WO2020099127A1 - Verfahren zur herstellung eines mikroelektromechanischen sensors und mikroelektromechanischer sensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors (1) vorgeschlagen, wobei der mikroelektromechanische Sensor (1) durch Verbinden eines Kappenwafers (2) mit einem Sensorwafer (3) hergestellt wird, wobei der Kappenwafer (2) eine Bondstruktur (4) zur Verbindung des Kappenwafers (2) mit dem Sensorwafer (3) aufweist, wobei der Sensorwafer (3) einen Sensorkern (5) mit einer beweglichen Struktur (6) aufweist und der Kappenwafer (2) eine Anschlagstruktur (7) zur Begrenzung einer Auslenkung der beweglichen Struktur (6) aufweist, wobei das Verfahren einen ersten Schritt und einen auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt aufweist, wobei die Anschlagfläche der Anschlagstruktur (7) sich auf dem Niveau der ursprünglichen Fläche des unbearbeiteten Kappenwafers befindet.

Description

Beschreibung

Titel

Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors und mikroelektromechanischer Sensor

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines

mikroelektromechanischen Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikroelektromechanische Sensoren, insbesondere in der Form von

Inertialsensoren, sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen

Ausführungsformen bekannt. Das Funktionsprinzip solcher Sensoren besteht in der Regel darin, dass eine am Sensor anliegende äußere Linearbeschleunigung oder Drehung Inertialkräfte hervorruft, die Aus- oder Ablenkungen einer beweglichen Struktur im Sensorkern bewirken, über die die anliegende

Beschleunigung bzw. Drehung gemessen werden kann. Die bewegliche Struktur kann dabei aus einer einzigen Schicht geätzt werden oder aus mehreren

Schichten aufgebaut sein. Insbesondere kann die bewegliche Struktur dadurch gebildet werden, dass eine Siliziumschicht epitaktisch auf einer Schicht aus funktionalem Polysilizium (FP) abgeschieden wird und in einem nachfolgenden Schritt aus der Siliziumschicht mehrere Teilstrukturen herauspräpariert werden, die über eine, aus der FP-Schicht gebildeten Brücke aus funktionalem

Polysilizium (FP-Brücke) miteinander verbunden sind.

Um eine abgeschlossene Umgebung für den Sensorkern bereitzustellen, wird auf den Sensorwafer häufig durch ein Waferbondverfahren eine Kappe aufgebracht und der Sensorkern auf diese Weise in eine Kaverne eingeschlossen. Ein solches Waferbondverfahren ist insbesondere das eutektische Bonden, bei dem Sensor- und Kappenwafer durch eine eutektische Legierung miteinander verbunden werden. Diese Legierung wird durch zwei Legierungspartner, wie beispielsweise Germanium und Aluminium oder Silizium und Gold gebildet. Beispielsweise kann dabei eine zusätzliche Bondstruktur aus Gold auf einen der beiden Wafer aufgebracht werden, die sich durch Erhitzen beim Zusammenfügen der Wafer mit dem Silizium der beiden Wafer verbindet und so eine feste stoffschlüssige Verbindung bildet. In ähnlicher Weise kann einer der beiden Wafer eine Bondstruktur aus Aluminium und der andere eine Bondstruktur aus Germanium aufweisen, so dass die beiden Bondstrukturen beim

Zusammenfügen die gewünschte eutektische Verbindung bilden. Die jeweilige Bondstruktur wird bei der Herstellung der Wafer durch Abscheiden einer Bondschicht und anschließender Strukturierung der Bondschicht durch Ätzen gebildet. Um sicherzustellen, dass die Bondstruktur die Oberkante des

Kappenwafers bildet, d.h. dass sie möglichst über die restlichen Strukturen des Kappenwafers hinausragt, wird die Bildung der Bondstruktur üblicherweise vorgenommen, bevor die restlichen Strukturen des Kappenwafers durch weitere Ätzvorgänge erzeugt werden.

