WO2017121744A1 - Mikromechanisches bauelement - Google Patents

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WO2017121744A1
WO2017121744A1 PCT/EP2017/050451 EP2017050451W WO2017121744A1 WO 2017121744 A1 WO2017121744 A1 WO 2017121744A1 EP 2017050451 W EP2017050451 W EP 2017050451W WO 2017121744 A1 WO2017121744 A1 WO 2017121744A1
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cap
micromechanical
thin
cavern
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PCT/EP2017/050451
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Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2924/146—Mixed devices
    • H01L2924/1461—MEMS

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component and to a method for producing a micromechanical component.
  • Micromechanical sensors for measuring, for example, acceleration, rate of rotation, magnetic field and pressure are known and are mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors.
  • micromechanical sensors such as inertial sensors that require vacuum encapsulation, require hermetically sealed capping. This can be realized either as a wafer cap or as a thin film capping.
  • Wafer capping requires a bonding process with usually metallic bonds. These usually allow only low process temperatures, whereby enclosable internal pressures are limited down. In addition, these bonds have not proven to be sufficiently moisture proof over life.
  • Thin film capping is known, for example, from US Pat. Nos. 7,041,225 B2 and 7,259,436 B2.
  • the mentioned Dünntikverkappungen can be done at very high temperatures, resulting in very low
  • a micromechanical component comprising:
  • a carrier wafer having at least one micromechanical structure disposed in a cavity
  • the object is achieved with a method for
  • Producing a micromechanical device comprising the steps:
  • Kappenwafers a region of the thin-film cap above the cavern is hermetically sealed.
  • the cap wafer arranged above the micromechanical structure By means of the cap wafer arranged above the micromechanical structure, it can advantageously be achieved that an air pressure dependency of the micromechanical component with the thin-film capping is largely precluded. In particular, it can be largely avoided that the Dünn fürverkappung is pressed by the air pressure. In this way, an inertial sensor is provided with a thin-film capping, which is largely insensitive to external air pressure fluctuations and mechanical stress. As a result, compact inertial sensors can advantageously be realized because support structures for supporting the thin-film capping are not required. Advantageously, with the additional capping, reliable operation of the inertial sensor under variable environmental conditions is supported. Preferred embodiments of the micromechanical device are
  • a preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that the cap wafer is a glass cap wafer.
  • Contacting element e.g., wire bond
  • a chipscale package can be realized in this way.
  • an electrical through-hole can be formed through the glass cap wafer, which has solder balls on an upper side.
  • a further preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that the cap wafer is an ASIC wafer.
  • the ASIC wafer can advantageously be used for electrical contacting and evaluation purposes for a sensor.
  • micromechanical component is characterized in that a buried wiring plane is formed in the carrier wafer below the micromechanical structure.
  • micromechanical structure are provided.
  • a further preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that two micromechanical structures are formed in the carrier wafer, wherein in each case a micromechanical structure is arranged in each cavern, wherein areas above the caverns are hermetically sealed by means of the cap wafer, wherein between a
  • Cavern of the cap wafer and a cavern of the carrier wafer a fluid channel is formed.
  • the presence of two caverns is particularly important for inertial components, in which way, for example, a rotation rate sensor and an acceleration sensor can be formed in a single housing.
  • the two separate areas in the cap wafer make it possible in a simple manner to provide different pressures for the two caverns.
  • a further preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that filled in the thin-film cap isolation trenches are formed. As a result, areas separated from one another can advantageously be created, to which different electrical potentials are supplied for driving the micromechanical structure.
  • a further preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that a metal layer is formed on the thin-film cap in the region of the filled isolation trenches. By means of the metal layer can be achieved that the filled isolation trenches are gas-tight and thereby the vacuum in the cavern can be obtained long term.
  • micromechanical component is characterized in that the micromechanical component is an inertial sensor with at least one sensor element. In this way, the concept of additional capping is particularly useful for inertial sensors.
