DE19800574B4

DE19800574B4 - Mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE19800574B4
Application number: DE19800574A
Authority: DE
Inventors: Dr. Muenzel Horst; Dr. Dr. Baumann Helmut; Eckhard Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2018-01-10
Also published as: WO1999035477A1; DE19800574A1; KR100574575B1; US6465854B1; KR20010033947A; JP2002500961A

Abstract

Bauelement mit mindestens einer auf einem Siliziumsubstrat strukturierten mikromechanischen Oberflächenstruktur (22) und einem die wenigstens eine Oberflächenstruktur (22) abdeckenden Kappenwafer (14), wobei der Kappenwafer (14) von einem Glaswafer (24) gebildet ist, wobei auf der dem Kappenwafer (14) zugewandten Seite des Siliziumsubstrats (16) ein planarisierter Verbindungereich (28) vorhanden ist, der die Oberflächenstruktur (22) umgreift und der Verbindungsbereich (28) und die Oberflächenstruktur (22) aus einer polykristallinen Siliziumschicht (20) herausgebildet ist, die zumindest im Verbindungsbereich hochwertig planarisiert ist und der Kappenwafer (14) mittels einer unmittelbaren Fügeverbindung ohne Anordnung von haftvermittelnden Zwischenschicht mit der polykristallinen Siliziumschicht (20) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, mit wenigstens einer, auf einem Silizium-Substrat strukturierten mikromechanischen Oberflächenstruktur und einem, die wenigstens eine Oberflächenstruktur abdeckenden Kappenwafer sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelementes.
Bauelemente der gattungsgemässen Art sind bekannt. Diese bestehen aus einem Silizium-Substrat auf dessen Oberfläche mittels bekannter Verfahren beispielsweise eine polykristalline Siliziumschicht epitaktisch aufgewachsen wird. In dieser Siliziumschicht werden mikromechanische Strukturen, beispielsweise seismische Massen von Sensorelementen, Aktoren von Mikromotoren oder andere bewegliche Strukturen erzeugt. Die Strukturierung wird beispielsweise über definierte Ätzangriffe von der Oberseite des polykristallinen Siliziums erzielt, wobei durch bereichsweises Unterätzen beweglich aufgehängte Strukturen erzielbar sind.
Um beim bestimmungsgemässen Einsatz der Bauelemente die mikromechanischen Strukturen vor äusseren Einflüssen zu schützen, ist bekannt, diese mit einer abdeckenden Schutzkappe zu versehen. Hier ist bekannt, diese Schutzkappe als, entsprechend des abzudeckenden Bauelementes strukturierten Siliziumwafer herzustellen, der mit dem die Oberflächenstruktur aufweisenden Wafer gefügt wird. Um diese Fügeverbindung zu erreichen, wird der Kappenwafer an den Fügestellen mittels Siebdruck mit einem niederschmelzenden Glas versehen. Anschließend erfolgt eine Justierung des Kappenwafers zu dem Grundwafer und das Fügen unter Druck und Temperatureinwirkung von circa 400°C. So ist aus der US 5323051 ein mikromechanisches Bauelement bekannt, dessen mikromechanische Oberflächenstrukturen hermetisch abgedichtet sind, indem der Siliziumwafer und der Kappenwafer z. B. aus Quarzglas mittels eines durch Siebdruck aufgebrachten Glaslotes zusammengefügt werden.
Hierbei ist nachteilig, dass die Bauelemente nur mittels eines relativ aufwändigen Herstellungsprozesses unter Verwendung von siebgedrucktem niederschmelzenden Glas herstellbar sind. Insbesondere ist nachteilig, dass bei dem auf dem Siebdruck des niederschmelzendem Glases folgenden Fügeprozess unvermeidlich eine bestimmte Menge des niederschmelzenden Glases aus der beziehungsweise den Fügestellen zwischen dem Kappenwafer und dem Grundwafer herausgepresst wird. Um eine Beeinflussung der mikromechanischen Strukturen durch dieses heraustretende Glas zu vermeiden, wird eine relativ große Kontaktbeziehungsweise Verbindungsfläche zwischen dem Kappenwafer und dem Grundwafer benötigt. Wird beispielsweise ein Verbindungsbereich mit einer circa 500 μm breiten Glasschicht bedruckt, ergibt sich bei dem nachfolgenden Fügeprozess, infolge des seitlichen Ausweichens des Glases, ein tatsächlicher Bedarf von circa 700 μm. Dieser zusätzliche Flächenbedarf steht nicht für die Anordnung von Funktionsstrukturen des Bauelementes zur Verfügung, so dass die bekannten Bauelemente entsprechend groß gebaut werden müssen.
