Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement nach An ^¬ spruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach Anspruch 8.

Unter einem Bauelement wird eine Einheit verstanden, das ei ^¬ ne bestimmte Funktion bereitstellt. Hierbei können Dioden, Transistoren, Sensoren eine Einheit bilden, um mechanische wie auch elektrische Messaufgaben bereitzustellen. Bauelemente können Elektroden aufweisen, um in einer größeren Einheit, wie einer elektrischen Schaltung, betrieben werden zu können. Ein Bauelement kann auch in Form einer integrierten Schaltung auf einem Chip bereitgestellt werden. Hierbei können mikromechanischen Strukturen ausgebildet sein, beispielsweise auf einem Substrat, das mit Hilfe von Ätzverfah ^¬ ren definiert wird.

Heutezutage werden verschiedene Typen von mikromechanischen Sensoren, insbesondere Inertialsensoren, wie Drehraten- und Beschleunigungssensoren, überwiegend auf unterschiedlichen Substraten hergestellt. Es werden somit unterschiedliche Bauelemente bereitgestellt, um unterschiedliche Messaufgaben zu lösen. Zur Herstellung von derartigen elektrischen, mechanischen oder elektro-mechanischen Bauelementen kommen Verfahren und Technologien zum Einsatz, die typischerweise in der Halbleiterindustrie aufzufinden sind. Ein Grund für die separate Herstellung der verschiedenen Sensoren liegt in den unterschiedlichen physikalischen Anforderungen solcher Sensoren. Somit werden unterschiedliche Sensortypen auf unterschiedli ^¬ che Weisen hergestellt.

Ein Sensortyp ist beispielsweise ein Drehratensensor. Drehratensensoren werden häufig unter Vakuum hermetisch verkapselt, damit sie durch unterkritisch gedämpfte resonante An ^¬ regung hohe Schwingungsamplituden erzielen, beispielsweise mit einer Güte Q > 0,5. Hierbei wird jedoch gleichzeitig ei ^¬ ne geringe elektrische Antriebsleistung bereitgestellt.

Ein weiteres Beispiel für einen Sensortyp ist ein Beschleu ^¬ nigungssensor. Beschleunigungssensoren im Vergleich zu Drehratensensoren hingegen stellen üblicherweise eine überkritisch gedämpfte Struktur dar, beispielsweise mit einer Güte Q < 0,5. Typischerweise sind Beschleunigungssensoren aus Massenschwingern aufgebaut, wobei die Massenschwinger auf niederfrequente Beschleunigungen reagieren. Die Relation zwischen Beschleunigung und Massenauslenkung eines Beschleunigungssensors sollte dabei weitestgehend linear sein und keine resonanten Überhöhungen aufweisen. Eine unterkritische Dämpfung kann hierbei auch zu Fehlmessungen führen. Dies ist der Fall, wenn höherfrequente Störungen in der Nähe der Eigenresonanzen des Beschleunigungsaufnehmers auf den Sensor wirken, so dass seismischen Massen des Beschleunigungssen- sors in ihren Resonanzfrequenzen zu Schwingungen mit großen Amplituden anregt werden. Dies kann zu hohen Ausgangssigna ^¬ len führen, die nachgeschaltete Ausgangsfilter nicht mehr ausreichend dämpfen können.

Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren werden oft für eine Messaufgabe gleichzeitig benötigt, beispielsweise bei einer elektronischen Stabilitätsregelung (ESP) oder bei einem Überrollschutz in Kraftfahrzeugen.

Bisher wurden verschiedene Methoden zur Bereitstellung dieser beiden Sensortypen vorgeschlagen:

Eine Möglichkeit ist eine Verkapselung beider Strukturen des Drehratensensors und des Beschleunigungssensors auf einem Chip in einer gemeinsamen Kavität unter Vakuum bereitzustellen, wobei der Beschleunigungssensor durch elektrische Methoden künstlich höher bedämpft wird.

Dieses Vorgehensweise hat die Nachteile, dass zu den eigent ^¬ lichen Messwandlerstrukturen zusätzliche Strukturen in den Beschleunigungssensor integriert werden müssen, welche die Größe des Sensors erhöhen. Ebenso müssen zusätzliche elekt ^¬ ronische Schaltungsblöcke in die Signalverarbeitung (bei ^¬ spielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC= Application Specific Integrated Circuit) integriert werden, was die Chipgröße eines Integrated Circuit (=IC) ebenso erhöht. In beiden Fällen werden durch die erhöhten Chipgrößen die Herstellungskosten pro Chip gesteigert. Somit werden die Kostenvorteile einer Integration beider Sensorty- pen auf einem Chip ausgeglichen oder sogar ins Negative gewandelt .

Eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung von verschiede ^¬ nen Sensortypen besteht darin, eine Verkapselung beider Sensorstrukturen auf einem Chip in einer gemeinsamen Kavität unter definiertem Druck bereitzustellen, wobei der Beschleunigungssensor überkritisch bedämpft wird. Hierbei kann durch erhöhte Antriebsleistung und vermehrte Antriebsstrukturen innerhalb der Drehratensensorstruktur die notwendige Schwingungsamplitude eingestellt werden.

Bei dieser Vorgehensweise werden durch die vermehrte Anzahl der Antriebsstrukturen die Chipfläche des Drehratensensors und die Chipfläche des ASIC durch die Bereitstellung der hö ^¬ heren Antriebsleistung vergrößert.

Zur Bereitstellung einer Kombination von zwei Sensoren besteht ferner eine weitere Möglichkeit darin, eine Verkapse ^¬ lung beider Sensorstrukturen auf einem Chip unter Vakuum bereitzustellen, wobei der Beschleunigungssensor in einer vom Drehratensensor separaten Kavität untergebracht ist, welche eine Belüftungsöffnung aufweist. Diese Belüftungsöffnung wird beispielsweise nach dem Verkapseln unter dem für den Beschleunigungssensor notwendigen Druck in einem weiteren Verfahrensschritt hermetisch verschlossen.

Um die Belüftungsöffnung unter gezielt eingestelltem Druck zu verschließen, sind homogene Schichtabscheidungen bekannt, die den gesamten Wafer als ganzes verschließen. Dies wird beispielsweise unter Anwendung von Sputtern oder Gasphasen- abscheidungen, wie Chemical Vapour Deposition (=CVD) , Plas- ma-enhanced chemical vapor deposition (=PECVD) , Low Pressure CVD (=LPCVD) , etc. bereitgestellt. Diese Verfahren benötigen zum zuverlässigen vakuumdichten Verschluss der Belüftungsöffnung jedoch Unterdruck, was den einzustellenden maximalen Druck begrenzt. Auch ist die verkapselte Struktur vor dem Eindringen der Schichten in die Kavität zu schützen. Ferner werden hohe prozesstechnische Anforderungen bei der Herstel ^¬ lung gestellt, damit der Verschluss der Belüftungsöffnung nicht durch Partikel oder unzureichendes Schichtwachstum verhindert wird. Ferner lassen sich auch die Belüftungsöff ^¬ nung durch Dispensen von Verschlussmaterial verschließen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass jeder Chip einzeln verschlossen werden muss und die Verschlussmaterialien hermetisch Vakuumdicht sein müssen.

Insgesamt sind die bisher bekannten Verfahren sehr kostenintensiv .

Es ist Aufgabe der Erfindung, mindestens zwei mikromechani ^¬ sche Strukturen in einem Bauelement bereitzustellen bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung des Bauelements.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü ^¬ che gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements bereitzustel ^¬ len, wobei die Integration von mikromechanischen Strukturen in einem Substrat bereitgestellt werden und die mikromecha- nischen Strukturen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen betrieben werden können. Das Substrat ist beispielsweise Teil eines Mikrochips, der in beliebiger Umge ^¬ bung, beispielsweise in Fahrzeugen, eingesetzt werden kann. Als Fahrzeuge kommen insbesondere Kraftfahrzeuge in Frage, bei denen verschiedene Messaufgaben benötigt werden, um bei ^¬ spielsweise eine Airbagauslösung oder eine Antriebsregelung bereitzustellen.

Es können hierbei zwei mikromechanische Strukturen in je ^¬ weils einer Kavität bereitgestellt werden. Diese mikromecha ^¬ nischen Strukturen können unterschiedliche Sensortypen in einem Bauelement sein. Hierbei können die beide Sensortypen mit denselben mikromechanischen Technologien hergestellt weden, was eine gleichzeitige Fertigung auf einem Substrat möglich macht. Durch die Verwendung eines Kanals, also einer Öffnung mit einer Zuführung, kann ein zweiter Druck unabhängig von einem ersten Druck in einer Kavität eingestellt werden, ohne dass es notwendig ist, einen Unterdruck vor dem Verschließen zu erzeugen.