Um zu verhindern, dass der Sensor durch besonders starke Auslenkungen der beweglichen Struktur beschädigt wird, sind in der Regel in der Kaverne

Anschlagstrukturen angeordnet, die die Maximalauslenkung der beweglichen Struktur beschränken. Für Ausschläge nach oben (d.h. zur Kappe hin) kann beispielsweise der Kappenwafer eine Anschlagfläche aufweisen, an die die bewegliche Struktur bei großen Auslenkungen mechanisch anschlägt. Die Höhe der Anschlagstrukturen, d.h. das Niveau der Anschlagfläche innerhalb des Kappenwafers ist dabei dadurch eingeschränkt, dass bereits vor der

Präparierung der Anschlagstruktur Material abgetragen wird, insbesondere durch ein bei der Ausbildung der Bondstruktur erfolgendes Überätzen. Auf diese Weise ergibt sich ein limitierender Faktor für den Abstand zwischen der Oberkante der beweglichen Struktur und der Anschlagfläche. Insbesondere kann es bei einem zu großen Abstand dazu kommen, dass die funktionale FP-Brücke von unten gegen feste Strukturen des Sensorwafers schlägt, bevor die Bewegung von der Anschlagfläche abgefangen wird. Beim Aufschlagen kann es zu Brüchen der FP- Brücke kommen, durch die der Sensor beschädigt oder sogar zerstört wird. Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem Anschlagstrukturen des

Kappenwafers so erzeugt werden, dass Brüche der funktionalen FP-Brücken vermieden werden.

Bei dem Verfahren gemäß dem Hauptanspruch wird durch das Aufbringen der Hartmaske erreicht, dass die, durch die Hartmaske abgedeckte Fläche bei den anschließenden Ätzprozessen, mit denen die Strukturen des Kappenwafer erzeugt werden, keinen Materialabtrag erfährt. Es hat sich herausgestellt, dass das Aufbringen einer solchen Maske insbesondere dazu geeignet ist, zu verhindern, dass die bei der Erzeugung der Bondstruktur hervorgerufene Überätzung das Höhenniveau der Anschlagfläche einer Anschlagstruktur in nachteiliger Weise verringert wird.

Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird im Folgenden auf die Haupterstreckungsebene des Kappen- bzw. Sensorwafers Bezug genommen.

Die zur Haupterstreckungsebene senkrechte Richtung wird als vertikale Richtung bezeichnet, ohne dass damit ein Bezug zur Schwerkraftrichtung impliziert werden soll. Die Begriffe„über“ und„unter“ sind in Bezug auf die vertikale Richtung zu verstehen. Der Kappenwafer wird durch aufeinanderfolgende Abscheidungs- und Ätzprozesse strukturiert. Zu jeder Struktur, bzw. zu jeder parallel zur

Haupterstreckungsebene orientierten Fläche einer Struktur des Kappenwafers lässt sich unter Bezugnahme auf die vertikale Richtung ein Höhenniveau angeben und insbesondere mit Höhenniveaus anderer Strukturen und deren Flächen vergleichen. Der Kappenwafer wird durch aufeinanderfolgende

Abscheidungs- und Ätzprozesse mit verschiedenen Strukturen versehen, wobei die Bearbeitung üblicherweise nur an einer Seite des Kappenwafers erfolgt, die im Folgenden als die Oberseite bezeichnet wird. Die zu dieser Seite gehörende Fläche des unbearbeiteten Kappenwafers definiert das maximale Höhenniveau von solchen Strukturen, die ausschließlich durch Abtragungsprozesse erzeugt werden. Derartige, durch Abtragung erzeugten Strukturen sind beispielsweise die Anschlagstrukturen des Kappenwafers, die nach dem Zusammenfügen mit dem Sensorwafer die Bewegungen der beweglichen Struktur des Sensorwafers, zumindest in vertikaler Richtung auf einen Maximalausschlag begrenzen. Durch das Aufbringen der Hartmaske wird sichergestellt, dass die maskierte Fläche, die die Anschlagsfläche der später aus dem Wafermaterial geätzten

Anschlagstruktur bildet, das maximal zur Verfügung stehende Höhenniveau aufweist und der Maximalausschlag entsprechend gering gestaltet werden kann. Bei dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine

Bondstruktur erzeugt, mit der im nachfolgenden Teil des Herstellungsprozesses der Kappenwafer und der Sensorwafer stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorzugsweise erfolgt diese Verbindung über eutektisches Bonden. Beispielsweise kann die Bondstruktur aus Gold gebildet sein, das sich bei Erwärmung mit dem Silizium der beiden Wafer zu einer eutektischen Legierung verbindet. Vorzugsweise besteht die Bondstruktur teilweise oder vollständig aus Germanium und wird an eine weiteren Bondstruktur aus Aluminium gefügt, so dass sich bei Erwärmung ein Stoffschluss mittels einer eutektischen Germanium- Aluminium-Legierung ergibt.