  • a further preferred embodiment of the micromechanical component is characterized in that the inertial sensor has an acceleration sensor and a rotation rate sensor.
  • the additional capping provided by the cap wafer with two separate caverns for a ready It is possible to set different pressures in two caverns, which are necessary for the sensor topologies mentioned.
  • Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and designs relating to the micromechanical component are analogous in their corresponding manner
  • FIG. 1 shows an embodiment of a micromechanical component
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a micromechanical
  • Fig. 4 shows another embodiment of a micromechanical
  • Fig. 5 shows another embodiment of a micromechanical
  • micromechanically based inertial sensors there are a large number of requirements that must all be met as well as possible.
  • High-precision and energy-saving micromechanical rotation rate sensors are best realized as so-called “high-quality oscillators", which represent systems with large resonance peaks.
  • the micromechanical oscillator In order to achieve the highest possible quality, the micromechanical oscillator must be enclosed in as good a vacuum as possible in order to minimize the absorption by trapped gas.
  • the encapsulation must be moisture sealed over its operating life, and thermo-mechanical influences from component packaging must be minimized to substantially eliminate temperature drift of the sensor signal.
  • the micromechanical structure is first closed with a thin-film or thin-film capping, for example in an epitaxy reactor at temperatures greater than 1000 ° C.
  • a thin-film or thin-film capping for example in an epitaxy reactor at temperatures greater than 1000 ° C.
  • a hydrogen atmosphere essentially all superficially deposited molecules decompose and pass into the gas phase.
  • a very low internal pressure results.
  • the resulting Dünn fürverkappung is also advantageously moisture-proof.
  • the thin film cap may disadvantageously bend sharply once the device is exposed to normal atmospheric pressure. Injection of the components with molding compound can lead to further pressure load. Conventionally, excessive deformation of the thin film cap
  • the wafer cap can be realized either as a pure cap wafer or as an ASIC substrate or an ASIC wafer. Due to the second capping, it is possible to open one of the thin-film-encapsulated cavities and to set a higher internal pressure in the cap bonding process.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a first embodiment of a proposed micromechanical component 100 in the form of an inertial sensor.
  • a carrier wafer 10 on which a micromechanical functional layer 20 having a micromechanical structure 23 (MEMS structure) is formed.
  • MEMS structure micromechanical structure 23
  • the micromechanical structure 23 is formed within a cavity 21 with a vacuum (“vacuum cavity”) to which, depending on the type of sensor, different quality requirements are imposed
  • Carrier wafer 10 with the micromechanical structure 23 is capped with a thin-film cap 30, for example made of poly-silicon.
  • a thin-film cap 30 for example made of poly-silicon.
  • the thin-film cap 30 is preferably applied by means of the mentioned high-temperature closure process, whereby a low internal pressure is provided in the cavity 21.
  • Isolation trenches 31 filled with an insulating material in the thin-film cap 30 can be provided to electrically separate regions of the thin-film cap 30 in order to be able to supply different electrical potentials to the different regions of the thin-film cap 30 in this way. Above the filled isolation trenches 31 is partially a
  • Metal layer 32 for electrical contacting of said areas of the thin-film cap 30.
  • Micromechanical structure 23 is by means of a bonding connection 40 a
  • micromechanical structure 23 better protected and thus longer
  • An insulating layer 33 between the bonding frame 40 and the metal layer 32 is provided to prevent electrical short circuits between the electrically conductive bonding frame 40 and the metal layer 32.
  • the metal layer 32 serves as a wiring plane for the realization of electrical tracks for driving or discharging sensor signals of the movable micromechanical structure 23 in the functional layer 20 of the carrier wafer 10.
  • the metal layer 32 also serves as a gastight seal for the filled with insulating insulation trenches 31, so that in this way the vacuum in the cavern 20 can be kept durable and in good quality.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through a further embodiment of the micromechanical device 100.
  • the cap wafer 50 is designed as a glass cap wafer.
