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Stand der Technik
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Für MEMS Sensoren, wie beispielsweise Drehraten-, Beschleunigungs- und kombinierte Inertialsensoren muss in der Regel die hermetische Abdichtung des in einer Kaverne befindlichen, mechanisch aktiven Sensorkernbereichs über die Lebensdauer des Produkts gewährleistet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass der erforderliche Kavernendruck und damit die Dämpfung der MEMS Elemente gegeben ist. Vor allem für flächenmäßig größere MEMS Sensoren kann es dafür, in Abhängigkeit der Dicke der Kavernendecke, erforderlich sein, die Membran der Kavernendecke innerhalb des Kernbereichs abzustützen. Dies verhindert, dass die Kappe im Weiterverarbeitungsprozess, beispielsweise beim Moldprozess eines LGA-Aufbaus beschädigt und damit undicht wird oder der Stress in den Anbindungsbereichen der Kappenmembran zu Beschädigung führt. Zu diesem Zweck können sogenannte Kappenstützen innerhalb des Sensorkerns platziert werden, die durch eine mechanische Verbindung des Sensorkern mit der Kavernendecke dargestellt werden. Sind diese Verbindungen elektrisch leitend, wie beispielsweise durch Anbindung über ein AI/Ge-Eutektikum, so wird der darunterliegende Kernbereich elektrisch auf Substratpotential gelegt, da die Kappe selbst durch den Bondrahmen ebenfalls elektrisch an den Substratwafer angebunden ist. Durch diesen Zustand ist die Designfreiheit im Bereich der Kappenstützen stark eingeschränkt, da die darunterliegenden Sensorstrukturen in ihrem elektrischen Potential nicht frei wählbar sind und z.B. nicht die Möglichkeit besteht, diese Strukturen auf dasselbe Potential wie die beweglichen Massenelemente zu legen. Um elektrostatische Kopplungseffekte zu vermeiden, müssen weiterhin diese ausschließlich für die Kappenstütze genutzten Strukturen einen zusätzlichen Abstand zu allen beweglichen Strukturen mit anderem Potential aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren zu schaffen, welche eine elektrische Entkopplung von Kappe und MEMS Substrat, insbesondere von Teilen der mikromechanischen Funktionsschicht im Bereich einer Kappenstütze ermöglichen.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem MEMS Substrat und einer Kappe, welche an einem Bondrahmen miteinander eutektisch gebondet sind, wobei der Bondrahmen eine Kaverne umschließt, wobei in der Kaverne eine Stützstruktur angeordnet ist, welche eine mechanische Verbindung zwischen der Kappe und dem MEMS Substrat bildet. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Stützstruktur mittels eines Isolators eine elektrisch isolierende Verbindung zwischen der Kappe und dem MEMS Substrat bildet.
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Durch die elektrische Entkopplung von Kappe und MEMS Substrat im Bereich der Kappenstütze wird es ermöglich, mikromechanische Strukturen in diesem Bereich, wie beispielsweise einen mikromechanischen Sensorkern auf ein beliebiges elektrisches Potential zu legen. Hierdurch wird beispielsweise ermöglicht, eine Kappenstütze oberhalb von Aufhängungspunkte der beweglichen Masse zu platzieren, die elektrisch auf dem Potential der beweglichen Masse liegen müssen. Alternativ kann der entsprechende Sensorkernbereich als Anschlagsblock mit neutralem elektrischem Potential gegenüber beweglichen MEMS-Strukturen verwenden werden. Letzteres gewinnt vor allem mit steigender elektrischer Spannung an der beweglichen Masse an Relevanz, da sowohl unerwünschte elektrostatische Kräfte auf die bewegliche Masse als auch elektrische Kurzschlüsse bei deren Anschlagen unterbunden werden. Die Erfindung ermöglicht eine Nutzung des Bereichs unterhalb der Stütze für mikromechanische Funktionen, reduziert somit den Flächenbedarf des gesamten MEMS Kerns und hat damit direkten Einfluss auf die Herstellungskosten des MEMS Elements. Dies gilt in besonderem Maße für MEMS-Drehratensensoren, für die in der Regel bedingt durch die Anforderungen an die Symmetrie der Gesamtstruktur, die Fläche der Kappenstütze die nutzbare Sensorkernfläche oft um das Zweifache oder sogar um das Vierfache reduziert. Die Erfindung ermöglicht deshalb insbesondere die Konstruktion und Herstellung kleinerer Drehratensensoren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Stützstruktur einen Isolator aus einer dielektrischen Schicht, insbesondere einer Oxidschicht oder Nitritschicht aufweist, welcher die Kappe und das MEMS Substrat elektrisch voneinander isoliert. Vorteilhaft ist eine solche Schicht bereits in der MEMS Vorrichtung vorhanden und ist hier zusätzlich in Form eines isolierenden Stempels als Teil der Stützstruktur konfiguriert.
