (SUB) wird mit der Siliziumschicht mit Hilfe eines Waferbondverfahrens auf die Trägerplatte (TP) ge- bondet, wobei ein Bondverfahren verwendet wird, mit dem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungsstrukturen (VS) und den entsprechenden Kontaktflächen auf der Trägerplatte hergestellt wird.10. A method for producing an integrated microsensor with the steps on a substrate (SUB), an electrically conductive crystalline silicon layer is provided, in the silicon layer is microstructured by a micro-electro-mechanical system (MEMS) with a sensor function, which are microstructuring thereby forming vertical connection structures (VS) connected to electrically functional components of the system, a carrier plate (TP) is provided in which an electrical interconnection (LB, IC, DK) is integrated, wherein bondable contact surfaces are arranged on the surface, the substrate (SUB) is coated with the silicon layer on the carrier plate by means of a wafer bonding method (US Pat. TP), wherein a bonding method is used, with which an electrically conductive connection between the connection structures (VS) and the corresponding contact surfaces on the support plate is produced.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die kristalline Siliziumschicht durch Waferbonden auf einer isolierenden Oberfläche des Substrats (SUB) aufgebracht wird, bei dem die Siliziumschicht so strukturiert wird, dass ein das mikro-elektromechanische System (MEMS) umschließender Rahmen (SF) ausgebildet wird, bei dem während das Waferbondverfahrens auch der Rahmen über seinen gesamten Umfang mit der Trägerplatte (TP) verbunden wird.11. The method of claim 10, wherein the crystalline silicon layer is applied by wafer bonding on an insulating surface of the substrate (SUB), wherein the silicon layer is patterned so that the micro-electro-mechanical system (MEMS) enclosing frame (SF) is formed in which, during the wafer bonding process, the frame is also connected over its entire circumference to the carrier plate (TP).
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem auf alle für die Waferbondverbindung (WBC) vorgesehene Bereiche der Trägerplatte (TP) eine Goldschicht aufgebracht wird, die in elektrische und rein mechanische Verbindungsstellen strukturiert ist, bei dem während das Waferbondverfahrens und unter Anpressdruck und erhöhter Temperatur ein Eutektikum aus der Goldschicht und Oberflächenbereichen der Siliziumschicht ausgebildet wird. 12. The method according to claim 10 or 11, in which all areas provided for the wafer bonding compound (WBC) of the carrier plate (TP), a gold layer is applied, which is structured in electrical and purely mechanical joints, wherein during the wafer bonding process and under contact pressure and elevated temperature eutectic from the gold layer and surface regions of the silicon layer is formed.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem durch das Verbinden von Siliziumschicht und Trägerplatte (TP) ein gasdicht geschlossener Hohlraum ausgebildet wird, in dem das mikro-elektromechanisches System (MEMS) angeordnet ist und wobei das Bondverfahren unter Vakuum durchgeführt wird, so dass auch ein Vakuum im Hohlraum verbleibt . 13. The method of claim 11 or 12, wherein by connecting the silicon layer and the support plate (TP) a gas-tight closed cavity is formed, in which the micro-electro-mechanical system (MEMS) is arranged and wherein the bonding process is carried out under vacuum, then that a vacuum remains in the cavity.
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