Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD OF PRODUCING A MICRO-ELECTROMECHANICAL ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/036387
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method of producing a micro-electromechanical element. According to said method, a first intermediate layer (4; 14) which is applied to a first main surface of a first semiconductor wafer (2; 26) is structured to produce a recess (6; 20, 22, 30). Said first semiconductor wafer (2; 26) is linked with a second semiconductor wafer (8; 28) via the first intermediate layer (4; 14) in such a manner that the recess defines a hermetically sealed cavity (12; 20, 22). After the thickness of a surface facing away from the first intermediate layer (4; 24) of one of the wafers (2; 26) has been reduced so as to produce a membrane-type structure (14; 32, 36) above the cavity, electronic components are produced in the thickness-reduced semiconductor wafer by standard semiconductor processes. A defined opening (36) is produced so as to create an access to the hermetically sealed cavity (12; 20, 22, 30).

Inventors:
Neumeier, Karl (Münchener Strasse 111 Unterhaching, D-82008, DE)
Bollmann, Dieter (Solothurner Strasse 5 München, D-81475, DE)
Application Number:
PCT/EP1999/007204
Publication Date:
June 22, 2000
Filing Date:
September 29, 1999
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft V, Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. (Leonrodstrasse 54 München, D-80636, DE)
Neumeier, Karl (Münchener Strasse 111 Unterhaching, D-82008, DE)
Bollmann, Dieter (Solothurner Strasse 5 München, D-81475, DE)
International Classes:
G01L9/00; G01L13/02; G01P15/08; (IPC1-7): G01L13/02; G01L9/06; G01L9/12; G01P15/08
Foreign References:
US4586109A1986-04-29
EP0702221A21996-03-20
US4513348A1985-04-23
EP0639761A11995-02-22
Other References:
L.J. SPANGLER ET AL.: "A BULK SILICON SOI PROCESS FOR ACTIVE INTEGRATED SENSORS" SENSORS AND ACTUATORS A., Bd. A24, Nr. 2, Juli 1990 (1990-07), Seiten 117-122, XP000148921 ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE., CH ISSN: 0924-4247
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Schoppe, Zimmermann & Stöckeler Postfach 71 08 67 München, D-81458, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines mikroelektromechanischen Elements, mit folgenden Schritten : a) Strukturieren einer ersten Zwischenschicht (4 ; 24), die auf eine erste Hauptoberfläche eines er sten Halbleiterwafers (2 ; 26) aufgebracht ist, um eine Ausnehmung (6 ; 20,22,30) zu erzeugen ; b) Verbinden des ersten Halbleiterwafers (2 ; 26) über die erste Zwischenschicht (4 ; 24) mit einem zwei ten Halbleiterwafer (8 ; 28), derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum (12 ; 20,22,30) definiert wird ; c) Dünnen von einem der Wafer (2 ; 26) von einer der ersten Zwischenschicht (4 ; 24) abgewandten Ober fläche her, um eine membranartige Struktur (14 ; 32,36) über dem Hohlraum (12 ; 20,22) zu erzeu gen ; d) Erzeugen elektronischer Komponenten (16) in dem gedünnten Halbleiterwafer (2 ; 26) ; e) Erzeugen zumindest einer definierten Öffnung (36), um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum (20,22) zu schaffen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf die Hauptober fläche des zweiten Halbleiterwafers (8), der über die Zwischenschicht (4) mit dem ersten Halbleiterwafer (2) verbunden wird, vor dem Verbinden eine zweite Zwischen schicht (10) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite zwischen schicht strukturiert wird, derart, daß nach dem Verbin den die Strukturierung der zweiten Zwischenschicht und die Ausnehmung in der ersten Zwischenschicht den Hohl raum definieren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zu sätzlich zu der ersten Zwischenschicht weitere Zwi schenschichten zwischen den beiden Halbleiterwafern vorgesehen werden, die vor dem Verbinden der beiden Halbleiterwafer strukturiert werden, um einen Hohlraum mit Bereichen variabler Höhe zu erzeugen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste und der zweite Wafer (2,8 ; 26,28) aus Silizium bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die eine oder die mehreren Zwischenschichten aus einem Oxid, aus Polysilizium, aus einem Nitrid oder aus Me tall bestehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die eine oder die mehreren Zwischenschichten (24) derart strukturiert werden, daß nach dem Verbinden der beiden Wafer (26,28) mehrere, durch Kanäle (30) verbundene, nach außen hermetisch abgeschlossene Hohlräume (20,22) definiert sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Verbinden im Schritt b) in einem Vakuum durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem als erster (2 ; 26) und/oder zweiter (8 ; 28) Wafer ein SOIWafer verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die zumindest eine definierte Öffnung (36) in der membran artigen Struktur (34) erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Erzeugen der zumindest einen definierten Öffnung (36) in der mem branartigen Struktur (34) mit einer Nadel, einer Klin ge, durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrahlung oder durch Ätzen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Mehrzahl von mikroelektromechanischen Strukturen in einem Wafer erzeugt werden, wobei das Verfahren fer ner den Schritt des Vereinzelns der einzelnen, mikrome chanischen Strukturen in Chips aufweist, wobei durch das Vereinzeln die zumindest eine definierte Öffnung, um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohl raum zu schaffen, erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Schritte 1 bis 12, bei dem die eine oder die mehreren Zwischenschichten (24) im Schritt a) derart strukturiert werden, daß nach dem Verbinden der beiden Wafer (26,28) mindestens zwei hermetisch abgeschlossene Hohlräume (20,22), die über einen Kanal (30) verbunden sind, definiert werden, über denen nach dem Schritt c) jeweils eine membranartige Struktur (32,34) angeordnet ist, wobei im Schritt e) eine definierte Öffnung (36) durch die membranartige Struktur (34) von einem der Hohlräume (22) erzeugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Kanal im Schritt a) labyrinthartig strukturiert wird, derart, daß beim Erzeugen der Öffnung entstehende Störprodukte an einem Passieren des Kanals gehindert sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem im Schritt e) eine Mehrzahl von definierten Öffnungen in dem membranartigen Struktur erzeugt werden, derart, daß die membranartige Struktur nach dem Erzeugen der Öff nungen eine Trägerstruktur für die bewegliche Masse eines Beschleunigungssensors bildet.
Description:
Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements, und spe- zieller eines solchen mikro-elektromechanischen Elements, bei dem eine mikromechanische Struktur und elektronische Komponenten in dem gleichen Halbleiterwafer angeordnet sind.