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Besonders vorteilhaft ist die dielektrische Schicht in einer gemeinsamen Ebene mit dem Bondrahmen angeordnet. Vorteilhaft definiert sie auch in Form von Abstandshaltern eine minimale Höhe der eutektischen Verbindung des Bondrahmens nach Verquetschen des Eutektikums.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass auf dem MEMS Substrat eine mikromechanische Funktionsschicht angeordnet ist und die dielektrische Schicht zwischen der Kappe und der mikromechanischen Funktionsschicht angeordnet ist. Vorteilhaft ist so die mikromechanische Funktionsschicht unter der Stütze elektrisch isoliert, wodurch sich größere Designfreiheiten bei der Auslegung mikromechanischer Strukturen ergeben.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die dielektrische Schicht auf einem ersten Teil der mikromechanischen Funktionsschicht angeordnet ist, welcher von einem weiteren Teil der mikromechanischen Funktionsschicht und dem Substrat elektrisch isoliert ist. Vorteilhaft können so verschiedene elektrische potentiale verschiedenen Teilen der Funktionsschicht zugeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der erste Teil der mikromechanischen Funktionsschicht mit einer elektrischen Leitung verbunden ist. Vorteilhaft kann dieser Teil der Funktionsschicht mit einer externen Spannung beaufschlagt, d.h. auf ein gewünschtes elektrisches Potential gebracht werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer Kaverne und einer elektrisch isolierenden Stützstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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- Die 1 a bis d zeigen schematisch in vier Stadien die Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer Stützstruktur im Stand der Technik.
- Die 2 a bis d zeigen schematisch in vier Stadien die Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung mit einer elektrisch isolierenden Stützstruktur.
- 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung mit einer elektrisch isolierenden Stützstruktur mit den notwendigen Schritten:
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Beschreibung
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Die Darstellung der elektrisch isolierten Kappenstütze basiert auf einem Standardprozess zum Verkappen von mikromechanischen Vorrichtungen mit eutektischem Bonden, wie er beispielsweise für die Herstellung von Inertialsensoren verwendet wird.
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Die 1 a bis d zeigen schematisch in vier Stadien die Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer Stützstruktur im Stand der Technik.
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1 a zeigt ein Kappensubstrat 20 mit einer dielektrischen Schicht 35 an einer Oberfläche. Die dielektrische Schicht ist hier eine Oxidschicht und ist zu Abstandshaltern 33 strukturiert. Im Kappenprozess wird die Oberfläche des Kappenwafers zunächst thermisch oxidiert. Eine typische Oxiddicke beträgt zwischen 1100 nm und 1700 nm. Anschließend wird die Oxidschicht strukturiert, um die Abstandshalter darzustellen.
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Im Anschluss erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer Germaniumschicht, die später mit dem Aluminium eines MEMS Substrats, wie beispielsweise eines Sensorwafers die eutektischen Bondverbindung ausbildet.
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1 b zeigt schematisch ein auf dem Kappensubstrat 20 abgeschiedenes und strukturiertes erstes Material 21, hier Germanium für ein Eutektikum im Bereich eines Bondrahmens 30 und im Bereich einer später strukturierten Stützstruktur 50 (siehe 1 c), der Kappenstütze. Die bei der Strukturierung der Germaniumschicht mögliche Überätzung ins Silizium des Kappenwafers, typischerweise im Bereich einiger Mikrometer, ist in den diesbezüglich vereinfachten Figuren nicht abgebildet.