  • plated-through holes 51 through-glass vias
  • solder balls 60 allow electrical contacting of switching structures of the micromechanical device 100.
  • no additional external wiring effort is required compared to the topology of FIG. 3 shows a cross-sectional view through a further embodiment of a proposed micromechanical device 100.
  • the micromechanical device 100 below the micromechanical functional layer 20 contains a buried wiring plane 24. By means of the buried wiring plane 24, an electrical feed of the micromechanical structure 23 can be performed.
  • the cap wafer 50 is formed as an ASIC wafer, preferably a CMOS ASIC wafer with electronic evaluation circuits, digital circuits, memory, interfaces, etc. in the Transistor level (not shown).
  • the carrier wafer 10 is connected by means of a bonding connection 40 with the cap wafer 50 designed as an ASIC wafer. In this way, an evaluation or computing capacity can advantageously be integrated into the micromechanical component 100, which allows a compact design.
  • an external electrical contacting of the micromechanical device 100 via via holes 51 (through-silicon via, TSV) in the ASIC wafer and solder balls 60 takes place on the ASIC wafer.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view through a further preferred embodiment of the micromechanical component 100.
  • the micromechanical component 100 it is provided that two cavities 21, 21 a are formed in the functional layer 20, in each of which a micromechanical structure 23 is preferably formed. In this way, with the micromechanical structures 23
  • cap wafer 50 which allows two separate caverns 52, 52a above the caverns 21, 21a.
  • Damping requires a defined larger second pressure in the second cavity 21 a.
  • FIG. 6 shows a basic flow diagram of an embodiment of a method for producing a micromechanical component.
  • a carrier wafer 10 is provided.
  • a micromechanical structure 23 is formed in a cavity 21 of the carrier wafer 20.
  • a thin-film cap 30 is arranged on the carrier wafer 10, wherein the cavity 21 is hermetically sealed.
  • a cap wafer 50 is arranged on the thin-film cap 30 above the cavern 21 with the micromechanical structure 23, wherein a region of the thin-film cap 30 above the cavern 21 is hermetically sealed by means of the cap wafer 50.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend: -einen Trägerwafer (10) mit wenigstens einer mikromechanischen Struktur (23), die in einer Kaverne (21) angeordnet ist; -eine auf dem Trägerwafer (10) angeordnete Dünnschichtkappe (30), mittels der die Kaverne (21) hermetisch verschlossen ist; und -einen auf der Dünnschichtkappe (30) im Bereich der Kaverne (21) mit der mikromechanischen Struktur (23) angeordneten Kappenwafer (50); wobei mittels des Kappenwafers (50) ein Bereich der Dünnschichtkappe (30) oberhalb der Kaverne (21) hermetisch verschlossen ist.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
Stand der Technik
Mikromechanische Sensoren zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
Herkömmliche mikromechanische Sensoren wie zum Beispiel Inertialsensoren, die eine Vakuumverkapselung erfordern, benötigen eine hermetisch dichte Verkappung. Diese kann entweder als Waferkappe oder als Dünnfilmverkappung realisiert werden.
Waferverkappungen erfordern ein Bondverfahren mit in der Regel metallischen Bondverbindungen. Diese erlauben meist nur niedrige Prozesstemperaturen, wodurch einschließbare Innendrücke nach unten limitiert sind. Außerdem haben sich diese Bondverbindungen über Lebensdauer als nicht ausreichend feuchtedicht erwiesen.