Vorteilhaft ist hierbei eine Reduzierung der Fertigungskos ^¬ ten der Substrate. Beispielsweise wird als Substrat ein Si- lizium-Wafer verwendet. Es wird hierbei ein einzelner Pro ^¬ dukttyp gefertigt, so dass nur ein Bauelement oder Chip an ^¬ statt zwei Bauelemente oder Chip in ein Package assembliert wird und in den Kalibrier- und Testprozessen als eine Einheit bearbeitet wird. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess wie auch die Qualitätssicherung des Bauelementes. Nach Herstellung und Prüfung kann das Bauelement in eine elektronische Schaltung integriert werden, z. B. auf ein Printed Cir- cuit Board (=PCB) . Bei der Verwendung eines Bauteils anstel ^¬ le einer Mehrzahl von Bauteilen kann der Raumbedarf und Montageaufwand verringert werden.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils kann mit Bondprozessen durchgeführt werden. Hierbei können herkömmliche Wafer-Substrate und herkömmliche Bondprozesse verwendet werden, die aus der Mikrosystemtechnik bekannt sind. Auf diese Weise können kostengünstig und zuverlässig die erfin ^¬ dungsgemäßen Bauelemente hergestellt werden. Somit wird er ^¬ findungsgemäß eine einfache und kostengünstige Integration von Strukturen auf einem Substrat bereitgestellt, die unter unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen, insbesondere unter unterschiedlichen Drücken, betrieben werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente. Es werden hierbei mikromechanische Elemente bereitgestellt, die auf einem Substrat, beispiels ^¬ weise einem Chip, jeweils einem Gasdruck ausgesetzt, wobei die Gasdrücke unterschiedlich sein können. Hierbei schließt eine erste Kavität einen ersten Gasdruck ein und eine zweite Kavität schließt einen zweiten Gasdruck ein, wobei innerhalb der Kavitäten jeweils die mikromechanischen Elemente oder Sensoren angeordnet sind. Die Kavitäten sind hierbei vonei ^¬ nander hermetisch getrennt angeordnet.

Das Herstellungsverfahren sieht vor, dass das die mikrome ^¬ chanischen Elemente eines Wafers mit dem gewünschten ersten Gasdruck bereits hermetisch verkapselt sind, während alle weiteren mikromechanischen Elemente desselben Wafers mit dem gewünschten zweiten Gasdruck noch einen Kanal zum Gasaus- tausch oder Luftaustausch mit der Umgebung aufweisen. Dieser Kanal kann in der vorangegangenen Prozessfolge oder Verfahrensschritt an beliebiger Stelle beispielsweise auf Sub ^¬ stratebene oder Waferebene durch nass- oder trockenätztech- nische Verfahren hergestellt werden. Austrittsöffnungen der Kanäle der mikromechanischen Elemente innerhalb des zweiten Gasdrucks liegen dabei auf derselben Seite des Substrats oder Waferverbundes . Dies vereinfacht das Fertigungsverfah ^¬ ren .

Die Verkapselung der mikromechanischen Elemente mit dem ersten Gasdruck kann in der vorangegangenen Prozessfolge oder als Verfahrenschritt an beliebiger Stelle beispielsweise mithilfe von Waferbondverfahren geschehen. Bei der hermetischen Verkapselung der mikromechanischen Elemente, die mit dem ersten Gasdruck umgeben sind, kann mit üblichen Methoden der gewünschte erste Gasdruck eingestellt werden.

Zusätzlich werden die weiteren mikromechanischen Elemente mit dem zweiten Gasdruck auf Waferebene mittels eines Waferbondprozesses verkapselt. Dabei wird bei einem Waferbonder der gewünschte Gasdruck gewählt, unter dem die mikromechanischen Elemente mit dem zweiten Gasdruck verschlossen werden sollen. Hierbei kann ein sogenannter Ver- schlusswafer dauerhaft auf die Seite des Waferverbundes gebondet werden, auf der die Austrittsöffnungen der Kanäle der mikromechanischen Elemente mit dem zweiten Gasdruck liegen. Durch die Verwendung eines Kanals ist es möglich, in unterschiedlichen Substratschichten des Bauelementes Öffnungen zu verschließen, so dass während der Herstellung des Bauelements keine weiteren Maßnahmen getroffen werden brau- chen, um einen Druck in einer Kavität einzustellen in der der jeweilige Kanal mündet.