Aufgrund der schnellen Entwicklung auf dem Gebiet der Halb- leiterindustrie und der Mikroelektronik verdrängen mikrome- chanische Elemente, beispielsweise mikromechanische Druck- meßzellen auf Siliziumbasis, mehr und mehr klassische mecha- nische Druckwandler. Mikromechanische Elemente werden bei- spielsweise in der Automatisierungs-und Medizin-Technik, sowie in Kfz-Anwendungen in großen Mengen eingesetzt. Vor- zugsweise werden dabei mikro-elektromechanische integrierte Systeme verwendet, die die Verbindung von mechanischen und elektronischen Funktionen auf einem Substrat realisieren.

Neben den in CMOS-oder ähnlicher Technologie hergestellten elektronischen Bauelementen, bei denen es sich beispielswei- se um Meßwandler, Verstärker, Speicher, Mikrocontroler, usw., handelt, befinden sich dabei in denselben Schichten mechanische Bauelemente. Diese können beispielsweise Membra- nen von Drucksensoren, elastische Platten von Ventilen oder Pumpen, schwingende Massen von Beschleunigungssensoren, be- wegliche Finger oder einseitig eingespannte Arme von Schal- tern und dergleichen sein. Über die von der Planartechnolo- gie gewohnte mehr oder weniger glatte Oberfläche hinaus sind diese mechanischen Strukturen dreidimensional und umfassen freitragende Strukturen und vergrabene Hohlräume.

Es war bisher bekannt, solche Hohlräume durch naßchemisches Ätzen zu erzeugen, bzw. durch Verbinden zweier zuvor einzeln fertig bearbeiteter Scheiben. Als Verbindungstechnik zum Verbinden der einzeln bearbeiteten Scheiben kommen dabei ein Waferbonden (Silicon Fusing Bonding), ein anodisches Bonden oder ein Kleben in Frage. In jedem Fall sind bei herkömmli- chen Verfahren vor dem Verbinden der einzelnen Scheiben die- selben vollständig bearbeitet, so daß danach keine Verarbei- tungsschritte mehr stattfinden müssen, die zu einer Beein- trächtigung der mechanischen Strukturen führen können.

Beim naßchemischen Unterätzen von Strukturen tritt das Pro- blem des sogenannten"Sticking"auf, bei dem die freitragen- de Struktur beim Trocknen der Flüssigkeit durch Kapillar- kräfte an der benachbarten Oberflächen haften bleibt und so- mit ihre Beweglichkeit verliert. Kleine Gräben, Löcher und Spalten bereiten überdies Probleme beim Benetzen mit Flüs- sigkeiten (beispielsweise mit Ätzlösungen, Reinigungswasser, Photolack) und beim Entfernen der Flüssigkeiten, beispiels- weise durch Blasen, die in Ecken haften bleiben können. Beim Abschleudern können Tropfen zurückbleiben, die beim Ein- trocknen Ränder erzeugen. Auch die Reinigung durch Bürsten ist problematisch, da die beweglichen Strukturen dabei abge- brochen werden können. Andererseits ist jedoch eine reine Oberfläche der Strukturen notwendig, um die Herstellungsver- fahren zum Erzeugen der Auswertestrukturen, wie z. B. ein CMOS-Verfahren, anwenden zu können. Durch die Gefahr der Verschleppung von Partikeln und Kontaminationen kann bei of- fenen Strukturen die CMOS-Fähigkeit nicht mehr gegeben sein, d. h. bestimmte Prozeßabläufe sind in einer CMOS-Linie nicht erlaubt. Darüberhinaus wird beim Vereinzeln der Chip aus dem Waferverbund mit einer Wafersäge mit Wasser gespült, das in offene Hohlräume eindringen kann, und somit das Problem be- züglich Partikeln und Kontaminationen noch erschweren kann.

Überdies ist es bekannt, membranartige Strukturen durch die Verwendung eines KOH-Rückseitenätzens zu erzeugen, nachdem die elektronischen Komponenten auf der Vorderseite eines Wa- fers fertiggestellt sind. Durch die bei einer KOH-Ätzung auftretenden schrägen Ätzkanten tritt hier jedoch ein hoher Verlust an Integrationsdichte auf, insbesondere, wenn eine hohe Stückzahl mikro-elektromechanischer Komponenten aus ei- nem Wafer gebildet wird.