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1 c zeigt die Kappe 20 in die mittels Ätzen ein Bondrahmen 30, eine Stützstruktur 50 und einer Ausnehmung für eine künftige Kaverne 40 oder eine grö-ßere Kaverne in das Kappensubstrat strukturiert ist. Die Stützstruktur weist dabei für das eutektische Bonden ebenso wie der Bondrahmen das erste Material 21, Germanium, auf.
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In diesem letzten, optionalen Schritt zur Herstellung der Kappe wird das Kavernenvolumen ins Silizium des Kappensubstrats geätzt. Die Ätztiefe kann typischerweise ca. 10 µm - 100 µm betragen. Die Tiefe der Kaverne bestimmt in Kombination mit einer möglichen Rückdünnung des Kappenwafers eine endgültige Dicke der Kappenmembran.
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1 d zeigt eine fertiggestellte mikromechanische Vorrichtung im Stand der Technik mit einem MEMS Substrat 10 und einer Kappe 20, welche an einem Bondrahmen 30 miteinander eutektisch gebondet sind. Das MEMS Substrat weist dazu im Bereich des Bondrahmens an einer Oberfläche ein zweites Material 22, hier Aluminium, auf, welches mit dem anliegenden ersten Material 21 auf der Kappe 20 eine eutektische Verbindung bildet, nämlich einen Al/Ge Bond. Die Höhe der eutektischen Verbindung ist von den Abstandshaltern 33 bestimmt. MEMS Substrat und Kappe begrenzen eine Kaverne 40, welche vom Bondrahmen umschlossen ist. Das MEMS Substrat weist zur Kaverne hin eine mikromechanische Funktionsschicht 15 auf. In der Kaverne ist eine Stützstruktur 50 angeordnet, welche mittels derselben eutektischen Verbindung wie am Bondrahmen mit der mikromechanischen Funktionsschicht 15 und so mit dem MEMS Substrat verbunden ist. Die eutektische Verbindung ist elektrisch leitfähig, weshalb wenigstens der damit verbundene Bereich der mikromechanischen Schicht unterhalb der Stützstruktur auf das elektrische Potential des Kappen-Substrats gezogen wird.
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In den nachfolgenden 2 a bis d ist der Herstellungsprozess der elektrisch isolierten Kappenstütze schrittweise dargestellt und den Prozessschritten des Herstellungsverfahrens im Stand der Technik mit eutektisch gebondeter Kappenstütze gegenübergestellt. Gleiche Buchstaben kennzeichnen dabei analoge Prozessschritte. Alternativ kann der Prozess auch unter Verwendung einer anderen elektrisch isolierenden Schicht wie beispielsweise Siliziumnitrid, etc. erfolgen, die entsprechend das Oxid ersetzt.
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Die 2 a bis d zeigen schematisch in vier Stadien die Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung mit einer elektrisch isolierenden Stützstruktur.
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2 a zeigt ein Kappensubstrat 20 mit einer strukturierten dielektrischen Schicht 35 an einer Oberfläche. Die dielektrische Schicht ist als Abstandshalter 33 im Bereich des späteren Bondrahmens 30 und, im Unterschied zum Stand der Technik, als Isolator 31, hier ein Oxidstempel, in einem Bereich der elektrisch isolierenden Stützstruktur 50 strukturiert.
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2 b zeigt ein auf dem Kappensubstrat 20 abgeschiedenes und strukturiertes erstes Material 21, hier Germanium für ein Eutektikum im Bereich eines Bondrahmens 30. Dies ist für einige Ausführungsbeispiele bereits eine fertige Kappe 20, die so mit einem MEMS Substrat verbindbar ist.
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2 c zeigt die Kappe 20 in die mittels Ätzen ein Bondrahmen 30, eine Stützstruktur 50 und einer Ausnehmung für eine künftige Kaverne 40 oder eine grö-ßere Kaverne in das Kappensubstrat strukturiert ist.