Weiterbildungen des Verfahrens können Verfahrensschritte sein, die die Merkmale der angegebenen Bauelemente gemäß den Unteransprüchen sinngemäß realisieren.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Her ^¬ stellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der Erfindung; und

Fig. 9 bis Fig.14 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Her ^¬ stellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der Erfindung .

Es werden hierbei für identische oder ähnliche Elemente in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

In den folgenden Figuren 1 bis 14 werden Aspekte beschrieben, welche auf Basis von Silizium-Mikromechanik Prozessen oder Verfahrensschritten bereitgestellt werden. Es können auch andere Technologien verwendet werden, bei denen lokal begrenzte Durchdringungen im Substrat und vakuumhermetische Substrat-zu-Substrat Verbindungstechnologien möglich sind. Fig. 1 bis Fig. 8 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der Erfindung .

Fig. 1 zeigt ein Substrat 100. In einem einen Trägerwafer 110 mit einer ersten Höhe 111, hier einem Siliziumwafer, werden für jede Struktur, welche unter einem separaten Gasdruck eingeschlossen werden soll, voneinander getrennte Kavitäten 112, 113, 114 eingebracht, wie in Fig. 1 darge ^¬ stellt.

Danach werden an dem Substrat 100 mittels vakuumhermetischer Waferbondverfahren, beispielsweise Hoch- bzw. Niedertempera ^¬ tur-Fusions-Bonden oder einem anodischem Waferbonden, die Kavitäten 112, 113, 114 mit einem weiteren Siliziumwafer 120 der Höhe 121 verschlossen, wobei der zweite Wafer 120 als Strukturwafer dient. Der Aufbau der beiden übereinander liegenden Wafer 110, 120 mit eingeschlossenen Kavitäten 112,

113, 114 wird anhand von Fig. 2 verdeutlicht.

Fig. 3 zeigt, wie der Strukturwafer 120 anschließend auf ei ^¬ ne notwendige Dicke gedünnt wird, d.h. seine ursprüngliche Höhe 121 wird auf eine Höhe 123 verringert. Nun werden von der Kavitätenseite her mittels anisotroper Ätzverfahren Kanäle 115, 116 in den Wafer 110 oder den unteren Bereich der Struktur 100 geätzt, wie in Fig. 4 gezeigt. Hierbei reichen die Kanäle 115, 116 jeweils bis in diejenigen Kavitäten 113,

114, welche einen von dem ersten Gasdruck in der ersten Ka- vität 112 unterschiedlichen Druck aufweisen sollen. In den gedünnten Strukturwafer 120 wird nun mittels anisotroper Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise Trockenätzen mittels Deep reactive-ion etching (=DRIE) , Ätzen mittels Kalilauge (=KOH Lauge) etc., die eigentliche Struktur 117, 118, 119 ausgeprägt, wie in Fig. 5 gezeigt. Diese Strukturen 117, 118, 119 dienen als mikromechanische Strukturen von Sensoren .

In Fig. 6 werden die Strukturen 117, 118, 119 nun mit einem weiteren Wafer 130 mit einer Höhe 131, auch als Deckel-Wafer bezeichnet, vakuumhermetisch verschlossen. Dieser Deckel- Wafer 130 weist wiederum für jede Struktur 117, 118, 119 eigene Kavitäten 132, 133, 134 auf. Alternativ werden die Strukturen 132, 133, 134 in dem Strukturwafer 120 über eine Vertiefung zurückgesetzt, so dass der Deckel-Wafer 130 plan auf den Strukturwafer 120 aufgebracht werden kann.

Anschließend wird auf den Trägerwafer 110 ein weiterer Wafer 140 mit einer Höhe 141, auch als Verschluss-Wafer bezeichnet, unter einem von dem ersten Gasdruck unterschiedlichen Druck gebondet, wie in Fig. 7 dargestellt. Sollen weitere vom ersten und zweiten Gasdruck verschiedene Drücke einge ^¬ stellt werden, so weist der Verschlusswafer 140 Kanäle auf an den Stellen, an denen bereits der Trägerwafer 110 Verbindungskanäle zu den entsprechenden Elementen 114, 119, 134 aufweist. Ein zweiter Verschlusswafer 150 mit einer Höhe 151 kann zum Einschluss des gewünschten dritten Gasdrucks gegen den ersten Verschlusswafer 140 gebondet werden, wie in Fig. 8 gezeigt.