Nachteilig bei den bekannten Bauelementen ist ferner, dass sich ein hermetisch dichter Abschluss der Bauelemente nur sehr aufwändig erzielen lässt, da die Anbindung des Kappenwafers über Fügen von im Siebdruck aufgebrachtem niederschmelzenden Glas technisch nur ein beschränktes Vakuum zulässt.
Ferner ist nachteilig, dass nach Fügen des Kappenwafers mit dem Grundwafer eine Überprüfung der nunmehr eingekapselten mikromechanischen Oberflächenstrukturen lediglich durch Ausmessen möglich ist. Eine optische Überprüfung ist nicht möglich.
Eine geeignete Verbindung zwischen dem Siliziumgrundwafer und dem Glaskappenwafer, der eine mikromechanische Oberflächenstruktur überdeckt, ist aus der US 4291293 bekannt. Grund- und Glaskappenwafer werden über eine polykristalline Siliziumschicht mittels anodischem Bonden zusammengefügt. Allerdings können die Oberflächenstruktur und der Fügebereich nicht in einem Schritt hergestellt werden, da der Fügebereich und die mikromechanische Oberflächenstruktur aus unterschiedlichen Materialien bestehen und in verschiedenen Ebenen ausgebildet sind.
Das erfindungsgemäße Bauelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass dieses mit einfachen, sicher beherrschbaren Prozessschritten herstellbar ist. Dadurch, dass die Kappe von einem Glaswafer gebildet ist, lässt sich das Fügen des abdeckenden Glaswafers mit dem Grundwafer des Bauelementes über, für eine Massenproduktion geeignete, robuste Verfahren erzielen. Gerade wenn die den Glaswafer zugewandte Oberfläche des Grundwafers mit einer definierten Restrauigkeit, insbesondere von < 40 nm ausgebildet ist, kann ohne Anordnung von haftvermittelnden Zwischenschichten ein direktes Aufbringen des Glaswafers auf den Grundwafer erfolgen. Dabei erfolgt gleichzeitig die Ausbildung der mikromechanischen Oberflächenstruktur in derselben polykristallinen Siliziumschicht wie der Waferverbindungsbereich.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Restrauigkeiten < 40 nm beispielsweise mittels sogenannter CMP-Verfahren (chemical mechanical polishing/chemisch-mechanisches Polieren) für polykristalline Siliziumschichten, in denen die mikromechanischen Oberflächenstrukturen angelegt sind, reproduzierbar erzielbar sind. Infolge einer derartig hochwertigen Planarisierung der zum Glaswafer weisenden Oberseite lassen sich Fügetechniken nutzen, die ein mit den erwähnten Nachteilen behaftetes Zwischenanordnen eines zusätzlichen Haftvermittlers, insbesondere des in Siebdrucktechnik aufgebrachten niederschmelzenden Glases, überflüssig macht.
Erfindungsgemäß erfolgt somit das Fügen des Siliziumsubstrats (Grundwafer) mit dem Kappenwafer (Glaswafer) unmittelbar über eine Fügeverbindung ohne Anordnung von haftvermittelnden Zwischenschichten.
