WO2007074017A1 - Mikromechanisches bauelement mit kappe - Google Patents

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WO2007074017A1
WO2007074017A1 PCT/EP2006/069123 EP2006069123W WO2007074017A1 WO 2007074017 A1 WO2007074017 A1 WO 2007074017A1 EP 2006069123 W EP2006069123 W EP 2006069123W WO 2007074017 A1 WO2007074017 A1 WO 2007074017A1
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micromechanical
layer
conductive layer
micromechanical component
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Volker Schmitz
Axel Grosse
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00301—Connecting electric signal lines from the MEMS device with external electrical signal lines, e.g. through vias
    • 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
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/09—Packages
    • B81B2207/091—Arrangements for connecting external electrical signals to mechanical structures inside the package
    • B81B2207/094—Feed-through, via
    • B81B2207/095—Feed-through, via through the lid

Definitions

  • the invention is based on a micromechanical component with a substrate, with a micromechanical functional layer, with a cavern and with a cap which delimits the cavern.
  • Micromechanical devices are capped for special uses or just to protect them.
  • Known is, inter alia, the Glasfrit- or anodic bonding for attaching a cap on the device.
  • the patent EP 1274648 Bl is a packaging by means of thin layers, a so-called OMM
  • OMM surface micromechanical
  • the invention is based on a micromechanical component with a substrate, with a micromechanical functional layer, with a cavern and with a cap which delimits the cavern.
  • the essence of the invention is that the cap has a conductive layer. It is advantageous that the cap is a thin-film cap. As a result, the overall height of the micromechanical device is reduced, and it eliminates the attachment step of a finished cap on the component during manufacture.
  • the cap consists of at least two layers.
  • the conductive layer and the actual cap layer can thus be largely independent of each other.
  • the conductive layer is not disposed on an outer side of the cap.
  • the conductive layer can thus be made more easily electrically connected to micromechanical functional elements.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the conductive layer is arranged on a side of the cap facing the cavern.
  • the conductive layer is structured. It is particularly advantageous that the structured conductive layer has at least one conductor track or at least one electrode.
  • micromechanical functional elements can thus be contacted from the cap side.
  • sensors with a capacitive measuring principle and measuring direction perpendicular to the substrate plane can be created if the electrode on the underside of the cap is designed as part of a capacitor structure.
  • the cap has perforation holes. Through these holes, the micromechanical functional element can be exposed by sacrificial layer etching of areas within the cavern. To protect against environmental influences, the perforation holes are advantageously filled.
  • An advantageous embodiment of the inventive micromechanical device provides that the perforation holes and the structured conductive layer are arranged to each other such that they form an angled access from the outside of the cap to the cavern.
  • the perforation holes easily expire because the filling material is prevented in an angular access to the cavern from entering this cavern and instead adds access.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention provides that the conductive layer is electrically connected to an electrical contact bushing to the outside (30) of the cap (3) and / or to the outside of the substrate.
  • a particular advantage of the invention is the formation of printed conductors and optionally functional electrodes on the cap underside over the micromechanical functional element (the MEMS structure). It can also be designed in addition to a conventional sensor underside structure with conductor tracks or electrodes. This can be particularly advantageous for z-sensors. Due to the possible spatial separation of electrical functional elements and other areas, more favorable geometries of the perforation holes can also be implemented in the same layer, e.g. Z- or L-shaped access with improved filling characteristics.
  • the present invention allows a simple MEMS substructure such as, for example, substrate, oxide and epitaxial silicon functional layer (as polycrystalline or monocrystalline SOI).
  • substrate, oxide and epitaxial silicon functional layer as polycrystalline or monocrystalline SOI.
  • the small thickness variation of the upper sacrificial layer allows equal and better properties (simpler topography, smaller thickness variation of the epitaxial silicon functional layer) than conventional OMM processes.
  • Fig. 1 shows a micromechanical device according to the invention with cap.
  • Fig. 1 shows a micromechanical device according to the invention with cap schematically in section.
  • the component has a substrate 1.
  • This substrate 1 may be, for example, a silicon substrate.
  • a micromechanical functional layer 2 is arranged, which extends at least partly in a cavity 4.
  • the micromechanical functional layer 2 may consist of silicon, in particular of epitaxially grown polycrystalline or monocrystalline silicon.
  • a cap 3 is arranged, which limits the cavity 4 upwards.
  • the cap 3 has an outer side 30 towards the surroundings of the micromechanical component.
  • the cap 3 further has a cavern 4 facing side 35, an inner side.
  • the cap 3 is preferably a so-called thin film cap, i. It consists of one or more thin films deposited over the micromechanical functional layer 2. Between the micromechanical functional layer 2 and the cap 3, one or more further layers, in particular a second sacrificial layer 11, can be arranged. The sacrificial layers 10 and 11 are at least partially removed in the region of the cavern 4.