Dünnschichtverkappungen sind beispielsweise aus US 7 041 225 B2 und US 7 259 436 B2 bekannt. Die genannten Dünnschichtverkappungen können bei sehr hohen Temperaturen erfolgen, wodurch sich besonders niedrige
Innendrücke einschließen lassen. Allerdings biegen sich die Dünnfilmverkap- pungen bei Atmosphärendruck durch, so dass zu einer mechanischen Stützung Stützsäulen integriert werden müssen, was kleinbauende Sensoren verhindert und zu einem Fehlsignal bei äußeren Druckschwankungen führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement mit einer Dünnschichtverkappung bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikrome- chanischen Bauelement, aufweisend:
einen Trägerwafer mit wenigstens einer mikromechanischen Struktur, die in einer Kaverne angeordnet ist;
eine auf dem Trägerwafer angeordnete Dünnschichtkappe, mittels der die Kaverne hermetisch verschlossen ist; und
- einen auf der Dünnschichtkappe im Bereich der Kaverne mit der
mikromechanischen Struktur angeordneten Kappenwafer; wobei mittels des Kappenwafers ein Bereich der Dünnschichtkappe oberhalb der Kaverne hermetisch verschlossen ist. Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum
Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Trägerwafers;
Ausbilden einer mikromechanischen Struktur in einer Kaverne des Trägerwafers;
- Anordnen einer Dünnschichtkappe auf dem Trägerwafer, wobei die
Kaverne hermetisch verschlossen wird; und
Anordnen eines Kappenwafers auf der Dünnschichtkappe oberhalb der Kaverne mit der mikromechanischen Struktur, wobei mittels des
Kappenwafers ein Bereich der Dünnschichtkappe oberhalb der Kaverne hermetisch verschlossen wird.
Mittels des über der mikromechanischen Struktur angeordneten Kappenwafers kann vorteilhaft erreicht werden, dass eine Luftdruckabhängigkeit des mikromechanischen Bauelements mit der Dünnschichtverkappung weitgehend ausgeschlossen ist. Insbesondere kann weitgehend vermieden sein, dass die Dünnschichtverkappung durch den Luftdruck eingedrückt wird. Auf diese Weise wird ein Inertialsensor mit einer Dünnschichtverkappung geschaffen, welcher gegen äußere Luftdruckschwankungen und mechanischen Stress weitgehend unempfindlich ist. Im Ergebnis lassen sich vorteilhaft kompakte Inertialsensoren realisieren, weil Stützstrukturen zur Abstützung der Dünnschichtverkappung nicht benötigt werden. Vorteilhaft ist mit der Zusatzverkappung eine zuverlässige Funktionsweise des Inertialsensors bei variablen Umgebungsbedingungen unterstützt. Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Bauelements sind
Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kappenwafer ein Glaskappenwafer ist.
Dadurch ist vorteilhaft ermöglicht, dass kein zusätzliches elektrisches
Kontaktierungselement (z.B. Drahtbond) zum elektrischen Kontaktieren der mikromechanischen Struktur des mikromechanischen Bauelements erforderlich ist. Zum Beispiel kann auf diese Weise ein Chipscale-Package realisiert werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine elektrische Durchkontaktierung durch den Glaskappenwafer ausgebildet werden, der an einer Oberseite Lötballs aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kappenwafer ein ASIC-Wafer ist. Dadurch können vorteilhaft Elemente des ASIC-Wafers zur elektrischen Kontaktierung und zu Auswertezwecken für einen Sensor genutzt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass im Trägerwafer unterhalb der mikromecha- nischen Struktur eine vergrabene Verdrahtungsebene ausgebildet ist. Auf diese
Weise kann auf einfache Weise eine elektrische Kontaktierung für die
mikromechanische Struktur bereitgestellt werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass im Trägerwafer zwei mikromechanische Strukturen ausgebildet sind, wobei jeweils eine mikromechanische Struktur in jeweils einer Kaverne angeordnet ist, wobei mittels des Kappenwafers Bereiche oberhalb der Kavernen hermetisch abgeschlossen sind, wobei zwischen einer
