DE102007044806A1

DE102007044806A1 - Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements

Info

Publication number: DE102007044806A1
Application number: DE102007044806A
Authority: DE
Inventors: Ralf Hausner; Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-02
Also published as: JP5574593B2; JP2009072907A; ITMI20081650A1; US7705413B2; IT1392287B1; FR2921354A1; US20090079037A1

Abstract

Es wird ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere ein mikromechanischer Sensor, mit einem ersten Wafer und einem zweiten Wafer vorgeschlagen, wobei der erste Wafer wenigstens ein Strukturelement und der zweite Wafer wenigstens ein Gegenstrukturelement aufweist und wobei ferner das Strukturelement und das Gegenstrukturelement derart ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung des ersten Wafers zum zweiten Wafer parallel zu einer Haupterstreckungsebene des ersten Wafers im Wesentlichen zu einer Druckbelastung oder Zugbelastung zwischen dem Strukturelement und dem Gegenstrukturelement führt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches mikromechanisches Bauelement ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 100 37 821 A1 ein mikromechanisches Bauelement bekannt, wobei das mikromechanische Bauelement zwei gegenüberliegende Funktionsschichten aufweist und wobei die Funktionsschichten mittels einer Verbindungsmittelschicht wirkverbunden sind und wobei ferner die Funktionsschichten im Bereich der Wirkverbindung eine Vertiefung aufweisen. Auftretende Relativbewegungen zwischen den Funktionsschichten parallel zu deren Haupterstreckungsebene werden lediglich durch die Wirkverbindung verhindert. Insbesondere bei der Verkappung von mikromechanischen Bauelementen treten jedoch vergleichsweise große Drücke und Kräfte auf, wodurch die Schichten großen Druckbelastungen und Scherkräften ausgesetzt sind. Im Extremfall führt dies zu Rissbildungen in den Wirkverbindungen, einem Haftungsverlust zwischen den Schichten, einer Undichtigkeit des Funktionsbereichs und/oder zum Funktionsausfall des mikromechanischen Bauelements. Ein mechanisch stabiler Kontakt zur Aufnahme derartiger Kräfte ist im Stand der Technik nicht vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine erheblich stabilere mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer, insbesondere gegenüber Scherkräften zwischen dem Kappenwafer und der Funktionsschicht, erzielt wird. Das Strukturelement und das Gegenstrukturelement sind derart ausgebildet, dass eine Relativbewegung des ersten Wafers zum zweiten Wafer in der Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zu einer Druck- oder Zugbelastung zwischen dem Strukturelement und dem Gegenstrukturelement führen. Die Kompensation von Scherkräften zwischen den Wafern mittels Struktur- und Gegenstrukturelementen, welche die Scherkräfte als Druckbelastung aufnehmen und kompensieren, weisen naturgemäß eine erheblich höhere Stabilität und Belastungsfähigkeit auf, als die im Stand der Technik zur Aufnahme der Scherkräfte offenbarten stoffschlüssigen Verbindungen. Weiterhin sind derartige Strukturen in üblichen Standardprozessen mit bekannten Mitteln vergleichsweise einfach und damit kostengünstig herstellbar. Gegenüber dem Stand der Technik entfällt in vorteilhafter Weise ein weiterer Verfahrensschritt zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Wafern. Bevorzugt sind die Strukturelemente und Gegenstrukturelemente derart ausgebildet, dass eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Struktur- und Gegenelementen bzw. dem ersten und dem zweiten Wafer entsteht, beispielsweise durch ein gegenseitiges Verquetschen der Strukturelemente mit den Gegenstrukturelementen bzw. des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer. Das mikromechanische Bauelement umfasst ganz besonders bevorzugt einen mikromechanischen Sensor.