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2 d zeigt eine fertiggestellte erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem MEMS Substrat 10 und einer Kappe 20, welche an einem Bondrahmen 30 miteinander eutektisch gebondet sind. Das MEMS Substrat weist dazu im Bereich des Bondrahmens an einer Oberfläche ein zweites Material 22, hier Aluminium, auf, welches mit dem anliegenden ersten Material 21 auf der Kappe 20 eine eutektische Verbindung bildet, nämlich einen Al/Ge Bond. Die Höhe der eutektischen Verbindung ist von den Abstandshaltern 33 bestimmt. MEMS Substrat und Kappe begrenzen eine Kaverne 40, welche vom Bondrahmen umschlossen ist. Das MEMS Substrat weist zur Kaverne hin eine mikromechanische Funktionsschicht 15 auf. In der Kaverne ist eine Stützstruktur 50 angeordnet, welche sich mittels des Isolators 31 aus der dielektrischen Schicht 35 elektrisch isoliert auf einem ersten Teil 151 der Funktionsschicht abstützt. Die Stützstruktur bildet also eine mechanische Verbindung und eine elektrisch isolierende Verbindung zwischen der Kappe und dem MEMS Substrat. Der erste Teil 151 der Funktionsschicht ist von einem weiteren Teil 152 der Funktionsschicht elektrisch isoliert, beispielsweise mittels einer weiteren dielektrischen Schicht 37, wie beispielsweise einem weiteren Oxid. Der erste Teil 151 der Funktionsschicht ist mit einer elektrischen Leitung 60 verbunden, sodass er mit einem gewünschten elektrischen Potential versehen werden kann.
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Alternativ kann die beschriebene elektrisch isolierte Kappenstütze auch in Prozessen ohne Verwendung eines Kappenwafers umgesetzt werden, wenn z.B. die Kaverne durch Aufwachsen einer Seal-EPI oder alternativer Verschlussschichten erfolgt. Hierbei kann die Konstruktion durch die Verwendung von elektrisch isolierenden Zwischenschichten dargestellt werden.
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3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung mit einer elektrisch isolierenden Stützstruktur mit den notwendigen Schritten:
- (A) Bereitstellen eines Kappensubstrats und Herstellen einer Kappe durch:
- (B) Bilden und Strukturieren einer Oxidschicht auf dem Kappensubstrat, wobei wenigstens ein Oxidstempel im Bereich einer Stützstruktur gebildet wird,
- (C) Abscheiden und Strukturieren eines ersten Materials auf dem Kappensubstrat für ein Eutektikum im Bereich eines Bondrahmens;
- (D) Bereitstellen eines MEMS Substrats mit einem zweiten Material darauf für ein Eutektikum im Bereich eines Bondrahmens und Herstellen der mikromechanischen Vorrichtung durch:
- (E) Anlegen der Kappe an das MEMS Substrat, derart, dass das erste Material an dem zweiten Material anliegt sowie der Oxidstempel an dem MEMS Substrat anliegt;
- (F) Bilden einer eutektischen Verbindung aus dem ersten Material und dem zweiten Material im Bereich des Bondrahmens, wobei von der Kappe, dem MEMS Substrat und dem Bondrahmen eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne gebildet wird, wobei die Kappe durch die Stützstruktur, mit dem Oxidstempel elektrisch isoliert, am MEMS Substrat abgestützt wird.
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Um ein größeres Kappenvolumen zu schaffen kann zusätzlich nach dem Schritt (C) und vor dem Schritt (E) in einem Schritt (G) in das Kappensubstrat mittels Ätzen ein Bondrahmen, eine Stützstruktur und einer Ausnehmung für die Kaverne in das Kappensubstrat strukturiert werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird im Schritt (B) zusätzlich das Oxid im Bereich eines Bondrahmens zu Abstandshaltern für eine eutektische Verbindung strukturiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- MEMS Substrat
- 15
- mikromechanische Funktionsschicht
- 20
- Kappensubstrat, Kappe
- 21
- erstes Material, Germanium
- 22
- zweites Material, Aluminium
- 30
- Bondrahmen
- 31
- Isolator
- 33
- Abstandshalter
- 35
- dielektrische Schicht
- 37
- weitere dielektrische Schicht
- 40
- Kaverne
- 50
- Stützstruktur
- 60
- elektrische Leitung
- 151
- erster Teil der mikromechanischen Funktionsschicht
- 152
- weiterer Teil der mikromechanischen Funktionsschicht