Insbesondere ist bevorzugt, wenn das Fügen des Glaswafers mit dem Grundwafer über ein anodisches Bonden erfolgt. Hierdurch lassen sich relativ kleine Verbindungsflächen erzielen, die einen entsprechend verringerten Platzbedarf auf dem Bauelement benötigen. Somit können die Verbindungsflächen näher an die Funktionsstrukturen des Bauelementes platziert werden, so dass deren gesamter Flächenbedarf verringert ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Glaswafer optisch transparent ist. Hierdurch lassen sich die mittels des Glaswafers gekapselten mikromechanischen Oberflächenstrukturen nach Endfertigung des Bauelementes einer Sichtprüfung unterziehen. Ferner kann so sehr vorteilhaft, eine Auswertung von Bewegungen der mikromechanischen Strukturen auf optischen Wege erfolgen, indem diese beispielsweise aktive und/oder passive optische Elemente aufweisen, mittels denen optische Signale durch den transparenten Glaswafer hindurch auswertbar sind.
Ferner ist bevorzugt, dass bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Erzielung von Vakuumeinschlüssen von insbesondere bis 1 mbar möglich wird. So können sehr vorteilhaft die mikromechanischen Strukturen als seismische Massen von Drehratensensoren genutzt werden, bei denen zur Erzielung einer ausreichenden Schwingergüte ein qualitativ hochwertiges Vakuum notwendig ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der den mikromechanischen Strukturen zuwandten Seite des Glaswafers wenigstens eine Elektrode angeordnet ist. Hierdurch lässt sich neben der Abdeckelung der mikromechanischen Strukturen der Glaswafer gleichzeitig zur Detektion von etwaigen Auslenkungen der mikromechanischen Strukturen einsetzen, indem die Elektrode beispielsweise Bestandteil eines kapazitiven Auswertemittels ist, das Abstandsänderungen zwischen der Elektrode des Glaswafers und wenigstens einer mikromechanischen Struktur erfasst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauelementes zeigt, näher erläutert.
Die Figur zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Bauelement, das einen so bezeichneten Grundwafer 12 und einen hierauf angeordneten Kappenwafer 14 umfasst. Der Grundwafer 12 besteht aus einem Silizium-Substrat 16, einer hierauf angeordneten Siliziumoxid SiO2-Schicht 18 sowie einer polykristallinen Siliziumschicht 20. In der Siliziumschicht 20 ist eine hier lediglich angedeutete mikromechanische Oberflächenstruktur 22 strukturiert, die beispielsweise federn aufgehängte seismische Massen umfasst.
Der Kappenwafer 14 besteht aus einem Glaswafer 24, beispielsweise aus transparentem Pyrex^®.
Die Oberflächenstruktur 22 ist in einer Ausnehmung 26 der Siliziumschicht 20 strukturiert, und wird von einem Verbindungsbereich 28 der Siliziumschicht 20 umgriffen. Eine Oberfläche 30 der Siliziumschicht 20 ist zumindest in deren Verbindungsbereich 28 hochwertig planarisiert und besitzt eine maximale Rauigkeit < 40 nm (P-Valley).
Der Glaswafer 24 bildet in seinem, den Oberflächenstrukturen 22 zugewandten Abschnitt eine wannenförmige Vertiefung 32 aus, die von einem Verbindungsbereich 34 umgriffen wird. Der Verbindungsbereich 34 des Glaswafers 24 liegt auf dem Verbindungsbereich 28 der Siliziumschicht 20 auf. Hierbei erfolgt eine unmittelbare Fügeverbindung zwischen den Verbindungsbereichen 28 und 34 ohne Zwischenschaltung etwaiger Haftvermittler. Die Herstellung dieser Fügeverbindung wird noch erläutert.
Die Innenseite der Vertiefung 32 trägt wenigstens eine Elektrode 36, die über nicht näher dargestellte Verbindungsleitungen in eine elektronische Ansteuerbeziehungsweise Auswerteschaltung eingebunden ist.
Der Glaswafer 24 ist transparent. Hierdurch ist die mikromechanische Oberflächenstruktur 22 durch den Glaswafer 24 hindurch sichtbar, so dass einerseits eine Sichtprüfung der Oberflächenstrukturen 22 erfolgen kann, während andererseits die Oberflächenstrukturen 22 in optische Bauelemente einbindbar sind.
Durch den transparenten Glaswafer 24 kann insbesondere eine Prüfung auf Adhäsionseffekte und Beweglichkeit der Oberflächenstrukturen 22 und eine allgemeine Fehleranalyse, beispielsweise der Prüfung der Fügeverbindung zwischen dem Glaswafer 24 und der Siliziumschicht 20 erfolgen.