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen mikromechanischen Bauelements möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements weist der erste Wafer ein weiteres Strukturelement und der zweite Wafer ein weiteres Gegenstrukturelement auf, welche derart ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung des ersten Wafers zum zweiten Wafer senkrecht zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zu einer weiteren Druckbelastung oder Zugbelastung zwischen den weiteren Strukturelement und dem weiteren Gegenstruktrurelement führt. Besonders vorteilhaft werden somit auch Relativbewegungen zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer durch eine Druck- und/oder Zugbelastung kompensiert, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen. Besonders vorteilhaft sind somit Kraftkomponenten in beliebige Richtungen, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer wirken, in Druck- und/oder Zugbelastungen überführbar, so dass vergleichsweise große Kräfte aufgefangen werden bzw. kompensierbar sind. Das mikromechanische Bauelement weist somit im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich höhere Stabilität gegenüber beliebig gerichteten äußeren Druck- und Scherkräften auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Wafer einen Funktionsbereich aufweist, welcher von einem Dichtbereich umgeben ist, wobei bevorzugt der Funktionsbereich in der Haupterstreckungsebene vollständig von dem Dichtbereich umschlossen ist. Der umlaufende Dichtbereich ermöglicht ferner eine vollständige Abdichtung der Atmosphäre im Funktionsbereich, insbesondere eines Über- oder Unterdrucks, mittels eines planen Kontakts zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer, zwischen dem Strukturelement und dem Gegenstrukturelement und/oder zwischen dem weiterem Strukturelement und dem weiteren Gegenstrukturelement, insbesondere über ein Verbindungsmedium. Bevorzugt ist der zweite Wafer und der erste Wafer derart voneinander beabstandet, dass ein unmittelbarer mechanischer Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer lediglich in einem Druck- oder Zugbelastungsbereich und/oder im Dichtbereich und insbesondere über das Verbindungsmedium vorgesehen ist. Vorteilhaft wird daher eine optimale Verquetschung des Verbindungsmediums im Druck- oder Zugbelastungsbereich ermöglicht und/oder etwaige Partikel zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer wirken sich nicht negativ auf die relative Lage und Ausrichtung der Wafer zueinander und auf die Bondqualität aus. Besonders vorteilhaft werden somit die Fertigungstoleranzen deutlich erhöht. Ganz besonders bevorzugt ist eine vergrabene Leiterbahnstruktur zur elektrischen Kontaktierung des Funktionsbereichs vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass im Dichtbereich und/oder in wenigstens einem Teilbereich wenigstens eines Struktur- und/oder Gegenstrukturelements ein Verbindungsmedium, insbesondere ein Sealglas, eingebracht wird, wobei das Verbindungsmedium zur Abdichtung des Funktionsbereichs vorgesehen ist und insbesondere eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer herstellt. Vorteilhaft wird durch das Einbringen des Verbindungsmediums in den Dichtbereich in einfacher Weise eine Abdichtung der Atmosphäre des Funktionsbereichs ermöglicht. Durch die Anordnung des Verbindungsmediums teilweise in den Druck- oder Zugbelastungsbereich, auf ein Strukturelement, auf ein weiteres Strukturelement, auf ein Gegenstrukturelement und/oder auf ein weiteres Gegenstrukturelements wird eine mechanisch feste Verbindung, insbesondere eine Haftverbindung, zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer sichergestellt, wobei gleichzeitig eine direkte Druckbelastung zwischen den Struktur-, weiteren Struktur-, Gegenstruktur- und/oder weiteren Gegenstrukturelementen, bevorzugt über das Sealglas, vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass das Strukturelement und/oder das weitere Strukturelement zumindest teilweise als eine Nut ausgebildet ist und das Gegenstrukturelement und/oder das weitere Gegenstrukturelement zumindest teilweise als eine Zapfenstruktur ausgebildet ist, welche zumindest teilweise in die Nut eingreifend vorgesehen ist, wobei insbesondere die Nut und/oder die Zapfenstruktur den Funktionsbereich in der Haupterstreckungsebene vollständig umgibt. Vorteilhaft werden der Druck- oder Zugbelastungsbereich und der Dichtbereich durch eine gemeinsame Nut- und Zapfenstruktur des ersten und des zweiten Wafers ermöglicht, wobei eine den Funktionsbereich vollständig umgebene Nut- und Zapfenstruktur eine maximal belastbare mechanische Fixierung der Wafer gegenüber relativen Scherkräften zwischen den Wafern bewirkt. Durch ein bevorzugtes Einbringen des Verbindungsmediums zwischen die Nutoberfläche und die Zapfenstrukturoberfläche fungiert das Verbindungsmedium gleichzeitig als Dichtungsmittel und zur Herstellung der mechanisch, festen Verbindung, insbesondere Haftverbindung, zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer. Besonders bevorzugt ist zusätzlich außerhalb der Nut- und Zapfenstruktur wenigstens