  • a possible layer sequence of the micromechanical device from bottom to top consists of a silicon substrate 1, a sacrificial oxide 10, an epitaxial layer 2, a sacrificial oxide 11, a conductive layer 100, which preferably consists of polycrystalline silicon, but also of metal or other suitable conductive material an insulating layer 50, in this example a passivitride and / or passivating oxide 50, an oxide 12, and an epitaxial layer 3, which in this embodiment forms an essential layer of the cap 3.
  • the insulation layer 50 can be structured.
  • the conductive layer 100 may also be patterned having different regions 100a and 100b.
  • the insulating layer 50 ensures the mechanical connection of at least areas 100b of the conductive layer 100 to the epitaxial layer 3 and their electrical insulation.
  • the oxide 12, which is arranged on the epitaxial layer 3, may be removed in the region of perforation openings 200 in the epitaxial layer 3 in order to allow access from the environment to the cavern 4.
  • Areas 100a of the conductive layer 100, which are not connected to the epitaxial layer 3 via the insulating layer 50 but directly via the oxide 12, may be at least partially exposed after the removal of the oxide 12.
  • the perforation openings 200 in the epitaxial layer 3 can finally be closed with a filling material.
  • Another possible layer sequence of the micromechanical device from bottom to top consists of a silicon substrate 1, a passivitride and / or passivating oxide, a polycrystalline silicon sacrificial layer 10, a passivating oxide, an epitaxial layer 2, a passivating oxide, a polycrystalline silicon sacrificial layer 10, a passivating nitride and / or passivating oxide, a conductive layer 100 (preferably of polycrystalline silicon, but also of metal or another suitable conductive material), an insulating layer, for example a passivitride and / or passivating oxide, and an epitaxial layer 3.
  • combinations of polycrystalline silicon and oxide sacrificial layers are also possible.
  • the layer structure shown above takes place as an addition to the conventional sensor layer sequence, as shown, for example, in European Patent EP 1274648 B1.
  • the layers 3, 100 a and b, 12 and 50 are provided in the region of the cap, wherein accesses from the environment of the micromechanical device to the cavity 4 are realized by skillful geometric arrangement of the layers and the perforation holes 4 whose characteristic is a favorable filling characteristic. This applies above all with regard to the shading of the material during closure by an angled access to the cavern 4.
  • the micromechanical component is preferably a silicon-based component.
  • the micromechanical component may, for example, be an actuator or an actuator, and the micromechanical component is particularly preferably configured as a rotation rate sensor or an acceleration sensor.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat (1), mit einer mikromechanischen Funktionsschicht (2), mit einer Kaverne (4) und mit einer Kappe (3), welche die Kaverne (4) begrenzt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Kappe (3) eine leitfähige Schicht (100) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauelement mit Kappe
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt.
Mikromechanische Bauelemente werden für spezielle Einsatzzwecke oder auch nur zu ihrem Schutz mit einer Kappe versehen. Bekannt ist unter anderem das Glasfrit- oder anodische Bonden zur Befestigung einer Kappe auf dem Bauelement. In der Patentschrift EP 1274648 Bl ist eine Verpackung mittels dünner Schichten, eine so genannte OMM-
Verkappung beschrieben (OMM - oberflächen-mikromechanisch). Grundlage dieser Technologie bildet eine perforierte Schicht aus epitaktischem Polysilizium über einer Kaverne, die ein mikromechanisches Funktionselement enthält. Die zur elektrischen Kontak- tierung des mikromechanischen Funktionselements notwendigen Leiterbahnen werden dabei häufig unter der Funktionsschicht oder auf dem epitaktischen Polysilizium geführt.
VORTEILE DER ERFINDUNG OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, mit einer mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer Kaverne und mit einer Kappe, welche die Kaverne begrenzt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Kappe eine leitfähige Schicht aufweist. Vorteilhaft ist, dass die Kappe eine Dünnschichtkappe ist. Hierdurch wird die Bauhöhe des mikromechanischen Bauelements verringert, und es entfällt der Befestigungsschritt einer fertigen Kappe auf dem Bauelement bei der Herstellung.
Vorteilhaft besteht die Kappe aus wenigstens zwei Schichten. Vorteilhaft können so die Leitschicht und die eigentliche Kappenschicht weitgehend unabhängig voneinander gestaltet sein.