Unterschiedliche Verfahren zum Herstellen von Halbleiter- druckfühlern sind ferner in der DE 3743080 A1 beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Elements zu schaffen, das die Anwendung herkömmlicher Stan- dardhalbleiterfertigungsprozesse zur Erzeugung elektroni- scher Komponenten in dem Wafer, in dem auch mikromechanische Elemente gebildet sind, ermöglicht, wobei das Verfahren die Erzeugung der mikro-elektromechanischen Elemente mit einer hohen Ausbeute ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeu- gen eines mikro-elektromechanischen Elements, bei dem zu- nächst eine erste Zwischenschicht, die auf eine erste Haupt- oberfläche eines ersten Halbleiterwafers aufgebracht ist, strukturiert wird, um eine Ausnehmung zu erzeugen. Im An- schluß wird der erste Halbleiterwafer über die erste Zwi- schenschicht mit einem zweiten Halbleiterwafer verbunden, derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlos- sener Hohlraum definiert wird. Danach wird einer der Wafer von einer der ersten Zwischenschicht abgewandten Oberfläche her gedünnt, um eine membranartige Struktur über dem Hohl- raum zu erzeugen. Anschließend werden elektronische Kompo- nenten in dem gedünnten Halbleiterwafer erzeugt, vorzugswei- se unter Verwendung von Standard-Halbleiterfertigungsprozes- sen, woraufhin zumindest eine definierte Öffnung, um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zu schaf- fen, erzeugt wird.

Somit bleibt erfindungsgemäß der Hohlraum, der zusammen mit der membranartigen Struktur ein mikromechanisches Element definiert, stets hermetisch abgeschlossen, bis die elektro- nischen Komponenten, beispielsweise eine integrierte Schal- tung, fertiggestellt sind, so daß die oben beschriebenen Probleme bei der Anwendung beispielsweise eines CMOS-Verfah- rens zur Erzeugung einer integrierten Schaltung erfindungs- gemäß nicht auftreten. Überdies entfallen aufgrund des her- metisch abgeschlossenen Hohlraums die vorher erwähnten Pro- bleme des Beseitigens der Ätzflüssigkeiten aus den Hohlräu- men, da aufgrund der hermetischen Abgeschlossenheit während der Herstellung der integrierten Schaltung keine Medien, wie z. B. Flüssigkeiten, Gase, Feststoffe und dergleichen, in den Hohlraum eindringen können. Folglich ermöglicht das erfin- dungsgemäße Verfahren die Herstellung von mikro-elektrome- chanischen Elementen, beispielsweise Drucksensoren oder ge- steuerten Ventilen, mit einer verringerten Anzahl von Bear- beitungsschritten, so daß die vorliegende Erfindung eine ko- stengünstige Herstellung ermöglicht.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht, indem ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum in einer Zwischenschicht gebildet wird, die zum Verbinden zweier Halbleiterwafer ver- wendet wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Er- findung ist auf beiden Halbleiterwafern eine Zwischenschicht aufgebracht, von denen eine oder beide strukturiert werden, um nach dem Verbinden den Hohlraum zu bilden, wobei es sich bei den Zwischenschichten um isolierende oder leitende Schichten handelt, die beispielsweise aus Oxid (thermisch oder TEOS), Polysilizium, Nitrid oder Metall bestehen kön- nen. Diese Zwischenschichten können mittels bekannter Ver- bindungsverfahren, beispielsweise einem Waferbonden (Silicon Fusion Bonding), einem anodischen Bonden oder einem Kleben, miteinander verbunden werden. Alternativ kann eine größere Anzahl von Zwischenschichten zwischen den zu verbindenden Wafern verwendet werden, um damit die Erzeugung eines Hohl- raums mit Bereichen einer variablen Höhe zu ermöglichen.

Zum Öffnen des hermetisch abgeschlossenen Hohlraums kann da- bei eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden, wobei ein Zugang zu dem Hohlraum bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch Erzeugen einer definierten Öffnung in der membranartigen Struktur realisiert wird, da dies ohne größeren Aufwand das Erzeugen eines Zugangs zu dem Hohlraum ermöglicht. Die Öffnung kann durch eine Vielzahl von Verfahren in der membranartigen Struktur definiert wer- den, beispielsweise durch das Verwenden einer Nadel oder ei- ner Klinge, durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrah- lung oder durch Ätzverfahren. Wird mittels des erfindungsge- mäßen Verfahrens eine Mehrzahl von mikro-elektromechanischen Elementen in einem Wafer erzeugt, die nachfolgend vereinzelt werden, kann durch das Vereinzeln der Zugang zu dem vorher hermetisch abgeschlossenen Hohlraum geschaffen werden, indem beim Strukturieren der einen oder mehreren Zwischenschichten ein Kanal strukturiert wird, der bis zu der Grenzfläche reicht, an der dann vereinzelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren herzustellen, eignet sich jedoch auch zur Erzeugung von Fluidsystemen, die zusammen mit Sensoren, Aktoren und/oder Auswertelogiken als ein Mikrosystem realisiert sind.