Das Bauelement 10 kann beispielsweise ein Drehratensensor oder ein Beschleunigungssensor sein. Durch die Anordnung der Elektrode 36, die bevorzugt so angeordnet ist, dass eine Sichtprüfung der mikromechanischen Oberflächenstrukturen 22 nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird, lässt sich diese so sehr vorteilhaft in eine Detektion einer beschleunigungs- oder drehratenbedingten Auslenkung der Oberflächenstruktur 22 einbinden, indem ein Abstand zwischen der Elektrode 26 und der Oberflächenstruktur 22 über eine Kapazitätsänderung auswertbar ist.
Ein unmittelbarer Berührungsbereich zwischen dem Glaswafer 24 und der Siliziumschicht 20 ist auf eine Mindestbreite von beispielsweise 200 μm m begrenzt. Infolge der Planarisierung der Oberfläche 30 mit einer Rauigkeit < 40 nm lassen sich feste Fügeverbindungen zwischen dem Glaswafer 24 und der Siliziumschicht 20 in derart extrem kleinflächigen Berührungsbereichen erzielen. Hierdurch wird es möglich, aufgrund des relativ geringen Flächenbedarfs für die eigentliche Fügestelle die mikromechanischen Oberflächenstrukturen 22 bis nahe an die Fügestelle heran zu strukturieren. Somit lässt sich eine hohe Dichte von Komponenten des Bauelementes 10 erzielen.
Die Herstellung des Bauelementes 10 erfolgt beispielsweise folgendermaßen:
Zunächst wird in an sich bekannter Weise der die Sensiereinrichtung aufweisende Grundwafer 12 hergestellt. Hierzu wird auf dem Silizium-Substrat 16 die Siliziumoxidschicht 18 abgeschieden, auf der wiederum die polykristalline Siliziumschicht 20 epitaktisch bei Temperaturen von beispielsweise über 1000°C aufgewachsen wird. Nach Aufwachsen der polykristallinen Siliziumschicht 20 erfolgt eine Strukturierung der mikromechanischen Oberflächenstrukturen 22 in der relativ dicken Polysiliziumschicht 20 unter Einbeziehung der Siliziumoxid-Zwischenschicht 18.
Unter epitaktisches Aufwachsen der Polysiliziumschicht 20 wird verstanden, dass zum Aufwachsen ein Prozess verwendet wird, der beispielsweise aus der Halbleiterherstellung zur Erzeugung einkristalliner Siliziumschichten auf einem einkristallinen Silizium- Substrat bekannt ist. Derartige Prozesse sind in der Lage relativ große Schichtdicken, von beispielsweise einigen 10 μm für die Polysiliziumschicht 20 zu liefern. Beim Einsatz dieses Prozesses zum Erzielen einer polykristallinen Siliziumschicht 20 bildet sich eine relativ große Rauigkeit an der Oberfläche 30 aus.
Die Strukturierung der Oberflächenstrukturen 20 erfolgt mittels bekannter Verfahren der Plasmaätztechnik, wobei zur Erzielung von frei aufgehängter Oberflächenstrukturen 22 eine teilweise Unterätzung der Polysiliziumschicht 20 erfolgt, indem die Siliziumoxidschicht 18 teilweise entfernt wird.
Die Siliziumoxidschicht 18 kann beispielsweise in einem CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) aufgebracht sein, wobei die Zwischenschicht 18 beispielsweise aus mehreren Zwischenschichten bestehen kann, auf deren obersten Zwischenschicht dann die polykristalline Siliziumschicht 20 epitaktisch aufgewachsen wird.
Nachfolgend wird der Grundwafer 12 auf seiner Oberfläche 30 planarisiert. Hierzu erfolgt beispielsweise mittels eines CMP-Verfahrens eine extrem hochwertige Planarisierung, die zu einer Restrauigkeit von < 40 nm führt.