Es hat sich herausgestellt, dass bei dem Ätzprozess, bei dem die Bondstruktur aus dem vorher aufgebrachten Bondmaterial gebildet wird, eine Überätzung stattfindet, d.h. dass nicht nur die gewünschten Teile des Bondmaterials abgetragen werden, sondern auch Material von der Oberfläche des

Kappenwafers entfernt wird, wodurch sich das für die weitere Strukturierung zur Verfügung stehende Maximal-Höhenniveau verringert. Die durch das Überätzen hervorgerufene Verschiebung des Höhenniveaus liegt im Mikrometerbereich und zieht eine entsprechend veränderte vertikale Positionierung der Anschlagfläche der Anschlagstruktur nach sich. Durch das erfindungsgemäße Aufträgen der Hartmaske wird die Verringerung des Höhenniveaus vorteilhafterweise unterbunden und die Anschlagfläche liegt auf dem Niveau der ursprünglichen Fläche des unbearbeiteten Wafers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die bewegliche Struktur des Sensorkerns zwei, durch eine Polysilizium- Brücke miteinander verbundene Teilstrukturen, wobei die Polysilizium-Brücke in einem Ruhezustand der beweglichen Struktur in einer Auslenkungsrichtung von einer unbeweglichen Struktur des Sensorkerns beabstandet ist. Die bewegliche Struktur kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass auf eine funktionale Polysiliziumschicht (FP-Schicht) eine epitaktische Siliziumschicht aufwächst, aus der anschließend die beiden Teilstrukturen herausgeätzt werden. Die beiden Teilstrukturen liegen dabei über der FP-Schicht. Aus der FP-Schicht wird das Verbindungselement der beiden Teilstrukturen gebildet, das im Folgenden als FP-Brücke bezeichnet wird. Die bewegliche Struktur kann alternativ auch die Form einer Wanne haben, bei der ein oder mehrere Teilstrukturen den Rand und die FP-Schicht den Boden bilden.

Bei derartigen Strukturen ergibt sich das Problem, dass die FP-Brücke durch Anschlägen an eine unbewegliche Struktur des Sensorwafers Schaden erleiden kann. Während die Teilstrukturen bei großen Auslenkungen der beweglichen Struktur durch mechanischen Kontakt mit einer oder mehreren

Anschlagstrukturen gestoppt werden können, führt ein solches Anschlägen der FP-Brücke potentiell zu einer Schädigung oder Zerstörung der Brücke und muss daher vermieden werden. Vorzugsweise ist daher die Anschlagfläche des Kappenwafers so positioniert, dass nach dem Zusammenfügen der Abstand zwischen der Anschlagfläche und einer Fläche, insbesondere an einer Oberseite der beweglichen Struktur bzw. einer oder beider Teilstrukturen, kleiner ausfällt, als der Abstand der FP-Brücke von der unbeweglichen Struktur des

Sensorkerns. Auf diese Weise wird durch einen Anschlag der beweglichen Struktur an die Anschlagfläche vorteilhafterweise vermieden, dass die FP-Brücke an die unbewegliche Struktur anschlägt und dadurch zu Schaden kommt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem, dem ersten Schritt vorausgehenden, dritten Schritt eine Oxidschicht auf den Kappenwafer aufgebracht und durch Ätzen der Oxidschicht eine Schutzstruktur erzeugt, die den Sensorkern beim Verbinden des Kappenwafers mit dem Sensorwafer gegen Eindringen von Material aus der Bondstruktur schützt. Beim Bonden wird der aus Kappenwafer und Sensorkern gebildete Sensor zumindest partiell erhitzt, damit sich die Legierungspartner zur gewünschten eutektischen Legierung verbinden. Durch die Schutzstruktur wird vorteilhafterweise vermieden, dass beispielsweise weiches oder flüssiges Material der Bondstruktur oder der Legierung in den Sensorkern fließt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem, dem ersten Schritt vorausgehenden, vierten Schritt durch Ätzen eine Vertiefung an der Oberfläche des Kappenwafers erzeugt und im ersten Schritt eine weitere Hartmaske auf einen weiteren Teilbereich des Kappenwafers aufgebracht, wobei der weitere Teilbereich innerhalb der