Kaverne des Kappenwafers und einer Kaverne des Trägerwafers ein Fluidkanal ausgebildet ist. Das Vorhandensein von zwei Kavernen ist insbesondere für Inertial-Bauelemente von Bedeutung, wobei auf diese Weise beispielsweise ein Drehratensensor und ein Beschleunigungssensor in einem einzigen Gehäuse ausgebildet werden können. Durch die beiden getrennten Bereiche im Kappen- wafer ist es auf einfache Weise möglich, unterschiedliche Drücke für die beiden Kavernen bereit zu stellen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass in der Dünnschichtkappe verfüllte Isolationsgräben ausgebildet sind. Dadurch können vorteilhaft voneinander separierte Bereiche geschaffen werden, an die zur Ansteuerung der mikromechanischen Struktur unterschiedliche elektrische Potentiale zugeführt werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der verfüllten Isolationsgräben eine Metallschicht auf der Dünnschichtkappe ausgebildet ist. Mittels der Metallschicht kann erreicht werden, dass die verfüllten Isolationsgräben gasdicht ausgebildet sind und dadurch das Vakuum in der Kaverne langfristig erhalten werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass das mikromechanische Bauelement ein Inertialsensor mit wenigstens einem Sensorelement ist. Auf diese Weise wird das Konzept der Zusatzverkappung besonders nützlich für Inertialsensoren angewendet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass der Inertialsensor einen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor aufweist. Vorteilhaft ist die mittels des Kappenwafers bereitgestellte Zusatzverkappung mit zwei getrennten Kavernen für eine Bereit- stellung von unterschiedliche Drücken in zwei Kavernen möglich, die für die genannten Sensortopologien erforderlich sind.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das mikromechanische Bauelement in analoger Weise aus entsprechenden
Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum
Herstellen eines mikromechanischen Bauelements ergeben und umgekehrt. In den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements; eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen
Bauelements;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen
Bauelements;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen
Bauelements;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen
Bauelements; und Fig. 6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines
mikromechanischen Bauelements.
Beschreibung von Ausführungsformen
Für mikromechanisch basierte Inertialsensoren existieren eine Vielzahl von Anforderungen, die alle möglichst gut erfüllt werden müssen. Hochgenaue und energiesparende mikromechanische Drehratensensoren lassen sich am günstigsten als sogenannte„Hochgüteschwinger" realisieren, die Systeme mit großen Resonanzüberhöhungen repräsentieren. Zur Erreichung einer möglichst hohen Güte muss der mikromechanischen Schwinger in einem möglichst guten Vakuum eingeschlossen werden, um die Dämpfung durch eingeschlossenes Gas zu minimieren. Darüber hinaus muss die Verkapselung über die Betriebsdauer feuchtedicht sein. Außerdem müssen thermomechanische Einflüsse durch die Bauelementeverpackung minimiert werden, um damit eine Temperaturdrift des Sensorsignals weitgehend auszuschalten.
Nicht zuletzt müssen für kombinierte Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Drehratensensor) zwei verschiedene Innendrücke im selben Bauteil in
nebeneinanderliegenden Kavernen bereitgestellt werden.
Zur Erreichung eines möglichst hohen Vakuums, wird die mikromechanische Struktur zunächst mit einer Dünnfilm- bzw. Dünnschichtverkappung, zum Beispiel in einem Epitaxiereaktor bei Temperaturen größer als 1000°C verschlossen. Bei diesen hohen Prozesstemperaturen in Wasserstoffatmosphäre zersetzen sich im Wesentlichen sämtliche oberflächlich angelagerten Moleküle und gehen in die Gasphase über. Beim Abkühlen nach dem Kavernenverschluss ergibt sich gemäß dem zweiten Gesetz von Gay-Lussac ein sehr geringer Innendruck. Die resultierende Dünnschichtverkappung ist zudem vorteilhaft feuchtedicht.
Aufgrund ihrer geringen Dicke von typischerweise weniger als ca. 50 μηη kann sich die Dünnschichtkappe allerdings in nachteiliger weise stark verbiegen, sobald das Bauelement normalem Atmosphärendruck ausgesetzt wird. Ein Umspritzen der Bauelemente mit Moldmasse kann zu weiteren Druckbe- lastungen führen. Herkömmlich wird eine übermäßige Deformation der
Dünnfilmkappe durch einen Einbau von Stützsäulen vermieden, was allerdings zusätzliche Fläche erfordert.
