Titel

Mikromechanische Vorrichtung mit überdeckendem Bondrahmen Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat, einer Funktionsschicht und einer Kappe, welche parallel zu einer

Haupterstreckungsebene übereinander angeordnet sind, wobei in der Funktionsschicht eine Kaverne ausgebildet ist, welche von einem Bondrahmen umgeben ist, der parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, wobei die Kappe mit dem Bondrahmen verbunden ist.

MEMS Elemente benötigen eine Verkappung zur Abschirmung der empfindlichen Messstrukturen von ungewollten Umwelteinflüssen, z.B. Partikel, Feuchtigkeit. Die Verbindung der Kappe mit dem M EMS Element (Sensor) erfolgt nach dem Stand der Technik durch eine Bondverbindung. Typische Verfahren sind Sealglas Bonden und eutektisches Bonden. Es werden jedoch auch weitere Bondverfahren für diese

Verbindung eingesetzt.

Allen Bondverfahren gemeinsam ist, dass umlaufend um den Sensor ein Bereich frei gehalten werden muss, in dem die Bondverbindung zwischen Kappe und MEMS Element stattfindet. Dieser Bereich wird Bondrahmen genannt. Es werden erheblich Anstrengungen unternommen, um die Breite des Bondrahmens zu reduzieren und damit die benötigte Chipfläche und somit die Kosten zu verringern.

Bei einer Reduzierung der Chipfläche unter Beibehaltung der Bondrahmenbreite ergibt sich ein prozentual steigender Flächenanteil des Bondrahmens an der gesamten Chipfläche. Die für das Sensor Element verwendete Chipfläche muss somit überproportional verringert werden, um die gesamte Chipfläche um die gewünschte prozentuale Größe zu verringern.

Die Breite des Bondrahmens kann jedoch nicht beliebig verringert werden, da viele Eigenschaften der Bondverbindung von den intrinsischen Eigenschaften des Kappen und des ME MS- Elements abweichen. So sind meist die Festigkeit, die chemische Beständigkeit und die Dichtheit der Bondverbindung geringer als die der Kappe und des MEMS-Elements. Die Bondrahmenbreite wird daher meist von den Eigenschaften der Bondverbindung limitiert. Normalerweise wird daher viel Aufwand in eine

Optimierung der Eigenschaften der Bondverbindung gesteckt. Die vorliegende

Erfindung zeigt eine Möglichkeit auf, wie eine Reduzierung der gesamten Chipgröße unter Beibehaltung der Bondrahmenbreite und der Bondeigenschaften bei

gleichzeitiger minimalster Reduktion der Fläche für das Sensor Element möglich ist. Weiter nachteilhaft am Stand der Technik ist, dass für die beweglichen MEMS- Strukturen meist ein Anschlagskonzept für die Bewegung aus der Substratebene verwendet wird, das Anschläge in der Kappe vorsieht. Die dabei möglichen Abstände, die Variation der Abstände und die Position dieser Anschläge sind abhängig von der Bondverbindung und unterliegen daher sehr vielen Einschränkungen.

Weiter nachteilhaft am Stand der Technik ist, dass eine aufwendig strukturierte Kappe notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung

Diese Erfindung erlaubt die Reduktion der Chipfläche unter Beibehaltung der

Bondrahmenbreite bei gleichzeitiger minimalster Reduktion der Fläche des Sensor- Elements.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat, einer Funktionsschicht und einer Kappe, welche parallel zu einer

Haupterstreckungsebene übereinander angeordnet sind, wobei in der Funktionsschicht eine Kaverne ausgebildet ist, welche von einem Bondrahmen umgeben ist, der parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, wobei die Kappe mit dem Bondrahmen verbunden ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene die Kaverne teilweise zwischen Bondrahmen und Substrat angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass in der Funktionsschicht eine mikromechanische Struktur ausgebildet ist, welche in der Kaverne angeordnet ist und dass die mikromechanische Struktur in der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene teilweise zwischen Bondrahmen und Substrat angeordnet ist. Vorteilhaft kann hierdurch die Chipfläche maximal für die

mikromechanische Struktur genutzt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass über der Funktionsschicht, unter dem Bondrahmen eine Zwischenschicht, insbesondere eine Polysiliziumschicht angeordnet ist. Vorteilhaft kann auf dieser Zwischenschicht der Bondrahmen angelegt werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Schritten:

(A) Bereitstellen eines Substrats;

(B) Herstellen einer Funktionsschicht auf dem Substrat;

(C) Abscheiden einer Oxidschicht auf der Funktionsschicht;