Vertiefung liegt und der maskierte weitere Teilbereich des Kappenwafers eine Fläche einer Kappenelektrode festlegt. Vorzugsweise findet der vierte Schritt nach dem dritten Schritt statt. Bei dieser Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zur Anschlagstruktur eine Kappenelektrode als Teil des Kappenwafers gebildet. Um zu verhindern, dass diese Kappenelektrode auf demselben Höhenniveau liegt wie die

Anschlagstruktur, wird vor der eigentlichen Bildung der Kappenelektrode eine Vertiefung gebildet, in der durch die Hartmaske eine, nach dem Zusammenfügen zum Sensorwafer weisende Fläche definiert wird. Damit wird, analog wie im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, ein weiterer Materialabtrag beim Ätzen der Bondstruktur vermieden. Durch die Positionierung in der Vertiefung wird erreicht, dass die Fläche der Kappenelektrode auf einem niedrigeren Höhenniveau liegt als die Anschlagfläche der Anschlagstruktur. Nach dem Zusammenfügen ist daher der Abstand zwischen beweglicher Struktur und Anschlagfläche kleiner als zwischen beweglicher Struktur und Kappenelektrode. So wird die bewegliche Struktur bei großen Auslenkungen vorteilhafterweise gestoppt, bevor sie an die Kappenelektrode anschlägt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem, auf den zweiten Schritt folgenden fünften Schritt durch Ätzen eine Ausnehmung zur Bildung einer Kaverne erzeugt. Beim

Zusammenfügen des Kappenwafers mit dem Sensorwafer bildet die

Ausnehmung des Kappenwafers den oberen Teil der Kaverne, in die der Sensorkern eingeschlossen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem, auf den zweiten Schritt folgenden sechsten Schritt die Hartmaske entfernt. Wurde im ersten Schritt auch eine weitere Hartmaske aufgebracht, so wird diese vorzugsweise ebenfalls im sechsten Schritt entfernt. Vorzugsweise findet dieser Schritt vor dem fünften Schritt statt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem, dem sechsten Schritt vorausgehenden siebten Schritt die Bondstruktur und/oder die Schutzstruktur mit einem Schutzlack versehen, die die Bondstruktur und/oder die Schutzstruktur beim Entfernen der Hartmaske vor Materialabtrag schützt. Vorzugsweise findet dieser Schritt nach dem zweiten Schritt statt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikroelektromechanischer Sensor gemäß Anspruch 8.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors weist der Kappenwafer eine Kappenelektrode auf, die in einer Vertiefung des Kappenwafers angeordnet ist, wobei die bewegliche Struktur im Ruhezustand in Auslenkungsrichtung von einer Fläche der Kappenelektrode durch einen dritten Abstand beabstandet ist, wobei der dritte Abstand größer oder gleich dem zweiten Abstand ist.

Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors können bei dem Sensor auch die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten vorteilhaften

Ausgestaltungen und Merkmale allein oder in Kombination Anwendung finden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren la bis 8a zeigen schematisch einen Kappenwafer in verschiedenen aufeinanderfolgenden Stadien eines Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik.

Die Figuren lb bis 8b zeigen schematisch einen Kappenwafer in verschiedenen Stadien einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Die Figuren lc bis 8c zeigen schematisch einen Kappenwafer in verschiedenen Stadien einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Herstellungsverfahrens.

Figur 9a zeigt schematisch einen, durch Zusammenfügen eines Sensorwafers und eines Kappenwafers gebildeter Sensor nach dem Stand der Technik.

Figur 9b zeigt schematisch eine, durch Zusammenfügen eines Sensorwafers und eines Kappenwafers gebildete Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors.

Figur 9c zeigt schematisch eine weitere, durch Zusammenfügen eines

Sensorwafers und eines Kappenwafers gebildete Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors.