ein weiterer mechanischer Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass der Funktionsbereich wenigstens ein bewegliches Element aufweist, wobei das bewegliche Element beweglich gegenüber dem ersten und/oder dem zweiten Wafer vorgesehen ist und wobei der erste und/oder der zweite Wafer einen Anschlag aufweist, welcher als mechanische Begrenzung einer Maximalauslenkung der beweglichen Struktur senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene fungiert. Vorteilhaft ist durch den Anschlag eine Maximalauslenkung der beweglichen Struktur wohldefinierbar, so dass eine Beschädigung der beweglichen Struktur durch eine Überdehnung bzw. Überlastung bei einer Überauslenkung der beweglichen Struktur verhindert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass der erste Wafer eine Funktionsschicht und der zweite Wafer einen Kappenwafer oder der erste Wafer einen Kappenwafer und der zweite Wafer eine Funktionsschicht umfasst, bevorzugt aus einem Halbleitermaterial, besonders bevorzugt aus Silizium. Vorteilhaft wird folglich die Verkappung konventioneller Funktionsschichten von mikromechanischen Bauelementen mit den oben genannten Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, wobei in einem ersten Verfahrensschritt auf einen Kappenwafer eine erste Schutzschicht aufgebracht und strukturiert wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt der Kappenwafer geätzt wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt die erste Schutzschicht zumindest teilweise entfernt wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt der Kappenwafer erneut geätzt wird und wobei in einem neunten Verfahrensschritt der Kappenwafer derart mit einer Funktionsschicht verbunden wird, dass die Zapfenstruktur in die Nut der Funktionsschicht eingreift und eine feste mechanische Verbindung zumindest in einem Teilbereich der Nutoberfläche entsteht. Vorteilhaft wird eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich stabilere mechanische Verbindung, insbesondere gegenüber Scherkräften, zwischen dem Kappenwafer und der Funktionsschicht ermöglicht, wobei gleichzeitig eine atmosphärische Abdichtung des Funktionsbereichs erfolgt. Insbesondere ist eine Zapfen-Nut-Struktur vorgesehen, wobei der Zapfen in die Nut einrastet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird nach dem ersten Verfahrensschritt in einem zweiten Verfahrensschritt eine Maskierschicht und/oder eine zweite Schutzschicht auf den Kappenwafer aufgebracht und strukturiert, wobei in einem sechsten Verfahrensschritt die Maskierschicht und/oder die zweite Schutzschicht entfernt wird, wobei in einem siebten Verfahrensschritt ein weiterer Ätzvorgang des Kappenwafers zur Bildung der Zapfenstruktur durchgeführt wird und wobei vor dem neunten Verfahrensschritt in einem achten Verfahrensschritt die erste Schutzschicht optional entfernt wird. Vorteilhaft wird somit in einfacher Weise ein Anschlag des Kappenwafers hergestellt, der einen direkten Kontakt zwischen der Funktionsschicht und dem Kappenwafer ermöglicht. Auf diese Weise sind insbesondere die Anschlagsstrukturen oberhalb der beweglichen Strukturen im Kappenwafer in einem genau definierten Abstand zu den beweglichen Strukturen positionierbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass zwischen dem achten und dem neunten Verfahrensschritt ein zehnter Verfahrensschritt eingeschoben wird, wobei auf die Zapfenstruktur ein Verbindungsmedium aufgebracht wird. Vorteilhaft passt sich das Verbindungsmedium dem Zwischenraum zwischen Nut und Zapfenstruktur an und führt so zu einer mechanisch festen Verbindung zwischen Kappenwafer und Funktionsschicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass der zehnte Verfahrensschritt ein Aufbringen eines Glases, insbesondere eines Sealglases, als Verbindungsmedium umfasst, wobei das Glas in einem Siebdruckprozess aufgebracht und in einem Prebake-Prozess verglast wird. Vorteilhaft wird dadurch in einfacher Weise ein Verfahren zur Verbindung des Kappenwafers und der Funktionsschicht mittels eines Verbindungsmediums realisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass zwischen dem Aufbringen und dem Strukturieren der ersten Schutzschicht auf den Kappenwafer im ersten Verfahrensschritt ein Verfahrensteilschritt eingefügt wird, wobei eine dritte Schutzschicht, beispielsweise eine Aluminium-Schicht, aufgebracht und strukturiert wird und dass zwischen dem fünften und dem sechsten Verfahrensschritt ein elfter Verfahrensschritt zur