Vorteilhaft ist die leitfähige Schicht nicht an einer Außenseite der Kappe angeordnet. Die leitfähige Schicht lässt sich so einfacher mit mikromechanischen Funktionselementen e- lektrisch verbunden gestalten. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht dabei vor, dass die leitfähige Schicht an einer der Kaverne zugewandten Seite der Kappe angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die leitfähige Schicht strukturiert ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die strukturierte leitfähige Schicht dabei wenigstens eine Leiterbahn oder wenigstens eine Elektrode aufweist. Vorteilhaft können so mikromechanische Funktionselemente von der Kappenseite aus kontaktiert werden. Außerdem können Sensoren mit kapazitivem Messprinzip und Messrichtung senkrecht zur Substratebene (z-Sensoren) geschaffen werden, wenn die Elektrode an der Unterseite der Kappe als Teil einer Kondensatorstruktur ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist auch, dass die Kappe Perforationslöcher aufweist. Durch diese Löcher kann das mikromechanische Funktionselement durch Opferschichtätzen von Bereichen innerhalb der Kaverne freigelegt werden. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse sind die Perforationslöcher vorteilhaft verfüllt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die Perforationslöcher und die strukturierte leitfähige Schicht derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen abgewinkelten Zugang von der Außenseite der Kappe zur Kaverne bilden. Vorteilhaft lassen sich bei einer solchen Anordnung die Perforationslöcher leicht verfallen, weil das Füllmaterial in einem winkeligen Zugang zur Kaverne am Eindringen in diese Kaverne gehindert wird und stattdessen den Zugang zusetzt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die Leitschicht mit einer elektrischen Kontaktdurchführung zur Außenseite (30) der Kappe (3) und/ oder zur Außenseite des Substrats elektrisch verbunden ist.
Außerdem ergeben sich Kosten- und Fertigungsvorteile durch eine Vereinfachung der Herstellung der Funktionsstruktur. Durch die Verlegung einer elektrischen Leitschicht an der Kappe lässt sich die Komplexität des Unterbaus eines mikromechanischen Bauelements reduzieren (reduzierte Topographie). Für den nachfolgenden Verschlussprozess ergibt sich die Möglichkeit, günstigere Geometrien der Perforationslöcher umzusetzen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Ausbildung von Leiterbahnen und gegebenenfalls funktionaler Elektroden auf der Kappenunterseite über dem mikromechanischen Funktionselement (der MEMS-Struktur). Sie kann auch zusätzlich zu einer herkömmlichen Sensorunterseitenstruktur mit Leiterbahnen oder Elektroden ausgeführt sein. Besonders von Vorteil kann dies für z-Sensoren sein. Aufgrund der möglichen räumlichen Trennung von elektrischen Funktionselementen und anderen Bereichen sind in derselben Schicht auch günstigere Geometrien der Perforationslöcher umsetzbar, z.B. Z- oder L- förmige Zugänge mit verbesserter Verfüllcharakteristik.
Die vorliegende Erfindung erlaubt im Falle einer ausschließlich oben liegenden elektrisch leitfähigen Schicht einen einfachen MEMS-Unterbau wie zum Beispiel mit Substrat, O- xid und epitaktische Silizium-Funktionsschicht (als polykristallines oder einkristallines SOI). Die geringe Dickenabweichung der oberen Opferschicht gestattet gleiche und bessere Eigenschaften (einfachere Topografie, geringere Dickenabweichung der epitaktischen Silizium-Funktionsschicht) als herkömmliche OMM-Prozesse.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. - A -
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit Kappe.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsform soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement mit Kappe schematisch in Schnittdarstellung. Das Bauelement weist ein Substrat 1 auf. Dieses Substrat 1 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Über dem Substrat 1 ist eine mikromechanische Funktionsschicht 2 angeordnet, welche sich wenigstens zum Teil in einer Kaverne 4 erstreckt. Die mikromechanische Funktionsschicht 2 kann aus Silizium, insbesondere aus epitaktisch aufgewachsenem polykristallinen oder monokristallinen Silizium bestehen. Zwischen dem Substrat 1 und der mikromechanischen Funktionsschicht 2 können noch eine oder mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine erste Opferschicht 10 angeordnet sein. Über der mikromechanischen Funktionsschicht 2, ist eine Kappe 3 angeordnet, welche die Kaverne 4 nach oben begrenzt. Die Kappe 3 weist dabei eine Außenseite 30 zur Umgebung des mikromechanischen Bauelements hin auf. Die Kappe 3 weist weiterhin eine der Kaverne 4 zugewandte Seite 35, eine Innenseite auf. Die Kappe 3 ist bevorzugt eine so genannte Dünnschichtkappe, d.h. sie besteht aus einer oder mehreren über der mikromechanischen Funktionsschicht 2 abgeschiedenen dünnen Schichten. Zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht 2 und der Kappe 3 können noch eine o- der mehrere weitere Schichten wie insbesondere eine zweite Opferschicht 11 angeordnet sein. Die Opferschichten 10 und 11 sind im Bereich der Kaverne 4 wenigstens teilweise entfernt.