(D) Abscheiden einer Zwischenschicht auf der Oxidschicht;

(E) Entfernen von Teilen der Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht wenigstens im Bereich eines Bondrahmens erhalten bleibt;

(F) Entfernen der Oxidschicht, wobei eine Kaverne erzeugt wird, welche sich teilweise zwischen der Zwischenschicht im Bereich des Bondrahmens und der Funktionsschicht erstreckt;

(G) Bonden einer Kappe auf den Bondrahmen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Zwischenschicht eine Polysiliziumschicht abgeschieden wird. Vorteilhaft ist auch, dass nach dem Schritt (B) und vor dem Schritt (C) in der Funktionsschicht eine

mikromechanische Struktur gebildet wird und im Schritt (C) diese mikromechanische Struktur mit Oxid abgedeckt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass nach dem Schritt (C) und vor dem Schritt (D) im Bereich des Bondrahmens eine Vertiefung in das Oxid geätzt wird, welche im Schritt (D) mit Material der Zwischenschicht gefüllt wird um einen Anschlag für die mikromechanische Struktur unter dem Bondrahmen

herzustellen.

Die Erfindung bewirkt vorteilhaft eine Entkopplung der Chipgröße von der

Bondrahmenbreite, insbesondere bei mikromechanischen Sensoren mit beweglichen mikromechanischen Strukturen, den eigentlichen Sensorelementen. Dies wird erreicht indem man den Bondrahmen oberhalb des Sensorelements anordnet und ein Teil des Sensorelements unter den Bondrahmen zieht. Hierdurch kann die Bondrahmenfläche für mehrere Funktionen gleichzeitig verwendet werden. Dies ermöglicht bei einer Chipgrößenreduktion eines Sensorchips das eigentliche Sensorelement größer zu gestalten, was eine erhöhte Performance des Sensors ermöglicht, z.B. Rauschen. Andererseits kann bei einer gewünschten Performance (und Fläche) des Sensors die Chipfläche zusätzlich verringert werden, da Teile des Sensors unter dem Bondrahmen realisiert werden. Dies erlaubt eine zusätzliche Reduktion der Chipfläche und somit eine zusätzliche Reduktion der Herstellkosten. Weiter kann auch der Bondrahmen sehr stark vergrößert werden, was zu einer erhöhten Beständigkeit des Bondrahmens ohne gleichzeitige Erhöhung der Chipfläche führt, oder es erlaubt günstigere Bondverfahren einzusetzen, die eine geringere Festigkeit selbst bei sehr kleinen Bauelementen ermöglicht. Man kann hierdurch beispielsweise eine aufwendige teure eutektische Bondverbindung durch ein einfacheres Sealglas- Bondverfahren ersetzten. Weiter ist mit diesem Konzept ein besseres und genaueres Anschlagkonzept möglich.

Die Erfindung kann für ein breites Sensorspektrum eingesetzt werden. Dies umfasst u.a. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Kombi- Elemente

(Beschleunigungs- und Drehratensensor auf einem Chip), als auch weitere neuartige Sensoren, die eine Reduzierung der Chipfläche bzw. eine Reduzierung der

Herste II kosten anstreben. Insbesondere für Konzepte mit einem ASIC welcher gleichzeitig als Kappe für das MEMS Bauelement fungiert, ist dieser Ansatz von großer Bedeutung. Bei derartigen Konzepten mussten bisher die ASIC-Fläche und die MEMS- Fläche möglichst gut übereinstimmen, um keine Zusatzkosten zu erzeugen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann mit einem moderaten Zusatzaufwand auf gleicher Grundfläche ein größerer MEMS-Kern gebaut werden. Man gewinnt also einerseits Flexibilität im Flächenverhältnis zwischen ASIC und MEMS und kann gleichzeitig die Baugröße des Gesamtbauelements reduzieren. Zeichnung

Figur 1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, Bondrahmen und Kappe im Stand der Technik.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, überdeckendem Bondrahmen und Kappe.

Figur 3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, überdeckendem Bondrahmen und Kappe.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Eine schematische Gegenüberstellung einer mikromechanischen Vorrichtung im Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung mit überdeckendem Bondrahmen ist in den Figuren 1 und 2 im Querschnitt dargestellt.