Entfernung der dritten Schutzschicht eingefügt wird. Vorteilhaft entsteht daher ein weiterer mechanischer Kontaktbereich im Kappenwafer, wodurch eine Abstützung des Kappenwafers durch die Funktionsschicht im fertigen mikromechanischen Bauelement ermöglicht wird. Durch das Aufbringen und die Strukturierung der dritten Schutzschicht wird die Abstützung in einfacher Weise dimensioniert und an die entsprechende Kontaktstruktur in der Funktionsschicht angepasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass zwischen dem siebten und dem achten Verfahrensschritt oder zwischen dem achten und dem neunten Verfahrensschritt ein zwölfter und ein dreizehnter Verfahrensschritt eingefügt werden, wobei im zwölften Verfahrensschritt der Kappenwafer auf einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die Oberflächen jeweils eine weitere Haupterstreckungsebene parallel zur ersten Haupterstreckungsebene aufweisen, mit einer vierten Schutzschicht versehen wird und wobei im dreizehnten Verfahrensschritt im Kappenwafer Durchätzungen geätzt und/oder getrencht werden, wobei der Ätzvorgang insbesondere von einer senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene liegenden ersten Richtung und/oder einer zweiten Richtung antiparallel zur ersten Richtung durchgeführt wird und wobei bevorzugt die Ausdehnung der Durchätzungen parallel zur ersten Richtung gleich der Ausdehnung des Kappenwafers parallel zur ersten Richtung ist. Vorteilhaft ermöglicht die Ätzung des Kappenwafers eine elektrische Kontaktierung der Funktionsschicht, insbesondere von Bondpads auf der Funktionsschicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer schematischen Seitenansicht,
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer schematischen Seitenansicht,
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer schematischen Seitenansicht,
4a bis 4e eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
5a bis 5e eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß der dritten Ausführungsform und
6a bis 6c schematische Vorläuferstrukturen weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß weiterer Ausführungsformen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal beschriftet.
In 1 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt, wobei das mikromechanische Bauelement 1 eine Funktionsschicht 2 und einen Kappenwafer 3 aufweist, wobei der Kappenwafer 3 parallel zu einer ersten Haupterstreckungsebene 4 der Funktionsschicht 2 ausgerichtet ist, wobei die Funktionsschicht 2 einen Funktionsbereich 5 aufweist und wobei der Funktionsbereich 5 von einer zur ersten Haupterstreckungsebene 4 senkrechten Nut 6 in der Funktionsschicht 2 zumindest teilweise umgeben ist und wobei ferner der Kappenwafer 3 eine zur ersten Haupterstreckungsebene 4 senkrechte Zapfenstruktur 7 aufweist, welche in die Nut 6 eingreift und zumindest in einem Teilbereich mit der Nutoberfläche mechanisch fest verbunden ist. Die Zapfenstruktur 7 und die Nut 6 umfassen das Strukturelement 2'' und das weitere Strukturelement 2', sowie das Gegenstrukturelement 3'' und das weitere Gegenstrukturelement 3'. Der Dicht- und Druck- oder Zugbelastungsbereich 6' der Nut-Zapfenstruktur 6, 7 weist insbesondere ein Verbindungsmedium 12, bevorzugt ein Sealglas auf, welches den Raum zwischen Kappenwafer 3 und Funktionsschicht 2 im Bereich der Nut 6 ausfüllt und eine feste mechanische und atmosphärisch abgedichtete Verbindung zwischen dem Kappenwafer 3 und der Funktionsschicht 2 herstellt. Ferner weisen der Kappenwafer 3 und die Funktionsschicht 2 in Teilbereichen bevorzugt unmittelbare Kontakte 8 auf. Der Funktionsbereich 5 umfasst insbesondere nichtbewegliche und bewegliche Elemente 60, 9, wobei die beweglichen Elemente 9 beweglich gegenüber dem Kappenwafer 3 und/oder der Funktionsschicht 2 vorgesehen sind und wobei der Kappenwafer 3 einen Anschlag 10 aufweist, welcher als mechanische Begrenzung einer Maximalauslenkung 11 der beweglichen Struktur 9 senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene 4 fungiert. Des Weiteren weist das mikromechanische Bauelement 1 eine vergrabene Leiterbahnstruktur 23 zur Kontaktierung des Funktionsbereichs 5 auf, wobei insbesondere die beweglichen und/oder nichtbeweglichen Elemente 9, 60 über eine Leiterbahn 23 und eine Kontaktstruktur 22 über einen Kontakt 61 im Bereich der Funktionsschicht 2 elektrisch kontaktierbar ist. Bevorzugt ist das Verbindungsmedium 12 zusätzlich im Bereich der unmittelbaren Kontakte 8 angeordnet.