Um einen Differenzdrucksensor zu erzeugen, werden erfin- dungsgemäß mindestens zwei nach außen hermetisch abgeschlos- sene Hohlräume in der oder den zwischen den Wafern angeord- neten Zwischenschichten gebildet, die über einen Kanal ver- bunden sind, wobei dann die über einem der Hohlräume ange- ordnete membranartige Struktur mit einer Öffnung versehen wird, so daß über diese Öffnung ein Druck an die Unterseite der nicht geöffneten membranartigen Struktur angelegt werden kann, so daß der Differenzdruck zwischen Oberseite und Un- terseite dieser Membran erfaßt werden kann.

Das Verhältnis von Hohlraumvolumen zum Strömungswiderstand des Verbindungskanals kann in weiten Grenzen so gestaltet werden, daß die Ansprechzeit, d. h. die Zeitkonstante, des Sensors in einem gewünschten Bereich liegt. Somit ist bei- spielsweise ein Variometer für Anwendungen in der Luftfahrt realisierbar.

Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Her- stellung von Beschleunigungssensoren, wobei in der membran- artigen Struktur eine Mehrzahl von Öffnungen derart reali- siert wird, daß die membranartige Struktur eine Trägerstruk- tur für die bewegliche Masse bildet.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab- hängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. la) bis lc) schematische Querschnittansichten zur Er- läuterung eines Ausführungsbeispiels des erfin- dungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 2 schematisch eine Explosionsdarstellung zur Veran- schaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfin- dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Dif- ferenzdrucksensors ; und Fig. 3 eine schematische Darstellung zur weiteren Erläu- terung des Ausführungsbeispiels des erfindungsge- mäßen Verfahrens zur Herstellung eines Differenz- drucksensors.

Bezugnehmend auf Fig. 1 werden zunächst die Schritte zum Herstellen des mikromechanischen Elements und der elektro- nischen Komponenten eines mikro-elektromechanischen Elements beschrieben, wobei bis zum Ende des in den Fig. la) bis lc) gezeigten Verfahrens sämtliche Hohlräume des mikromechani- schen Elements hermetisch abgeschlossen sind.

Wie in Fig. la) gezeigt ist, wird zunächst eine auf einen ersten Halbleiterwafer 2 aufgebrachte Zwischenschicht 4 strukturiert, um eine Ausnehmung 6 in derselben zu bilden.

Der Halbleiterwafer 2 wird nachfolgend über die Zwischen- schicht 4 mit einem zweiten Halbleiterwafer 8 verbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit ei- ner Zwischenschicht 10 versehen ist. Durch das Verbinden der beiden Wafer 2 und 8 wird durch die Ausnehmung 6 ein herme- tisch abgeschlossener Hohlraum 12 definiert, wie in Fig. lb) zu sehen ist. Nach dem Verbinden der beiden Wafer 2 und 8 wird der erste Wafer 2 von der dem Wafer 8 abgewandten Hauptoberfläche desselben her gedünnt, um oberhalb des Hohl- raums 12 eine membranartige Struktur 14 zu erzeugen. Dabei bleibt der in der Zwischenschicht 4 gebildete Hohlraum 12 hermetisch abgeschlossen.

Fig. lb) zeigt die hergestellte mikromechanische Struktur, wobei durch das Herstellungsverfahren derselben ermöglicht ist, daß in dem gedünnten Wafer 2, in dem die membranartige Struktur 14 gebildet ist, integrierte Schaltungsstrukturen 16 mittels herkömmlicher Standard-Halbleiterprozesse erzeugt werden, die zur Auswertung von durch die Membran 14 erzeug- ten Signalen dienen kann. Dadurch wird aus der mikromechani- schen Struktur die in Fig. lc) gezeigte mikro-elektromecha- nische Struktur, bei der in einem Halbleiterwafer 2 zum ei- nen eine mikromechanische gefertigte Membran 14 als auch ei- ne integrierte Schaltung 16, die beispielsweise mittels her- kömmlicher CMOS-Techniken hergestellt ist, gebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht diese Herstellung ei- nes mikro-elektromechanischen Elements unter Verwendung her- kömmlicher Standard-Halbleiterfertigungsprozesse, beispiels- weise CMOS-Prozesse, da bis zur Vollendung der integrierten Schaltung der Hohlraum 12 stets hermetisch verschlossen bleibt. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die ko- stengünstige Herstellung von mikro-elektromechanischen Ele- menten mit einer, verglichen mit herkömmlichen Verfahren, reduzierten Anzahl von Verfahrensschritten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Material für die Halbleiterwafer vorzugsweise Silizium verwendet, wobei die Zwischenschicht, bzw. die Zwischenschichten 4 und 10 in Fig. 1, vorzugsweise aus einem Oxid, aus Polysilizium, aus einem Nitrid oder Metall besteht bzw. bestehen. Hierbei ist anzumerken, daß, obwohl bei dem oben beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel auf beiden Wafern eine Zwischenschicht ange- ordnet ist, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich eine Zwischenschicht notwendig ist, in der die Ausnehmung strukturiert wird. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann eine Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen den Wafern vorgesehen werden, so daß es möglich ist, durch unterschied- liche Strukturierung der einzelnen Schichten Hohlräume mit Bereichen unterschiedlicher Höhen zu erzeugen. Ferner wäre es alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren möglich, auch in der auf das zweite Substrat 8 aufgebrachten Zwi- schenschicht 10 eine Strukturierung vorzusehen, so daß diese zusammen mit der in der Zwischenschicht 4 vorgesehenen Strukturierung nach dem Verbinden der Wafer den Hohlraum de- finiert. Dabei ist anzumerken, daß eine quasi unbegrenzte Möglichkeit der Strukturierung von Zwischenschichten zum Er- zeugen unterschiedlicher Hohlräume existiert, solange die Hohlräume nach dem Verbinden der beiden Wafer hermetisch ab- geschlossen sind. Die Strukturierung zur Erzeugung dieser Hohlräume kann durch bekannte Strukturierungsverfahren, bei- spielsweise Photolithographie und Naß-bzw. Trocken-Ätzen oder durch selektive Abscheidung erfolgen.