Es wird daher vorgeschlagen, Stützmaßnahmen dadurch zu vermeiden, dass eine zusätzliche Waferkappe auf die Dünnfilmkappe aufgesetzt und darin ein Vakuumhohlraum erzeugt wird. Die Waferkappe schirmt auf diese Weise äußere Druck- und mechanische Stresseinflüsse auf die Dünnschichtkappe ab. Die Bondbereiche der Waferkappe sind dabei in denselben Bereichen ausgebildet, wie die Hohlraumwände der darunter liegenden Kavernen.
Die Waferkappe kann entweder als ein reiner Kappenwafer oder als ein ASIC- Substrat bzw. ein ASIC-Wafer realisiert sein. Durch die zweite Verkappung ergibt sich die Möglichkeit, einen der dünnfilmverkappten Hohlräume zu öffnen und darin beim Kappenbondprozess einen höheren Innendruck einzustellen.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100 in Form eines Inertial- sensors. Man erkennt einen Trägerwafer 10, auf welchem eine mikromechanische Funktionsschicht 20 mit einer mikromechanischen Struktur 23 (MEMS- Struktur) ausgebildet ist. Die mikromechanische Struktur 23 ist innerhalb einer Kaverne 21 mit einem Vakuum („Vakuumhohlraum") ausgebildet, an das je nach Sensortyp unterschiedliche Qualitätsanforderungen gestellt werden. Der
Trägerwafer 10 mit der mikromechanischen Struktur 23 ist mit einer Dünnschichtkappe 30, beispielsweise aus Poly-Silizium, verkappt. Mittels der Dünnschichtkappe 30 wird die Kaverne 21 hermetisch verschlossen. Die Dünnschichtkappe 30 wird vorzugsweise mittels des genannten Hochtemperaturverschluss- prozesses aufgebracht, wodurch in der Kaverne 21 ein niedriger Innendruck bereitgestellt wird. Mit einem Isolationsmaterial verfüllte Isolationsgräben 31 in der Dünnschichtkappe 30 können vorgesehen sein, um Bereiche der Dünnschichtkappe 30 voneinander elektrisch zu separieren, um auf diese Weise an die verschiedenen Bereiche der Dünnschichtkappe 30 unterschiedliche elektrische Potentiale zuführen zu können. Oberhalb der verfüllten Isolationsgräben 31 befindet sich teilweise eine
Metallschicht 32 zur elektrischen Kontaktierung der genannten Bereiche der Dünnschichtkappe 30. Im Bereich oberhalb der Kaverne 21 mit der
mikromechanischen Struktur 23 ist mittels einer Bondverbindung 40 ein
Kappenwafer 50 aufgebracht, so dass auf diese Weise ein hermetischer
Verschluss der Dünnschichtkappe 30 gegenüber der Umwelt realisiert wird. Auf diese Weise ist die Dünnschichtkappe 30 im Bereich oberhalb der Kaverne 21 vor Luftdruckeinwirkungen und/oder mechanischem Stress geschützt, so dass die Dünnschichtkappe 30 oberhalb der Kaverne 21 nicht eingedrückt werden kann. Im Ergebnis ist dadurch die in der Kaverne 21 ausgebildete
mikromechanische Struktur 23 besser geschützt und dadurch länger
funktionsfähig.
Eine Isolationsschicht 33 zwischen dem Bondrahmen 40 und der Metallschicht 32 ist vorgesehen, um elektrische Kurzschlüsse zwischen dem elektrisch leitenden Bondrahmen 40 und der Metallschicht 32 zu vermeiden.