Ausführungsformen der Erfindung

In den nachfolgenden Zeichnungen entsprechen die Figuren lc bis 9c

verschiedenen Stadien im Herstellungsprozess eines Kappenwafers 2 bzw. des damit gebildeten Sensors 1 gemäß einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Figuren lb bis 9b zeigen eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zusätzlich zu der Anschlagstruktur 7 eine Kappenelektrode 17 als Teil des Kappenwafers 2 gebildet wird. Die Figuren la bis 9a zeigen ein Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik. Die jeweils korrespondierende Stadien der verschiedenen Herstellungsprozesse sind untereinander dargestellt (siehe beispielsweise die Abfolge der Figuren la, lb, lc, die den jeweils ersten Teilschritt zu Beginn der Bearbeitung des

Kappenwafers darstellen), wodurch sich die Unterschiede, insbesondere fehlende oder zusätzliche Teilschritte gut herausarbeiten lassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche oder äquivalente Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. Wie in den Figur la bis lc dargestellt, wird zu Beginn der Bearbeitung des Kappenwafers 2 durch Abscheidung und Strukturierung eines Oxids eine

Schutzstruktur 15 mit einer typischen Dicke 15‘ zwischen 1,1 pm und 1,7 pm geschaffen. Diese Schutzstruktur 15 dient, wie weiter unten zu den Figuren Figur 9a bis 9c beschrieben dazu, beim Erhitzen des Bondmaterials 4‘, 25 zu verhindern, dass Bondmaterial 4‘, 25 in den Sensorkern 5 eindringt und die funktionalen Komponenten der mikroelektromechanischen Struktur beeinträchtigt oder beschädigt.

Wie in Figur 2b dargestellt, wird in einem auf die Abscheidung und

Strukturierung des Schutzoxids 15 folgenden Teilschritt eine Vertiefung 10 des Kappenwafers 2 erzeugt. In der durch die Bodenfläche 10‘ der Vertiefung 10 definierten Ebene wird in den nachfolgenden Teilschritten eine Kappenelektrode 17 des Kappenwafers 2 gebildet. Dieser Teilschritt fehlt in den in den Figuren 2a und 2c dargestellten Herstellungsverfahren, bei denen keine solche Bildung einer Kappenelektrode 17 erfolgt.

Nachfolgend wird, wie in den Figuren 3b und 3c dargestellt, auf der Oberfläche des Kappenwafers 2 ein Hartmaskenoxid 8“ abgeschieden. Wie in den Figuren 4b und 4c zu sehen ist, wird aus der Hartoxidschicht 8“ anschließend durch Strukturierung eine Hartmaske 8 bzw. 8‘ gebildet, die jeweils bestimmte

Teilbereiche 9, 9‘ der Waferoberfläche abdeckt und gegen Abtragung beim nachfolgenden Ätzen schützt. Bei der Variante ohne Kappenelektrode 17 in

Figur 4c bedeckt die Maske 8 einen Teilbereich 9, der eine Teilfläche des Wafers 2 gegen Abtragung schützt, die später die Anschlagfläche 7‘ der

Anschlagstruktur 7 bilden wird. Bei der Variante in Figur 4b bedecken die Hartmasken 8, 8‘ zwei Teilbereiche 9, 9‘, von denen der erste Teilbereich 9 wiederum die Anschlagfläche 7‘ der Anschlagstruktur 7 definiert, während der weitere Teilbereich 9‘ in der Vertiefung 10 eine Fläche 17‘ der Kappenelektrode 17 definiert. Die Erzeugung der Hartmaske 8 gemäß der Figuren 3b, 3c und 4b, 4c entspricht dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens und fehlt in den, zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik gehörenden Figuren 3a und 4a. Im nächsten Teilschritt wird die Bondstruktur 4 erzeugt, mit der später der Kappenwafer 2 mit dem Sensorwafer 3 verbunden wird. Zu diesem Zweck wird eine Germaniumschicht abgeschieden und durch Ätzen strukturiert. Dies entspricht einer Ausführungsform des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie in den Figuren 5a bis 5c zu sehen ist, entsteht dabei durch Überätzung ein zusätzlicher Höhenunterschied 16, d.h. durch das Ätzen wird nicht nur die Germaniumschicht strukturiert, sondern zusätzlich Material von der restlichen Fläche des Kappenwafers 2 abgetragen. Durch die so entstandene Oberfläche 16‘ wird beim Stand der Technik wie in Figur 5a dargestellt die Ebene definiert, die den Startpunkt aller nachfolgender Strukturierungsprozesse bildet und die daher die maximale Höhe der anschließend gebildeten Strukturen definiert. Bei den Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Figuren 5b und 5c dagegen, werden die durch die Masken 8 bzw. 8‘ abgedeckten Bereich gegen die Überätzung geschützt, so dass die abgedeckten Flächen auf dem ursprünglichen Höhenniveau verbleiben und damit insbesondere höher liegen als die Oberfläche 16‘ aus Figur 5a, die mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gebildet wurde.