Die Verbindung der Wafer kann mittels bekannter Verbindungs- verfahren erfolgen, wobei die beiden Wafer mit der oder den Verbindungsschichten aufeinandergelegt und mittels speziel- ler Prozesse miteinander verbunden werden, beispielsweise anodischen Bondverfahren, Klebeverfahren oder dem sogenann- ten Silicon Fusing Bonding. Nach diesem Verbinden entsteht aus den zunächst in der bzw. den Zwischenschichten struktu- rierten Ausnehmung, bzw. den Ausnehmungen, ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum 12, wie er in Fig. lb) gezeigt ist.

Im Anschluß wird einer der beiden Halbleiterwafer auf eine vorgegebene Dicke gedünnt, so daß über dem Hohlraum eine membranartige Struktur entsteht. Dabei kann der zu dünnende Wafer vorzugsweise aus einem SOI-Material (Silicon on Insu- lator) bestehen, wodurch ein exaktes Dünnen erleichtert wird. Durch dieses Dünnen wird oberhalb der strukturierten Bereiche, d. h. über den Hohlräumen, eine sensorspezifische Zone bzw. eine Membran erzeugt, während die übrige Fläche des gedünnten Wafers für die Integration elektronischer Schaltungen dienen kann.

Die nach diesem Verfahren hergestellten mechanischen Struk- turen, von denen beispielhaft eine in Fig. lb) gezeigt ist, weisen jetzt noch eine nach oben geschlossene und planare Oberfläche und in der Tiefe einen oder mehrere hermetisch abgeschlossene Hohlräume auf. Damit kann der gedünnte Wafer mit den üblichen CMOS-Technologien bearbeitet werden.

Die Form der hermetisch abgeschlossenen Hohlräume ist im Grundriß beliebig, im einfachsten Fall rechteckig, vieleckig oder rund, und kann langgestreckte und gewundene Kanäle ent- halten oder aus mehreren isolierten oder mit Kanälen verbun- denen Strukturen bestehen. Die Höhe der Hohlräume ist durch die Dicke der strukturierten Schicht gegeben, wie in Fig. la) gezeigt ist, und damit im einfachsten Fall einheitlich.

Durch eine mehrfache Strukturierung einer einzelnen Schicht oder durch eine Strukturierung mehrere Schichten kann je- doch, wie bereits oben erwähnt wurde, die Höhe der Hohlräume beliebig variiert werden, das heißt, es können Hohlräume mit Bereichen unterschiedlicher Höhe erzeugt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt des Verbindens der beiden Wafer in einem Vakuum durchgeführt, so daß bei möglichen nachfol- genden Hochtemperaturprozessen kein Überdruck durch die thermische Expansion eines in den hermetisch abgeschlossen Hohlräumen enthaltenen Gases entsteht. Somit kann eine Be- schädigung der über dem oder den Hohlräumen erzeugten mem- branartigen Strukturen vermieden werden, da beispielsweise einem Unterdruck von 1 bar im kalten Zustand, der beispiels- weise bei einem Vakuum in dem Hohlraum vorliegt, leichter zu widerstehen ist, als einem Überdruck von 3 bar in einem Dif- fusionsofen bei beispielsweise 1100°C, wenn die Verbindung der Wafer nicht in einem Vakuum stattfindet. Je nach Anwen- dung der erfindungsgemäß erzeugten mikromechanischen Struk- tur ist es jedoch auch möglich, den Hohlraum mit einem spe- ziellen Gas bei einem beliebigen Druck zu füllen.

Erfindungsgemäß wird nun nach Abschluß des in den Fig. la) bis lc) gezeigten Verfahrens zumindest eine definierte Öff- nung erzeugt, um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlos- senen Hohlraum zu schaffen. Dadurch kann durch das in Fig. lc) gezeigte Element beispielsweise ein Differenzdrucksensor oder alternativ auch ein Beschleunigungssensor realisiert werden, wenn die Öffnungen in dem membranartigen Bereich 14 beispielsweise so definiert werden, daß sie eine Träger- struktur für eine bewegliche Masse definieren.

Nach Abschluß der in den Fig. la) bis lc) gezeigten Verfah- rensschritte werden der oder die Hohlräume gemäß der Erfin- dung an vorbestimmten Stellen geöffnet. Dieses Öffnen kann in einer Vakuumkammer, an Umgebungsluft, unter Schutzgas, in einer speziellen Atmosphäre oder unter einer Flüssigkeit er- folgen. Jedenfalls dringt dieses Medium in den Hohlraum ein und füllt ihn vollständig, wenn der Hohlraum zuvor unter Va- kuum war, wenn der Schritt des Verbindens der Wafer unter einem Vakuum stattgefunden hat, wie oben erläutert wurde.