In 2 ist eine zweite beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt, wobei das mikromechanische Bauelement 1 im wesentlichen identisch dem mikromechanischen Bauelement der ersten Ausführungsform gemäß 1 ist, wobei lediglich der Kappenwafer 3 und die Funktionsschicht 2 derart voneinander beabstandet sind, dass ein unmittelbarer mechanischer Kontakt zwischen dem Kappenwafer 3 und der Funktionsschicht 2 lediglich in der Nut-Zapfenstruktur 6, 7 und insbesondere über das Verbindungsmedium 12 vorgesehen ist.
In 3 ist eine dritte beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt, wobei das mikromechanische Bauelement 1 im wesentlichen dem mikromechanischen Bauelement einer ersten Ausführungsform gemäß 1 entspricht, wobei der Kappenwafer 3 zusätzlich einen weiteren mechanischen Kontakt 8 im Funktionsbereich 5 aufweist, welcher zur mechanischen Abstützung eines zusätzlichen weiteren Gegenstrukturelements 30 des Kappenwafers 3 dient und insbesondere ein Durchbiegen desselben senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 4 verhindert.
In den 4a bis 4e ist eine schematische Darstellung der verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform anhand verschiedener Vorläuferstrukturen dargestellt, wobei in einem ersten und zweiten Verfahrensschritt illustriert anhand einer ersten Vorläuferstruktur in 3a auf einen Kappenwafer 3 eine erste Schutzschicht 20 und eine zweite Schutzschicht 21 jeweils aufgebracht und strukturiert wird, wobei in einem dritten und vierten Verfahrensschritt dargestellt in 3b anhand einer zweiten Vorläuferstruktur der Kappenwafer 3 geätzt 40 und die erste Schutzschicht 20 zumindest teilweise entfernt wird und wobei in einem anhand einer dritten Vorläuferstruktur in 3c illustrierten fünften Verfahrensschritt der Kappenwafer 3 erneut geätzt 41 wird. Eine vierte Vorläuferstruktur dargestellt in 3d zeigt einen sechsten und siebten Verfahrensschritt, wobei die zweite Schutzschicht 21 zumindest teilweise entfernt und ein weiterer Ätzvorgang 42 des Kappenwafers 3 zur Bildung der Zapfenstruktur 7 durchgeführt wird. Ein achter, neunter und zehnter Verfahrensschritt ist anhand einer fünften Vorläuferstruktur in 3e dargestellt, wobei die erste Schutzschicht 20 optional entfernt wird und wobei auf die Zapfenstruktur 7 ein Verbindungsmedium 12, vorzugsweise ein Sealglas, aufgebracht wird und wobei ferner der Kappenwafer 3 derart mit einer Funktionsschicht 2 verbunden wird, dass die Zapfenstruktur 7 in die Nut 6 der Funktionsschicht 2 eingreift und eine feste mechanische Verbindung zumindest in einem Teilbereich der Nutoberfläche 6' entsteht.
In den 5a bis 5e ist eine schematische Darstellung der verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform anhand weiterer verschiedener Vorläuferstrukturen dargestellt, wobei der erste und der zweite Verfahrensschritt und ein zusätzlicher Verfahrensteilschritt anhand einer sechsten Vorläuferstruktur in 4a illustriert ist, wobei auf einen Kappenwafer 3 die erste, die zweite und eine dritte Schutzschicht 20, 21, 16 jeweils aufgebracht und strukturiert wird. Der dritte und vierte Verfahrensschritt ist in 4b anhand einer siebten Vorläuferstruktur und der fünfte Verfahrensschritt in 4c anhand einer achten Vorläuferstruktur dargestellt. Die neunte Vorläuferstruktur in 4d illustriert einen elften, den sechsten und den siebten Verfahrensschritt, wobei die dritte und die zweite Schutzschicht 16, 21, sowie die erste Schutzschicht 20 im Bereich 30 der mechanischen Abstützungen 3 im Funktionsbereich 5 entfernt und ein weiterer Ätzvorgang 42 des Kappenwafers 3 zur Bildung der Zapfenstruktur 7 durchgeführt wird. Der achte, neunte und zehnte Verfahrensschritt ist anhand einer zehnten Vorläuferstruktur in 4e dargestellt.