Eine mögliche Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach oben besteht aus einem Siliziumsubstrat 1 , einem Opferoxid 10, einer Epitaxieschicht 2, einem Opferoxid 11, einer leitfähigen Schicht 100, welche vorzugsweise aus polykristallinem Silizium besteht, aber auch aus Metall oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material bestehen kann, einer Isolationsschicht 50, in diesem Beispiel einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid 50, einem Oxid 12, und einer Epitaxieschicht 3, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine wesentliche Schicht der Kappe 3 Bildet. Die Isolationsschicht 50 kann strukturiert sein. Die leitfähige Schicht 100 kann ebenfalls strukturiert sein und dabei verschiedenen Bereiche 100a und 100b aufweisen. Die Isolationsschicht 50 gewährleistet die mechanische Anbindung wenigstens von Bereichen 100b der leitfähigen Schicht 100 an die Epitaxieschicht 3 und deren elektrische Isolation. Das Oxid 12, welches an der Epitaxieschicht 3 angeordnet ist, kann im Bereich von Perforationsöffnungen 200 in der Epitaxieschicht 3 entfernt sein, um einen Zugang von der Umgebung zur Kaverne 4 zu ermöglichen. Bereiche 100a der leitfähigen Schicht 100, welche nicht über die Isolationsschicht 50, sondern direkt über das Oxid 12 an die Epitaxieschicht 3 angebunden sind, können nach dem Entfernen des Oxids 12 wenigstens teilweise freigelegt sein. Die Perforationsöffnungen 200 in der Epitaxieschicht 3 können schließlich mit einem Füllmaterial verschlossen sein.
Eine andere mögliche Schichtabfolge des mikromechanischen Bauelements von unten nach oben besteht aus einem Siliziumsubstrat 1 , einem Passiviernitrid und/oder Passivier- oxid, einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10, einem Passivieroxid, einer Epitaxieschicht 2, einem Passivieroxid, einer polykristallinen Silizium-Opferschicht 10, einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid, einer leitfähigen Schicht 100 (vorzugsweise aus polykristallinem Silizium aber auch aus Metall oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material), einer Isolationsschicht, beispielsweise einem Passiviernitrid und/oder Passivieroxid, und einer Epitaxieschicht 3.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind Kombinationen aus polykristallinen Silizium- und Oxid-Opferschichten ebenfalls möglich.
Für den Fall funktionaler elektrischer Ebenen unter und über der MEMS-Struktur erfolgt der oben dargestellte Schichtaufbau als Zusatz zur herkömmlichen Sensorschichtenfolge wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 1274648 Bl dargestellt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind im Bereich der Kappe die Schichten 3, 100 a und b, 12 und 50 vorgesehen, wobei durch geschickte geometrische Anordnung der Schichten und der Perforationslöcher 200 Zugänge von der Umgebung des mikromechanischen Bauelements zur Kaverne realisiert 4 sind, deren Eigenschaft eine günstige Ver- füllcharakteristik ist. Dies gilt vor allen hinsichtlich der Materialabschattung beim Verschluss durch einen abgewinkelten Zugang zur Kaverne 4. Bei dem mikromechanischen Bauelement handelt es sich bevorzugt um ein Bauelement auf Siliziumbasis. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise ein (Stellglied (Aktuator) oder ein Messglied (Sensor) sein. Besonders bevorzugt ist das mikromechanische Bauelement als Drehratensensor oder Beschleunigungssensor ausgestaltet.
Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (1), mit einer mikromechanischen Funktionsschicht (2), mit einer Kaverne (4) und mit einer Kappe (3), welche die Kaverne (4) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) eine leitfähige Schicht (100) aufweist.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) eine Dünnschichtkappe ist.
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) aus wenigstens zwei Schichten besteht.
4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) nicht an einer Außenseite (30) der Kappe (3) angeordnet ist.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) an einer der Kaverne (4) zugewandten Seite (35) der Kappe (3) angeordnet ist.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (100) strukturiert ist.
7. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte leitfähige Schicht (100) wenigstens eine Leiterbahn und/oder wenigstens eine Elektrode aufweist.
8. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) Perforationslöcher (200) aufweist, welche insbesondere verfüllt sind.
9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationslöcher (200) und die strukturierte leitfähige Schicht (100a) derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen abgewinkelten Zugang von der Außenseite (30) der Kappe (3) zur Kaverne (4) bilden.
10. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht mit einer elektrischen Kontaktdurchführung zur Außenseite (30) der Kappe (3) und/ oder zur Außenseite des Substrats (1) und oder zur mikromechanischen Funktionsschicht (2) elektrisch verbunden ist.
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