Das Öffnen des Hohlraums kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Bei der Herstellung eines Differenzdruck- sensors, wie sie nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3 näher erläutert wird, kann beispielsweise die über einem der Hohlräume angeordnete membranartige Struktur durch Auf- stechen mit einer Nadel oder Klinge geöffnet werden. Um zu verhindern, daß dabei zu erwartende Splitter in benachbarte Hohlräume eindringen, können die die Hohlräume verbindenden Kanäle labyrinthartig ausgestaltet werden. Alternativ ist es möglich, die membranartige Struktur über einem der Hohlräume mittels gepulster Laserstrahlung zu öffnen. Dieses Verfahren vermeidet die Erzeugung von Splittern und möglicherweise Mi- krorissen, so daß die Zuverlässigkeit nicht gefährdet wird.

Ferner ist es möglich, die entstehenden Dämpfe und Schmelz- tropfen durch geeignete Gestaltung der Kanäle unschädlich zu machen. Diese beiden Verfahren zum Öffnen der Hohlräume eig- nen sich für bereits gesägte, vereinzelte und möglicherweise bereits in ein Gehäuse montierte Chips. Nach dem Öffnen er- folgt bei Drucksensoren die Montage der Röhrchen zum An- schluß an das druckführende Medium.

Üblicherweise werden in einem Wafer eine Mehrzahl von mi- kro-elektromechanischen Elementen gebildet, die dann in ein- zelne Chips vereinzelt werden. Dabei kann das Öffnen der Hohlräume während des Sägens der Wafer erfolgen, wenn die Kanäle bis zum Ritzrahmen, der die Sägestraßen definiert, geführt worden sind. Dann sind die Kanäle von der Seitenflä- che der Chips zugänglich, was Vorteile bei der Montage bie- ten kann. Das Eindringen von Kühlwasser kann durch trockenes Sägen, durch Anritzen und Brechen oder durch Schneiden mit gepulsten Laserstrahlen vermieden werden.

Das Öffnen der Hohlräume kann ferner durch ein gezieltes Ät- zen, beispielsweise in einem Plasmaätzer, erfolgen. Dabei wird auf die Scheibenoberfläche und somit die membranartige Struktur eine Schutzschicht aufgebracht, beispielsweise eine Passivierungsschicht oder ein Photolack, die Aussparungen an den Stellen aufweist, an denen die Öffnung oder die Öffnun- gen gebildet werden sollen. Dort wird die Membran weggeätzt, während sie an den geschützten Stellen bestehen bleibt. Das dabei eindringende Gas verursacht im Gegensatz zu Flüssig- keiten keine Probleme in den Hohlräumen. Die Passivierung kann nach diesem Ätzschritt auf dem Bauelement verbleiben, während der Photolack durch Veraschen im Plasma entfernt werden kann. Dieses Ätzverfahren kann vor dem Vereinzeln der Chips für eine Mehrzahl von Elementen im Waferverbund oder nach dem Vereinzeln der Chips erfolgen.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3 ein be- vorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah- rens zum Herstellen eines Differenzdrucksensors beschrieben.

Mikromechanisch integrierte Drucksensoren messen einen von außen angelegten Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit und verarbeiten ihn zu einem elektrischen Signal. Üblicher- weise werden diese Sensoren als Absolutdrucksensor ausge- staltet. Ein solcher Sensor kann beispielsweise den in Fig. lc) gezeigten Aufbau aufweisen, wobei eine dünne Schicht über einem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum liegt und nach dem Prinzip eines Dosenbarometers als Membran wirkt. Um von Temperaturschwankungen der Umgebung möglichst unabhängig zu sein, ist der Hohlraum üblicherweise leer, steht also un- ter Vakuum.

Häufig ist es erwünscht, den Druck zweier Volumina zu ver- gleichen, wobei nur der Druckunterschied von Interesse ist.

Der zu messende Druckunterschied ist häufig sehr klein im Vergleich zum absoluten Druck. Daher wäre die Meßgenauigkeit sehr gering, wenn die Messung durch Differenzbildung der Meßwerte zweier Absolutdrucksensoren erfolgen wurde. Es ist günstiger, die Membran je von einer Seite mit den zu messen- den Volumen zu verbinden und nur den Druckunterschied zu messen. Bei makroskopischen Sensoren mit Membranen aus Me- tall oder Gummi ist ein solcher Sensor problemlos realisier- bar. Bei mikroelektronisch integrierten Sensoren ist jedoch die Symmetrie der beiden Seiten der Membran nicht mehr gege- ben. In der Planartechnologie gibt es immer eine Oberseite, welche den technologischen Prozessen ausgesetzt ist und leicht zu reinigen ist, und eine Unterseite, welche während der Herstellung vor agressiven Gasen und Flüssigkeiten ge- schützt ist. Um zu ermöglichen, daß die Wafer mit üblichen Standardhalbleiterprozessen, beispielsweise CMOS-Technolo- gien, bearbeitet werden können, müssen sie eine nach oben geschlossene und planare Oberfläche aufweisen. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, das somit die Integration von mikromechanischen Elementen und unter Ver- wendung herkömmlicher Halbleiterprozesse gebildeten elektro- nischen Komponenten in einem Wafer ermöglicht.