Im nächsten Teilschritt wird die Schutzstruktur 15 und die Bondstruktur 4, wie in den Figuren 6b und 6c abgebildet mit einem Schutzlack 18 versehen und die Hartmaske 8, 8‘ entfernt. Der Schutzlack 18 dient dabei dazu, die Schutzstruktur 15 und die Bondstruktur 4 beim Entfernen der Hartmaske 8, 8‘ zu schützen.

Wie in den Figuren 7a bis 7c dargestellt, wird anschließend ein Kavernentrench durchgeführt, d.h. durch Trenchen bestimmter Bereiche, beispielsweise mit Hilfe einer Lackmaske, wird eine Ausnehmung 19 geschaffen, die später beim Zusammenfügen mit dem Sensorwafer 3 die Kaverne bildet, in die der

Sensorkern 5 eingeschlossen wird. Wie in den Figur 7b und 7c dargestellt, wird dabei gleichzeitig der verbleibende Teil der Anschlagstruktur 7, bzw. der Kappenelektrode (in Figur 7b) herausgebildet. Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik wird in diesem Teilschritt die gesamte Höhe der

Anschlagstruktur 7“ gebildet, deren Anschlagfläche 7‘“ auf dem Niveau der in Figur 5a gezeigten Oberfläche 16‘ liegt. Wie aus einem Vergleich der Figur 7a mit den Figuren 7b und 7c zu ersehen ist, liegt daher die Anschlagfläche 7‘ der in den Figuren 7b und 7c dargestellten Anschlagstrukturen 7, die mit Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden, deutlich höher als die mit dem herkömmlichen Verfahren erzeugte Anschlagfläche 7‘“.

In den Figuren 8a bis 8c sind die, durch die verschiedenen Verfahren erzeugten Höhenunterschiede 27, 27‘, 28 der Strukturen des Kappenwafers 2 dargestellt. Der jeweils höchste Punkt wird durch die Oberseite 29 der Schutzstruktur 15 gebildet. Bei dem, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aus Figur 8a beträgt der Höhenunterschied 27‘ zwischen dem höchsten Niveau 29 und der Anschlagfläche 7‘“ der Anschlagstruktur 7“ typischerweise 2,5 pm bis 3,5 pm.

Bei den beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus den Figuren 8b und 8c ist der Höhenunterschied 27 dagegen ausschließlich durch die Dicke der Schutzstruktur 15 bestimmt und beträgt typischerweise 1,1 pm bis 1,7 pm. Der Abstand 30 zwischen dem höchsten Niveau 29 und der nach oben weisenden Fläche 17‘ der Kappenelektrode 17 ist etwas größer gewählt als der Abstand 27 und bestimmt, wie in der nachfolgenden Figur 9b zu sehen ist, im zusammengesetzten Sensor 1 einen Höhenunterschied 22 zwischen der Fläche 17‘ der Kappenelektrode und der Oberkante der beweglichen Struktur 6.