In den 6a bis 6c ist eine schematische Darstellung weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß weiterer Ausführungsformen anhand weiterer verschiedener Vorläuferstrukturen dargestellt, wobei zwischen dem siebten und dem achten oder zwischen dem achten und dem neunten Verfahrensschritt ein zwölfter und ein dreizehnter Verfahrensschritt jeweils illustriert anhand einer elften, zwölften und dreizehnten Vorläuferstruktur in den 5a bis 5c eingefügt werden. Der zwölfte Verfahrensschritt umfasst ein Aufbringen einer vierten Schutzschicht 19 auf die Oberflächen des Kappenwafers 3, wobei das Aufbringen bevorzugt beidseitig 14, 15 auf den Kappenwafer 4 in einer jeweils senkrechten Richtung 17, 18 zur Haupterstreckungsebene 4 vorgesehen ist. Der dreizehnte Verfahrensschritt umfasst ein nasschemisches Ätzen z. B. mittels Kaliumhydroxid (KOH) und/oder Trenchen 13 des Kappenwafers 3 zur Herstellung von Durchätzungen 13 im Kappenwafer 3, wobei anhand der elften Vorläuferstruktur in 5a ein nasschemischer Ätzvorgang von einer Seite 14 des Kappenwafers 3 aus einer Richtung 17 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 4 dargestellt ist und wobei anhand einer zwölften Vorläuferstruktur in 5b ein beidseitiger Ätzvorgang von beiden Seiten 14, 15 des Kappenwafers 3 aus der jeweils senkrechten Richtung 17, 18 zur Haupterstreckungsebene 4 dargestellt ist und wobei anhand einer dreizehnten Vorläuferstruktur in 5c ein Trenchvorgang des Kappenwafers 3 aus einer Richtung 17 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 4 dargestellt ist. Insbesondere ist eine Erzeugung der dreizehnten Vorläuferstruktur in 5c derart vorgesehen, dass die Ätzzeit beim beidseitigem Ätzvorgang, bspw. mittels Kaliumhydroxid, der zwölften Vorläuferstruktur dargestellt in 5b solange gewählt wird, dass sich eine Flanke (110-Ebene) senkrecht zur Haupterstreckungsebene 4 zwischen den beiden Seiten 14, 15 ausbildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10037821 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauelement (1), insbesondere ein mikromechanischer Sensor, mit einem ersten Wafer (2) und einem zweiten Wafer (3), wobei der erste Wafer (2) wenigstens ein Strukturelement (2'') und der zweite Wafer (3) wenigstens ein Gegenstrukturelement (3'') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (2'') und das Gegenstrukturelement (3'') derart ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung des ersten Wafers (2) zum zweiten Wafer (3) parallel zu einer Haupterstreckungsebene (4) des ersten Wafers (2) im Wesentlichen zu einer Druckbelastung oder Zugbelastung zwischen dem Strukturelement (2'') und dem Gegenstrukturelement (3'') führt.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wafer (2) ein weiteres Strukturelement (2') und der zweite Wafer (3) ein weiteres Gegenstrukturelement (3') aufweist, welche derart ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung des ersten Wafers (2) zum zweiten Wafer (3) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (4) im Wesentlichen zu einer Druckbelastung oder Zugbelastung zwischen de, weiteren Strukturelement (2') und dem weiteren Gegenstruktrurelement (3') führt.