Wie in der schematischen Explosionsdarstellung von Fig. 2 gezeigt ist, werden zur Herstellung eines Differenzdruck- sensors zwei Hohlräume 20 und 22 in einer Zwischenschicht 24, die zwischen zwei Wafern 26 und 28 gebildet ist, er- zeugt. Die beiden Hohlräume sind durch einen in der Zwi- schenschicht 24 definierten Kanal 30 verbunden. Es ist er- sichtlich, daß in Fig. 2 das Verfahrensstadium dargestellt ist, das in Fig. lb) für einen einzelnen Hohlraum gezeigt ist, wobei der obere Wafer 26 lediglich zu Zwecken der Ver- deutlichung getrennt von der Zwischenschicht 24 dargestellt ist, so daß die in der Zwischenschicht 24 gebildeten Hohl- räume 20 und 22 sowie der Kanal 30 nach außen hermetisch abgeschlossen sind. Dabei ist ferner anzumerken, daß die Hohlräume bzw. der Kanal auch in einer Mehrzahl von Zwi- schenschichten strukturiert sein können, um Bereiche unter- schiedlicher Höhe definieren zu können oder für das spätere Öffnen Sollbruchstellen zu erzeugen.

Bei der schematischen Darstellung von Fig. 2 ist der obere Wafer 26 bereits gedünnt, so daß über den Hohlräumen 20 und 22 membranartige Strukturen 32 und 34, Fig. 3, gebildet sind, deren Umrisse in Fig. 3 in gestrichelten Linien darge- stellt sind. Nach dem Erzeugen der in Fig. 2 dargestellten Struktur wird durch die über dem Hohlraum 22 angeordnete Membran 34 eine Öffnung 36 gebildet, die einen Zugang zu dem Hohlraum 22 und somit über den Kanal 30 auch zu dem Hohlraum 20 bildet. Hierbei ist anzumerken, daß die Öffnung erst dann in der Membran 34 gebildet wird, wenn die Halbleiterferti- gung, d. h. die Erzeugung von elektronischen Komponenten, z. B. in der Form einer Auswerteeinheit, in dem Halbleiterwa- fer 26 abgeschlossen ist. Für diese Halbleiterfertigung kön- nen übliche Standardhalbleiterprozesse, z. B. CMOS-Verfahren, verwendet werden, da sämtliche Hohlräume zum Zeitpunkt der Halbleiterfertigung hermetisch abgeschlossen sind. Ferner ist anzumerken, daß die elektronischen Komponenten in Fig. 3 nicht dargestellt sind.

Das in Fig. 3 dargestellte mikromechanische Element kann als Differenzdrucksensor dienen, da auf die Oberseite der Mem- bran 32 ein erster Druck wirken kann, während auf die Unter- seite desselben über die Öffnung 36, den Hohlraum 22, den Kanal 30 und den Hohlraum 20 ein zweiter Druck wirken kann, so daß das Ausgangssignal des durch die Membran 32 und den Hohlraum 20 gebildeten Sensors die Differenz dieser beiden Drücke wiedergibt. Um dies zu ermöglichen, können bei der Aufbau-und Verbindungs-Technik der Sensor, d. h. die Membran 32 und der geöffnete zweite Hohlraum 22, beispielsweise durch aufgeklebte Röhrchen mit je einem Gasvolumen verbunden werden. Da der zweite Hohlraum 22 durch den Kanal 30 mit der Unterseite der Membran 32 durch Gasaustausch in Kontakt steht, wirkt der hier beaufschlagte Druck auf die Unterseite der Membran 32. Somit registriert der Sensor den Differenz- druck zwischen den beiden Anschlüssen. Beide Anschlüsse kön- nen von der Oberseite des Sensors montiert werden, wodurch eine Vereinfachung des Aufbaus erreicht werden kann.

Alternativ ist es möglich, sowohl den Drucksensor, der aus Membran 32 und Hohlraum 20 gebildet ist, als auch den Kanal und den zweiten Hohlraum mehrfach auszuführen, um beispiels- weise ein Sensorarray zu erzeugen. Das Verhältnis von Hohl- raumvolumen zu Strömungswiderstand des Verbindungskanals kann in weiten Grenzen variiert werden, so daß die Ansprech- zeit des Sensors einstellbar ist.

Neben der oben beschriebenen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Differenzdrucksensoren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von mechanisch schwingungsfähigen Sensoren und Aktoren, bei de- nen es ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der Sensor und die zugehörige Auswerteelektronik auf dem gleichen Chip inte- griert sind. Solche mechanisch schwingungsfähigen Sensoren und Aktoren werden beispielsweise bei Airbagauslösern, Be- schleunigungsmessern, Stimmgabeln, Drehgebern, Ventilen, Pumpen, Schaltern und dergleichen benötigt. Als Besonderheit ist hier eine schwingende Masse nötig, die an relativ dünnen Halterungen aufgehängt ist. Die Halterungen dienen als ela- stische Federn.