Der Glaswafer 24 wird mittels geeigneter Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren oder Ultraschallabtragsverfahren, derart bearbeitet, dass es zur Ausbildung der Vertiefung 32 und der Verbindungsbereiche 34 kommt.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann der Glaswafer 24, wenn keine druckdichte Anordnung der Oberflächenstrukturen 22 notwendig ist, mit Durchgangsöffnungen versehen sein. Gegebenenfalls wird in die Vertiefung 32 die wenigstens eine Elektrode 36, beispielsweise durch Aufdampfen elektrisch leitfähiger Materialien, aufgebracht.
Schließlich erfolgt ein Fügen des Grundwafers 12 mit dem Kappenwafer 14, indem die Verbindungsbereiche 28 und 34 zueinander justiert werden. Das Fügen kann mittels anodischen Bonden erfolgen, bei dem die Wafer 12 und 24 an eine Spannungsquelle, von beispielsweise 100 bis 1000 V angeschlossen werden und gleichzeitig eine Temperatureinwirkung von circa 400°C erfolgt.

Claims

Bauelement mit mindestens einer auf einem Siliziumsubstrat strukturierten mikromechanischen Oberflächenstruktur (22) und einem die wenigstens eine Oberflächenstruktur (22) abdeckenden Kappenwafer (14), wobei der Kappenwafer (14) von einem Glaswafer (24) gebildet ist, wobei auf der dem Kappenwafer (14) zugewandten Seite des Siliziumsubstrats (16) ein planarisierter Verbindungereich (28) vorhanden ist, der die Oberflächenstruktur (22) umgreift und der Verbindungsbereich (28) und die Oberflächenstruktur (22) aus einer polykristallinen Siliziumschicht (20) herausgebildet ist, die zumindest im Verbindungsbereich hochwertig planarisiert ist und der Kappenwafer (14) mittels einer unmittelbaren Fügeverbindung ohne Anordnung von haftvermittelnden Zwischenschicht mit der polykristallinen Siliziumschicht (20) verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaswafer (24) optisch transparent ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaswafer (24) Durchgangsöffnungen und/oder Vertiefungen (32) unter Belassung von Verbindungsbereichen (34) zur Verbindung mit einem Grundwafer (12) des Bauelementes (10) aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (34) eine laterale Ausdehnung von ≤ 200 μm aufweisen.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer zum Grundwafer (12) weisenden Seite des Glaswafers (24) wenigstens eine Elektrode (36) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (30) auf eine Rauigkeit < 40 nm planarisiert ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polysiliziumschicht (20) auf mindestens eine Zwischenschicht (18) epitaktisch aufgewachsen ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) ein Drehratensensor, oder Beschleunigungssensor ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit mindestens einer auf einem Siliziumsubstrat (16) strukturierten mikromechanischen Oberflächenstruktur (22) abdeckenden Kappenwafer (14) aus Glas mit folgenden Schritten: – Herstellen eines Grundwafers (12) als Substrat (16) aus Silizium; – Abschneiden einer Siliziumdioxidschicht (18) auf dem Siliziumsubstrat (16); – Aufwachsen einer polykristallinen Siliziumschicht (20); – Strukturierung einer mikromechanischen Oberflächenstruktur (22) in der polykristallinen Siliziumschicht (20) und der Siliziumdioxidschicht (18); – Planarisierung der polykristallinen Siliziumschicht (20) an vorgesehenen Verbindungsbereichen (28); – Abdecken der mikromechanischen Oberflächenstruktur (22) durch Fügen eines Kappenwafers (14) aus Glas mit dem Grundwafer (12) an den planarisierten Verbindungsbereichen (28) auf der polykristallinen Siliziumschicht (20) ohne Anordnung von haftvermittelnden Zwischenschichten.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarisierung durch ein CMP-Verfahren (chemical mechanical polishing) auf eine Rauigkeit < 40 nm erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaswafer (24) mit dem Grundwafer (12) über anodisches Bonden verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das anodische Bonden bei einer Temperatur von circa 400°C und einer elektrischen Spannung zwischen 100 und 1000 V erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchgangsöffnungen und/oder Vertiefungen (32) im Glaswafer (24) durch Ätzen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen und/oder Vertiefungen (32) durch Ultraschallabtragsverfahren erzeugt werden.