Die dargestellte Vorgehensweise kann nun für beliebig ver ^¬ schiedene Gasdrücke wiederholt werden. Hierbei kann vorgese- hen sein, dass Verschlusswafer gemäß technologischen Bedingungen gedünnt werden, um die Dicke des Gesamtaufbaus zu re ^¬ duzieren. Eine Reduzierung der Gesamtwaferhöhe kann beispielsweise mittels Schleifen, Polieren und/oder chemischmechanisches Polieren (=CMP) vorgesehen werden, beispielsweise auf Dicken kleiner etwa 20ym.

Fig. 9 bis Fig.14 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der Erfindung .

Fig. 9 zeigt einen Schichtaufbau eines Substrats 200 mit ei ^¬ nem Bodenwafer 210, einer ersten Einbettungsschicht 220, ei ^¬ ner zweiten Einbettungsschicht 230, einer Strukturlage oder einem Strukturwafer 240 und einer eingebetteten leitfähigen Elektrodenschicht 250. Hierbei können die erste Einbettungs ^¬ schicht 220 und die zweite Einbettungsschicht 230 jeweils isolierende Eigenschaften aufweisen und durch jeweils ätztechnische Verfahren entfernt werden.

In den Bodenwafer 210 kann dann beispielsweise mit einem Trocken- oder Nassätzverfahren eine Öffnung oder ein Kanal 216 an vorbestimmten Stellen angeordnet werden, so dass sich eine Verbindung zu Elementen innerhalb einer zu erzeugenden Kavität 213 ergibt, deren Druck erst zeitlich später einge ^¬ stellt wird. Diese Geometrie wird in Fig. 10 verdeutlicht.

Danach werden, wie in Fig. 11 gezeigt, in der Strukturlage, bzw. im Strukturwafer 240 mikromechanische Geometrien 218, 219, wie Masse-Feder-Systeme, durch übliche mikromechanische Ätztechniken bereitgestellt. Diese Masse-Feder-Systeme 218, 219 sind zunächst noch mechanisch mit der Einbettungsschicht 230 verbunden. Damit die mikromechanischen Strukturen frei beweglich sind, werden noch die Einbettungsschichten 220 und 230 entfernt, die beispielsweise aus Siliziumdioxid gefer ^¬ tigt sein können. Das Entfernen kann beispielsweise mittels nasschemischer Ätzung erfolgen, so dass einerseits mikromechanische Strukturen 218, 219 frei beweglich sind, andererseits aber immer noch mechanische Verankerungen der mikromechanischen Strukturen 218, 219 auf dem Bodenwafer 210 bestehen bleiben.

Ferner wird durch die Entfernung der Einbettungsschichten

220 und 230 gleichzeitig der durch die Einbettungsschichten 220 und 230 an seinem einen Ende verschlossene Verbindungs ^¬ kanal 216 geöffnet, wie in Fig. 12 dargestellt. Es entsteht auf diese Weise eine Kavität 213 am Ende des Kanals 216.

Danach können die Elemente 218 und daran anschließende Kavi- täten 212, 215, 232 unter dem gewünschten Druck hermetisch verschlossen werden, indem beispielsweise ein Deckelwafer 260 durch ein Waferbondverfahren auf den Waferverbund aufge ^¬ bracht wird. Die Elemente 219 und Kavitäten 213, 233 sind weiterhin über den Kanal 216 mit der Umgebung verbunden, wie Fig. 13 zeigt.

Schließlich kann ebenfalls über ein Waferbondverfahren ein Verschlusswafer 270 unter einem bestimmten Druck so mit dem Waferstapel verbunden werden, dass der Kanal 216 der Elemente 219 und Kavitäten 213, 233 hermetisch verschlossen wird und sich dort ein gewünschte Druck einstellt, wie Fig. 14 darstellt .

SEITE ABSICHTLICH LEER GELASSEN

Bezugszeichenliste : erstes Ausführungsbeispiel F . 1 bis 9:

100 Substrat

11, 112, 113 Höhe

110, 120, 130, 140 Wafer-Schicht

112, 113, 114, 132, 133, 134 Kavität

115, 116 Kanal

117, 118, 119 mikromechanische Struktur zweites Ausführungsbeispiel Fig. 10 bis 14:

200 Struktur

210 Bodenwafer

212, 213, 215, 232, 233 Kavität

216 Kanal

218, 219 mikromechanische Geometrien 220, 230 EinbettungsSchicht

240 Strukturwafer

250 Elektrodenschicht

260, 270 Deckelwafer