Erfindungsgemäß kann eine solche Halterungsstruktur für eine bewegliche Masse beispielsweise erzeugt werden, indem ausge- hend von der in Fig. lc) als Drucksensor beschriebenen Struktur der membranartige Bereich 14 mit Öffnungen versehen wird, um eine solche Trägerstruktur zu definieren. Dabei ist anzumerken, daß während der Halbleiterfertigung, d. h. wäh- rend der Erzeugung der Auswerteschaltung, eine bewegliche Masse auf die Membran 14 aufgebracht oder in derselben strukturiert wird. Es ist klar, daß die Auswerteschaltung, die in Fig. lc) als Auswerteschaltung 16 für einen Drucksen- sor dargestellt ist, entsprechend für einen Beschleunigungs- sensor angepaßt werden muß. Während der Halbleiterfertigung ist der membranartige Bereich vollständig mit dem umgebenden Bereich des Wafers, in dem der membranartige Bereich gebil- det ist, verbunden, so daß der Hohlraum unter demselben her- metisch abgeschlossen ist.

Wie bereits oben erläutert wurde, bringt dieses Verfahren erhebliche Vorteile bei der Fertigung hinsichtlich der Aus- beute, der mechanischen Unempfindlichkeit sowie dem Schutz vor Flüssigkeiten. Um nun die Masse am Ende der Halbleiter- fertigung, bei der die elektronischen Komponenten erzeugt werden, beweglich zu machen, wird die Membran am Rand der Masse vorzugsweise durch ein Ätzverfahren entfernt. Der als Halterung vorgesehene Teil der Membran wird dabei vor dem Ätzangriff geschützt und bleibt bestehen. Die zu ätzende Fläche ist bei dieser Anwendung im vergleich zu den vorge- nannten Öffnung, beispielsweise des Hohlraums 22 bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Differenzdrucksensor, groß- flächig. Da die bewegliche Masse möglichst groß sein soll, ist es günstig, sie möglichst dick zu gestalten. Da anderer- seits die zu öffnenden Bereiche für leichtes Öffnen mög- lichst dünne Membranen haben sollen, ist es vorteilhaft meh- rere Schichten unterschiedlich zu strukturieren. Dafür ist jeweils eine zusätzliche Lithographieebene notwendig. Die schwingende Masse, die durch die auf die oben beschriebene Art und Weise gefertigte Trägerstruktur gehalten wird, kann aus einem mehrschichtigen Aufbau aus Silizium, Metall oder Oxid gefertigt sein.

Als weiteres Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Ver- fahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Struk- turen sind noch Fluidsysteme zu nennen. Bei Mikrofluidsy- stemen sind die bei makroskopischen Systemen durch Glasröh- ren und Glaskolben sowie Gummischläuche realisierten chemi- schen Reaktionsgefäße miniaturisiert in Silizium oder einem anderen für die Mikrosystemtechnik geeigneten Material aus- geführt. Die Anwendung erstreckt sich auf die Dosierung, Mi- schung und physikalische Vermessung von kleinen Flüssig- keitsmengen und deren chemischen und biologischen Reaktio- nen. Die Hohlräume, deren Verbindungskanäle sowie Verzwei- gungen und Anschlußöffnungen werden dabei erfindungsgemäß in einer oder mehreren Zwischenschichten, die zwischen zwei Wa- fern angeordnet sind, strukturiert. Durch ein anschließendes Verbinden der Wafer werden die Hohlräume dann hermetisch verschlossen, woraufhin einer der Wafer gedünnt wird. Dieser Wafer weist eine planare obere Oberfläche auf und ist somit mit üblichen CMOS-Technologien bearbeitbar, so daß elektro- nische Sensoren, wie Drucksensoren, Temperatursensoren, Leitfähigkeitssensoren oder auch Photodioden zur Lichtab- sorption, und Aktoren, beispielsweise Verstärker, Mikrocon- troler, Elektroden und dergleichen, in direkter Nähe der Ge- fäße aufgebaut werden können. Durch diese Integration von Sensor, Aktor und Logik auf einem Substrat wird das Bauteil ein Mikrosystem. Nach Abschluß der Halbleiterfertigung wer- den die für den Anschluß vorgesehenen Hohlräume gemäß den oben beschriebenen Verfahren an vorbestimmten Stellen ge- öffnet und mit den Zuleitungen der Flüssigkeiten verbunden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Herstellung mikro-elektromechanischer Elemente, wobei sämtliche Hohlräu- me der mikromechanischen Strukturen der mikro-elektromecha- nischen Elemente nach dem Erzeugen derselben hermetisch ab- geschlossen sind, während eine nach oben geschlossen und planare Oberfläche geliefert wird, so daß die Wafer von oben unter Verwendung üblicher CMOS-Technologien bearbeitet wer- den können. Erst nach dem Fertigstellen der elektronischen Komponenten werden die Hohlräume geöffnet. Somit sind erfin- dungsgemäß Probleme, die bei herkömmlichen Verfahren durch das Reinigen von Waferoberflächen bzw. das Eindringen von Flüssigkeiten in Hohlräume und die Verschleppung von Parti- keln und Kontaminationen bewirkt werden, beseitigt. Damit schafft die vorliegende Erfindung ein wenig aufwendiges Ver- fahren, das die Herstellung von mikro-elektromechanischen Elementen kostengünstig und mit hoher Ausbeute ermöglicht.