In den Figuren 9a bis 9c sind die, durch die verschiedenen Verfahren erzeugten, aus einem Kappenwafer 2 und einem Sensorwafer 3 zusammengesetzten Sensoren 1 dargestellt. Außerhalb der Schutzstruktur 15 ist zwischen dem Kappenwafer 2 und dem Sensorwafer 3 ein Verbindungselement 25 aus der Germanium-Bondstruktur 4 und einer Aluminium-Bondstruktur 4‘ angeordnet. Für das anschließende eutektische Bonden bildet sich aus den Legierungspartnern 4, 4‘ eine eutektische Legierung, die Kappenwafer 2 und Sensorwafer 3 stoffschlüssig miteinander verbindet. In der Zeichnung ist nur ein Teil des Verbindungselements 25 zu sehen, das in seiner Gesamtheit den Sensorkern 5 vollständig umgibt und beim eutektischen Bonden die Kaverne hermetisch von dem Außenraum abtrennt. Die Schutzstruktur 15 umgibt ebenfalls den gesamten Sensorkern 5 und verhindert, dass beim Aufschmelzen des

Verbindungselements 25 flüssiges Legierungsmaterial in den Sensorkern gelangt.

Der Sensorwafer 3 weist eine bewegliche Struktur 6 aus zwei Teilstrukturen 12, 12‘ auf, die durch eine FP-Brücke 13 miteinander verbunden sind. Zwischen den Teilstrukturen 12 und 12‘ ist eine unbewegliche Struktur 14 des Sensorkerns angeordnet. Bei einer Bewegung der beweglichen Struktur 6 in

Auslenkungsrichtung 11, wird die Amplitude der Bewegung durch die

Anschlagstruktur 7 des Kappenwafers 2 begrenzt. Bei starken Auslenkungen schlägt die Teilstruktur 12 an die Anschlagfläche 7‘ der Anschlagstruktur 7 an und verhindert auf diese Weise Auslenkungen, die größer sind als der Abstand 21, bzw. 2 zwischen der Anschlagfläche 7‘ und der Teilstruktur 12.

Vorzugsweise ist die Anschlagstruktur 7 so gestaltet, dass sowohl die

Teilstruktur 12, als auch die Teilstruktur 12‘ bei starken Auslenkungen an die Anschlagstruktur 7 anschlagen und auf diese Weise gestoppt werden. Bei dem, gemäß dem Stand der Technik hergestellten Sensor 1 in Figur 9a ergibt sich dabei das Problem, dass der Abstand 2 kleiner ausfällt, als der Abstand 20 zwischen der FP-Brücke 13 und der unbeweglichen Struktur 14, so dass bei einer entsprechend großen Amplitude der Auslenkung die Gefahr besteht, dass die FP-Brücke 13 gegen die unbewegliche Struktur 14 schlägt und dabei mechanisch beschädigt oder sogar zerstört wird.

Bei den mit Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens

hergestellten Sensoren 1 aus Figur 9b und 9c ist der Abstand 21 dagegen deutlich kleiner und insbesondere kleiner als der Abstand 20 zwischen der FP- Brücke 13 und der unbeweglichen Struktur 14. Auf diese Weise wird die bewegliche Struktur 6 von der Fläche 7‘ der Anschlagstruktur 7 abgefangen, bevor die FP-Brücke 13 beschädigt werden kann. Bei der Variante mit

Kappenelektrode 17 in Figur 9b ist der Abstand 22 zwischen der Oberkante des Kappenwafers 2 und der Kappenelektrode 17 gleich dem Abstand 20 zwischen der FP-Brücke 13 und der unbeweglichen Struktur 14. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die bewegliche Struktur 6 bei starken Auslenkungen weder durch einen mechanischen Kontakt zwischen der FP-Brücke 13 und der unbeweglichen Struktur 14, noch durch einen Kontakt zwischen der beweglichen Struktur 6 und der Kappenelektrode 17 beschädigt wird.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors (1), wobei der mikroelektromechanische Sensor (1) durch Verbinden eines Kappenwafers (2) mit einem Sensorwafer (3) hergestellt wird, wobei der Kappenwafer (2) eine Bondstruktur (4) zur Verbindung des Kappenwafers (2) mit dem Sensorwafer (3) aufweist, wobei der Sensorwafer (3) einen

Sensorkern (5) mit einer beweglichen Struktur (6) aufweist und der

Kappenwafer (2) eine Anschlagstruktur (7) zur Begrenzung einer Auslenkung der beweglichen Struktur (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen ersten Schritt und einen auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt aufweist, wobei im ersten Schritt eine Hartmaske (8) auf einen Teilbereich (9) des Kappenwafers (2) aufgebracht wird, wobei der maskierte Teilbereich (9) des Kappenwafers (2) eine Anschlagfläche (7‘) der