Mikromechanische Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Wafer (2, 3) einen Funktionsbereich (5) aufweist, welcher von einem Dichtbereich (6') umgeben ist, wobei bevorzugt der Funktionsbereich (5) in der Haupterstreckungsebene (4) vollständig von dem Dichtbereich (6') umschlossen ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Dichtbereich (6') und/oder in wenigstens einem Teilbereich wenigstens eines Struktur- und/oder Gegenstrukturelementes (2', 2'', 3', 3'') ein Verbindungsmedium (12), insbesondere ein Sealglas, vorgesehen ist, wobei das Verbindungsmedium (12) zur Abdichtung des Funktionsbereichs (5) vorgesehen ist und insbesondere eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer (2, 3) herstellt.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (2'') und/oder das weitere Strukturelement (2') zumindest teilweise als eine Nut (6) ausgebildet ist und das Gegenstrukturelement (3'') und/oder das weitere Gegenstrukturelement (3') zumindest teilweise als eine Zapfenstruktur (7) ausgebildet ist, welche zumindest teilweise in die Nut (6) eingreifend vorgesehen ist, wobei insbesondere die Nut (6) und/oder die Zapfenstruktur (7) den Funktionsbereich (5) in der Haupterstreckungsebene (4) vollständig umgibt.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (5) wenigstens ein bewegliches Element (9) aufweist, wobei das bewegliche Element (9) beweglich gegenüber dem ersten und/oder dem zweiten Wafer (2, 3) vorgesehen ist und wobei der erste und/oder der zweite Wafer (2, 3) einen Anschlag (10) aufweist, welcher als mechanische Begrenzung einer Maximalauslenkung (11) der beweglichen Struktur (9) senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene (4) fungiert.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wafer (2) eine Funktionsschicht und die zweite Wafer (3) einen Kappenwafer oder der erste Wafer (2) einen Kappenwafer und der zweite Wafer (3) eine Funktionsschicht umfasst, bevorzugt aus einem Halbleitermaterial, besonders bevorzugt aus Silizium.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt auf einen Kappenwafer (3) eine erste Schutzschicht (20) aufgebracht und strukturiert wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt der Kappenwafer (3) geätzt wird (40), wobei in einem vierten Verfahrensschritt die erste Schutzschicht (20) zumindest teilweise entfernt wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt der Kappenwafer (3) erneut geätzt (41) wird und wobei in einem neunten Verfahrensschritt der Kappenwafer (3) derart mit einer Funktionsschicht (2) verbunden wird, dass die Zapfenstruktur (7) in die Nut (6) der Funktionsschicht (2) eingreift und eine feste mechanische Verbindung zumindest in einem Teilbereich der Nutoberfläche (6') entsteht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Verfahrensschritt in einem zweiten Verfahrensschritt eine zweite Schutzschicht (21) auf den Kappenwafer (3) aufgebracht und strukturiert wird, wobei in einem sechsten Verfahrensschritt die zweite Schutzschicht (21) entfernt wird, wobei in einem siebten Verfahrensschritt ein weiterer Ätzvorgang (42) des Kappenwafers (3) zur Bildung der Zapfenstruktur (7) durchgeführt wird und wobei vor dem neunten Verfahrensschritt in einem achten Verfahrensschritt die erste Schutzschicht (20) optional entfernt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem achten und dem neunten Verfahrensschritt ein zehnter Verfahrensschritt eingeschoben wird, wobei auf die Zapfenstruktur (7) ein Verbindungsmedium (12) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zehnte Verfahrensschritt ein Aufbringen eines Lotes, bevorzugt eines elektrisch leitfähigen oder eines elektrisch nicht leitfähigen Glaslots, besonders bevorzugt eines Lotes mit einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ganz besonders bevorzugt eines Sealglases, als Verbindungsmedium (12) umfasst, wobei das Glas in einem Siebdruckprozess aufgebracht und in einem Prebake-Prozess verglast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aufbringen und dem Strukturieren der ersten Schutzschicht auf den Kappenwafer (3) im ersten Verfahrensschritt ein Verfahrensteilschritt eingefügt wird, wobei eine dritte Schutzschicht (16) aufgebracht und strukturiert wird und dass zwischen dem fünften und dem sechsten Verfahrensschritt ein elfter Verfahrensschritt zur Entfernung der dritten Schutzschicht (16) eingefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem siebten und dem achten Verfahrensschritt oder zwischen dem achten und dem neunten Verfahrensschritt ein zwölfter und ein dreizehnter Verfahrensschritt eingefügt werden, wobei im zwölften Verfahrensschritt der Kappenwafer (3) auf einer ersten Oberfläche (14) und einer zweiten Oberfläche (15), wobei die Oberflächen (14, 15) jeweils eine weitere Haupterstreckungsebene parallel zur ersten Haupterstreckungsebene (4) aufweisen, mit einer vierten Schutzschicht (19) versehen wird und wobei im dreizehnten Verfahrensschritt im Kappenwafer (3) Durchätzungen (13) geätzt und/oder getrencht werden, wobei der Ätzvorgang insbesondere von einer senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene (4) liegenden ersten Richtung (17) und/oder einer zweiten Richtung (18) antiparallel zur ersten Richtung (17) durchgeführt wird und wobei bevorzugt die Ausdehnung der Durchätzungen (13) parallel zur ersten Richtung (17) gleich der Ausdehnung des Kappenwafers (3) parallel zur ersten Richtung (17) ist.