Die Metallschicht 32 dient als eine Verdrahtungsebene zur Realisierung von elektrischen Leiterbahnen zum Ansteuern bzw. Abführen von Sensorsignalen der beweglichen mikromechanischen Struktur 23 in der Funktionsschicht 20 des Trägerwafers 10. Zusätzlich dient die Metallschicht 32 auch als ein gasdichter Abschluss für die mit Isoliermaterial verfüllten Isolationsgräben 31 , so dass auf diese Weise das Vakuum in der Kaverne 20 langlebig und in guter Qualität erhalten werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements 100. In diesem Fall ist der Kappenwafer 50 als ein Glaskappenwafer ausgebildet. Vorteilhaft sind innerhalb des Glaskappen- wafers 50 Durchkontaktierungen 51 (engl, through-glass-vias) vorgesehen, die in Kombination mit Lötbällen 60 eine elektrische Kontaktierung von Schaltstrukturen des mikromechanischen Bauelements 100 ermöglichen. Vorteilhaft ist dadurch gegenüber der Topologie von Fig. 1 kein zusätzlicher externer Verdrahtungsaufwand erforderlich. Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100. Bei dieser Variante enthält das mikromechanische Bauelement 100 unterhalb der mikromechanischen Funktionsschicht 20 eine vergrabene Verdrahtungsebene 24. Mittels der vergrabenen Verdrahtungsebene 24 kann eine elektrische Anspeisung der mikromechanischen Struktur 23 durchgeführt werden.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements 100. In diesem Fall ist der Kappenwafer 50 als ein ASIC-Wafer ausgebildet, vorzugweise ein CMOS-ASIC-Wafer mit elektronischen Auswerteschaltungen, Digitalschaltungen, Speicher, Schnittstellen, usw. in der Transistorebene (nicht dargestellt). Der Trägerwafer 10 ist mittels einer Bondverbindung 40 mit dem als ASIC-Wafer ausgebildeten Kappenwafer 50 verbunden. Auf diese Weise kann eine Auswerte- bzw. Rechenkapazität vorteilhaft in das mikromechanische Bauelement 100 integriert werden, was eine kompakte Bauform ermöglicht.
Vorteilhaft erfolgt eine externe elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements 100 über Durchkontaktierungen 51 (engl, through-silicon-via, TSV) im ASIC-Wafer und Lötballs 60 am ASIC-Wafer.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements 100. In diesem Fall ist vorgesehen, dass in der Funktionsschicht 20 zwei Kavernen 21 , 21 a ausgebildet sind, in denen vorzugsweise jeweils eine mikromechanische Struktur 23 ausgebildet ist. Auf diese Weise können mit den mikromechanischen Strukturen 23
unterschiedliche Sensortopologien realisiert werden. Dabei ist es vorteilhaft möglich, in den beiden Kavernen 21 , 21 a unterschiedliche Drücke
einzuschließen. Dies wird mittels eines Kappenwafers 50 realisiert, der zwei voneinander getrennte Kavernen 52, 52a oberhalb der Kavernen 21 , 21 a ermöglicht.
Auf diese Weise ist es möglich, zunächst einen ersten Druck innerhalb der beiden Kavernen 21 , 21 a des Trägerwafers 10 einzuschließen. Anschließend wird durch Ätzen ein Fluidkanal 53 durch die Dünnschichtkappe 30 geöffnet. Bei - Kl einem geeigneten zweiten Druck wird dann der Kappenwafer 50 auf die
Dünnschichtkappe 30 aufgebondet, wodurch über den Fluidkanal 53 in der zweiten Kaverne 52a des Kappenwafers 50 der zweite Druck ausgebildet wird. Im Ergebnis ist es dadurch vorteilhaft möglich, in beiden Kavernen 21 , 21 a unterschiedliche Innendrücke einzuschließen, wodurch ein Inertialsensor mit zwei Sensortopologien, beispielsweise in Form eines Beschleunigungs- und eines Drehratensensors realisiert werden kann. Für den Drehratensensor kann auf die beschriebene Weise ein sehr geringer erster Druck in der ersten Kaverne 21 bereitgestellt werden, und für den Beschleunigungssensor, der eine definierte
Dämpfung erfordert, ein definiert größerer zweiter Druck in der zweiten Kaverne 21 a.