Anschlagstruktur (7) festlegt, wobei im zweiten Schritt eine Bondschicht auf den Kappenwafer (2) aufgebracht und durch Ätzen der Bondschicht die Bondstruktur (4) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bewegliche Struktur (6) des

Sensorkerns (5) zwei, durch eine Polysilizium-Brücke (13) miteinander verbundene Teilstrukturen (12, 12‘) umfasst, wobei die Polysilizium-Brücke (13) in einem Ruhezustand der beweglichen Struktur (6) in einer

Auslenkungsrichtung (11) von einer unbeweglichen Struktur (14) des

Sensorkerns (5) beabstandet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem, dem ersten Schritt

vorausgehenden, dritten Schritt eine Oxidschicht auf den Kappenwafer aufgebracht und durch Ätzen der Oxidschicht eine Schutzstruktur (15) erzeugt wird, die den Sensorkern (5) beim Verbinden des Kappenwafers (2) mit dem Sensorwafer (3) gegen Eindringen von Material aus der Bondstruktur (4) schützt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem, dem ersten Schritt vorausgehenden, vierten Schritt durch Ätzen eine Vertiefung (10) an der Oberfläche des Kappenwafers (2) erzeugt wird und im ersten Schritt eine weitere Hartmaske (8‘) auf einen weiteren Teilbereich (9‘) des Kappenwafers (2) aufgebracht wird, wobei der weitere Teilbereich (9‘) innerhalb der Vertiefung (10) liegt und der maskierte weitere Teilbereich (9‘) des Kappenwafers (2) eine Fläche (17‘) einer Kappenelektrode (17) festlegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem, auf den zweiten Schritt folgenden fünften Schritt durch Ätzen eine Ausnehmung (19) zur Bildung einer Kaverne erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem, auf den zweiten Schritt folgenden sechsten Schritt die Hartmaske (8) entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in einem, dem sechsten Schritt

vorausgehenden siebten Schritt die Bondstruktur (4) und/oder die

Schutzstruktur (15) mit einem Schutzlack (18) versehen wird, die die Bondstruktur (4) und/oder die Schutzstruktur (15) beim Entfernen der Hartmaske (8) vor Materialabtrag schützt.

8. Mikroelektromechanischer Sensor (1) aus einem, einen Sensorkern (5) mit einer beweglichen Struktur (6) aufweisenden Sensorwafer (3) und einem, eine Anschlagstruktur (7) aufweisenden Kappenwafer (2), wobei der Sensorwafer (3) und der Kappenwafer (2) durch eine eutektische Legierung miteinander verbunden sind und der mikroelektromechanische Sensor (1) insbesondere durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde, wobei die Anschlagstruktur (7) des Kappenwafers (2) eine Auslenkung der beweglichen Struktur (6) des Sensorkerns (5) begrenzt, wobei die bewegliche Struktur (6) zwei, durch eine Polysilizium-Brücke (13) miteinander verbundene Teilstrukturen (12, 12‘) umfasst, wobei die

Polysilizium-Brücke (13) in einem Ruhezustand der beweglichen Struktur (6) in einer Auslenkungsrichtung (11) von einer unbeweglichen Struktur (14) des Sensorkerns (5) durch einen ersten Abstand (20) beabstandet ist, wobei die bewegliche Struktur (6) im Ruhezustand in Auslenkungsrichtung (11) von einer Anschlagfläche (7‘) der Anschlagstruktur (7) durch einen zweiten Abstand (21) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (20) größer ist als der zweite Abstand (21).

9. Mikroelektromechanischer Sensor (1) nach Anspruch 8, wobei der

Kappenwafer (2) eine Kappenelektrode (17) aufweist, die in einer Vertiefung (10) des Kappenwafers (2) angeordnet ist, wobei die bewegliche Struktur (6) im Ruhezustand in Auslenkungsrichtung (11) von einer Fläche (17‘) der Kappenelektrode (17) durch einen dritten Abstand (22) beabstandet ist, wobei der dritte Abstand (22) größer oder gleich dem zweiten Abstand (21) ist.