Figur 1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, Bondrahmen und Kappe im Stand der Technik. Dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Substrat 10, einer Funktionsschicht 20 und einer Kappe 30, welche parallel zu einer Haupterstreckungsebene 40 übereinander angeordnet sind. In der Funktionsschicht 20 ist dabei eine Kaverne 50 ausgebildet ist, welche von einem Bondrahmen 60 umgeben ist. In der Funktionsschicht 20 ist außerdem eine mikromechanische Struktur 25 ausgebildet. Die Kappe 30 ist mit dem Bondrahmen 60 verbunden. Die Kappe 30 weist einen Kappenanschlag 35 für eine Begrenzung einer Auslenkung der Funktionsschicht 20 senkrecht zur

Haupterstreckungsebene 40 auf.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, überdeckendem Bondrahmen und Kappe. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung ist hier in einer Richtung 45 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 40 die Kaverne 50 teilweise zwischen Bondrahmen 60 und Substrat 10 angeordnet. Das heißt, die Kaverne 50 erstreckt sich teilweise auch unter den Bondrahmen 60. Ebenso erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel auch die mikromechanische Struktur 25 teilweise unter den Bondrahmen 60. Unter dem

Bondrahmen bleibt dabei nur noch Raum für einen Bondsteg 70, welcher in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene 40 schmaler ist als der Bondrahmen 60.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die mikromechanische Vorrichtung als ein mikromechanischer Sensor ausgestaltet. Der Bondsteg ist auf der Höhe des Sensorkerns schmaler als der Bondrahmen. Der Sensorkern ragt in Teilen unter den Bondrahmen. Über den Sensorkern im Bondrahmenbereich ist eine Zwischenschicht, bevorzugt eine Polysiliziumschicht angeordnet. Der Sensorkern schlägt bei Überlast bevorzugt auf der Unterseite des Bondrahmenbereichs auf. Optional sind

Anschlagsnoppen auf der Unterseite des Bondrahmenbereichs angeordnet. Der Kappenwafer kann eine Sensor- Kaverne aufweisen, um ein möglichst großes Volumen zu erreichen. In einer kostengünstigen Ausführungsform kann auf eine Sensor- Kaverne verzichtet werden. In einer besonders kleinbauenden Variante kann die Kappe durch einen Auswerte-ASIC ersetzt werden. Es werden in der Sensorkaverne elektrische Verbindungen vorgesehen, die den Sensorkern mit dem ASIC verbinden. In einer bevorzugten Variante werden diese Kontakte in der gleichen Weise und zusammen mit dem Bondrahmen hergestellt.

Figur 3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Substrat, mikromechanischer Struktur, überdeckendem Bondrahmen und Kappe. Das Verfahren beinhaltet wenigstens die Schritte:

(A) Bereitstellen eines Substrats;

(B) Herstellen einer Funktionsschicht auf dem Substrat;

(C) Abscheiden einer Oxidschicht auf der Funktionsschicht;

(D) Abscheiden einer Zwischenschicht auf der Oxidschicht;

(E) Entfernen von Teilen der Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht wenigstens im Bereich eines Bondrahmens erhalten bleibt;

(F) Entfernen der Oxidschicht, wobei eine Kaverne erzeugt wird, welche sich teilweise zwischen der Zwischenschicht im Bereich des Bondrahmens und der Funktionsschicht erstreckt;

(G) Bonden einer Kappe auf den Bondrahmen. In einem Ausführungsbeispiel wird ein mikromechanischer Sensor hergestellt. Dabei wird auf einem Substrat ein Sensorelement hergestellt. Das Sensorelement wird mit mindestens einer Oxidabscheidung verfüllt. In einer besonders günstigen Variante wird die Herstellung des Sensorelement und die Oxidabscheidung derart ausgeführt, dass Hohlräume, die unter den späteren Bondrahmen reichen, entstehen. Optional wird im Bondrahmenbereich eine Vertiefung ins Oxid geätzt, um Anschläge unter dem

Bondrahmenbereich zu erzeugen. Optional wird eine Kontaktätzung in das Oxid vorgenommen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Kontaktsteg den gesamten Sensorkern. Eine Schichtabscheidung einer Zwischenschicht wird durchgeführt. Bevorzugt wird eine Polysiliziumschicht abgeschieden. Optional werden eine oder mehrere Komponenten der Bondverbindung abgeschieden und strukturiert. Die Polysiliziumschicht wird geätzt. Mit einem Opferschichtätzverfahren wird der Sensorkern freigestellt. Bevorzugt wird ein Ätzschritt verwendet der mit gasförmigen HF arbeitet. Unter dem Bondrahmen wird das Oxid durch die Hohlräume in horizontaler Richtung beschleunigt ausgeräumt. Ein Kappenwafer wird bereitgestellt und auf den Sensorwafer gebondet.