Fig. 6 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Trägerwafers 10.
In einem Schritt 210 wird eine mikromechanische Struktur 23 in einer Kaverne 21 des Trägerwafers 20 ausgebildet.
In einem Schritt 220 wird eine Dünnschichtkappe 30 auf dem Trägerwafer 10 angeordnet, wobei die Kaverne 21 hermetisch verschlossen wird. In einem Schritt 230 wird ein Kappenwafer 50 auf der Dünnschichtkappe 30 oberhalb der Kaverne 21 mit der mikromechanischen Struktur 23 angeordnet, wobei mittels des Kappenwafers 50 ein Bereich der Dünnschichtkappe 30 oberhalb der Kaverne 21 hermetisch verschlossen wird. Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen
Bauelements vorgeschlagen, welches eine Dünnschichtkappe ohne zusätzliche Stützelemente aufweist und dadurch kleinbauend ist. Gegenüber herkömmlichen mikromechanischen Bauelementen mit Dünnschichtkappen bzw. Waferkappen können auf diese Weise geringere Bauvolumina realisiert werden. Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend:
einen Trägerwafer (10) mit wenigstens einer mikromechanischen Struktur
(23), die in einer Kaverne (21 ) angeordnet ist;
eine auf dem Trägerwafer (10) angeordnete Dünnschichtkappe (30), mittels der die Kaverne (21 ) hermetisch verschlossen ist; und
einen auf der Dünnschichtkappe (30) im Bereich der Kaverne (21 ) mit der mikromechanischen Struktur (23) angeordneten Kappenwafer (50); wobei mittels des Kappenwafers (50) ein Bereich der Dünnschichtkappe (30) oberhalb der Kaverne (21 ) hermetisch verschlossen ist.
2. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kappenwafer (50) ein Glaskappenwafer ist.
3. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass der Kappenwafer (50) ein ASIC-Wafer ist.
4. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Trägerwafer (10) unterhalb der
mikromechanischen Struktur (23) eine vergrabene Verdrahtungsebene (24) ausgebildet ist.
5. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Trägerwafer (10) zwei mikromechanische Strukturen (23) ausgebildet sind, wobei jeweils eine mikromechanische Struktur (23) in jeweils einer Kaverne (21 , 21 a) angeordnet ist, wobei mittels des Kappenwafers (50) Bereiche oberhalb der Kavernen (21 , 21 a) hermetisch abgeschlossen sind, wobei zwischen einer Kaverne (52a) des Kappenwafers (50) und einer Kaverne (21 a) des
Trägerwafers (10) ein Fluidkanal (53) ausgebildet ist.
6. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dünnschichtkappe (30) verfüllte Isolationsgräben (31 ) ausgebildet sind.
7. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der verfüllten Isolationsgräben (31 ) eine
Metallschicht (32) auf der Dünnschichtkappe (30) ausgebildet ist.
8. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (100) ein Inertialsensor mit wenigstens einem Sensorelement ist.
9. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor einen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor aufweist.
10. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Trägerwafers (10);
Ausbilden einer mikromechanischen Struktur (23) in einer Kaverne (21 ) des Trägerwafers (20);
Anordnen einer Dünnschichtkappe (30) auf dem Trägerwafer (10), wobei die Kaverne (21 ) hermetisch verschlossen wird; und
Anordnen eines Kappenwafers (50) auf der Dünnschichtkappe (30) oberhalb der Kaverne (21 ) mit der mikromechanischen Struktur (23), wobei mittels des Kappenwafers (50) ein Bereich der Dünnschichtkappe (30) oberhalb der Kaverne (21 ) hermetisch verschlossen wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei als Kappenwafer (50) ein Glaskappen- wafer verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei als Kappenwafer (50) ein ASIC-Wafer verwendet wird.
13. Verwendung eines mikromechanischen Bauelements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für einen Inertialsensor mit wenigstens einem
Sensorelement.
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