DE19931773C1 - Mikromechanisches Bauelement mit Kontaktdurchführungen, sowie Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements - Google Patents

Abstract

Ein mikromechanisches Bauelement, beispielsweise ein Druck-, Beschleunigungs- oder Drehratensensor, hat einen Innenraum (5) und eine oder mehrere Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) zur elektrischen Verbindung des Innenraums (5) mit dem Außenraum. Dabei ist ein Glaswafer (2) mit einem Siliziumwafer (3) verbunden. Der Innenraum (5) wird durch eine Vertiefung im Siliziumwafer (3) gebildet, die durch den Glaswafer (2) deckelartig verschlossen ist. In dem Glassubstrat des Glaswafers (2) sind zur Ausbildung der Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) Metalldrähte eingegossen bzw. eingeshmolzen. Diese sind mit Sensor- und/oder Aktorelementen im Hohlraum bzw. Innenraum (5) elektrisch verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit Kontaktdurchführungen und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 13.

Mikromechanische Bauelemente werden z. B. bei der Herstellung von Sensoren und Aktoren benötigt. Insbesondere bei Drucksensoren oder auch bei Beschleunigungs- und Drehratensensoren werden mikromechanische bzw. mikro-elektro-mechanische Bauelemente eingesetzt. Diese sind kostengünstig auf Waferbasis herstellbar, zuverlässig im Betrieb und haben einen geringen Platzbedarf.

In vielen Fällen ist es notwendig, die mikromechanischen Bauelemente mit einem Innenraum zu versehen, beispielsweise um hermetisch verkapselte Strukturen zu schaffen. Erfolgt diese Verkapselung auf Waferbasis kann dadurch ein erheblicher Kostenvorteil erzielt werden. An die Verkapselungen werden oftmals hohe Anforderungen gestellt, beispielsweise hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit, hermetischer Dichtheit, sowie hinsichtlich des lateralen Platzbedarfs, der möglichst gering sein sollte. Eine hohe mechanische Belastbarkeit ist notwendig, da z. B. beim Chipvereinzeln und Hybridaufbauvorgang (z. B. Drahtbonden) erhebliche mechanische Kräfte auftreten können. Ebenso werden die Sensoren während des Betriebs oftmals erheblichen mechanischen Kräften durch Vibrationen und thermische Verspannungen ausgesetzt. Hermetische Dichtheit ist gefordert, wenn die Gefahr besteht, daß Schmutz oder Feuchtigkeit in den Innenraum des Sensors oder Aktors gelangen kann oder der Sensor bzw. Aktor vakuum-, druckdicht und/oder chemisch beständig sein soll. Ein geringer lateraler Platzbedarf ist vorteilhaft, da die Chipgröße ein entscheidender Kostenfaktor bei der Batchprozessierung ist. Weiterhin müssen elektrische Kontaktdurchführungen ins Sensorinnere mit geringen parasitären Lasten, wie beispielsweise Serienwiderstand oder Streukapazität, vorgesehen sein.

Zur Kapselung auf Waferbasis ist z. B. das anodische Bondverfahren bekannt. Hermetisch dichte Leiterbahndurchführungen können entweder lateral, d. h. parallel zur Waferebene, oder auch vertikal zur Chipebene hergestellt werden. Beispielsweise sind implantierte Leiterbahnen als laterale Kontaktdurchführungen möglich. Nachteilhaft dabei sind jedoch hohe Streukapazitäten, ein hoher Leitungswiderstand und in vielen Fällen ein hoher Platzbedarf. Auch können laterale Leiterbahndurchführungen durch Metalldurchführungen realisiert werden. Dies erfordert jedoch einen hohen Fertigungsaufwand, wobei unter Umständen weitere Sonderprozesse notwendig sind, wie z. B. chemisch mechanisches Polieren. Zur Realisierung von vertikalen Varianten der Leiterbahndurchführungen sind weiterhin sogenannte Via-Ätzungen und deren Auffüllen mit Metall bekannt. Diese Verfahren sind jedoch sehr teuer und führen zu einem hohen Platzbedarf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches Bauelement mit einem Innenraum und Kontaktdurchführungen zu schaffen, das einfach und kostengünstig herstellbar ist, einen zuverlässigen Betrieb und hohe Beständigkeit gewährleistet und geringe elektrische parasitäre Lasten aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente mit einem Innenraum angegeben werden, das einfach und kostengünstig durchführbar ist und mit dem eine hermetische Verkapselung des Innenraums bei verbesserten elektrischen Eigenschaften möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das mikromechanische Bauelement gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement umfaßt einen Innenraum und ein oder mehrere Kontaktdurchführungen zur elektrischen Verbindung des Innenraums mit dem Außenraum, wobei mindestens zwei Wafer vorgesehen sind, die miteinander verbunden sind um den Innenraum auszubilden, und wobei mindestens ein erster Wafer aus einem Glas gefertigt ist, in dem zur Ausbildung der jeweiligen Kontaktdurchführung mindestens ein Metalldraht eingegossen ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine hohe hermetische Dichtheit und chemische Beständigkeit des Bauelements erreicht werden. Da die Kontaktdurchführungen in Glas eingeschmolzen sind ist es möglich, den Innenraum schmutz-, feuchtigkeits-, vakuum- und druckdicht sowie chemisch beständig zu gestalten, wobei eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Beständigkeit gewährleistet ist. Die Kontaktdurchführungen können sehr kurz gehalten werden, so daß sich verbesserte elektrische Eigenschaften bzw. verringerte parasitäre Lasten ergeben. Die Streukapazität und die Bauelementgröße sind äußerst gering. Es können vereinfachte Aufbau- und Verbindungstechnologien eingesetzt werden, wobei die Herstellungskosten reduziert sind.

Vorteilhafterweise sind die Wafer parallel zueinander angeordnet und die Kontaktdurchführungen senkrecht zur Waferebene ausgerichtet. Dadurch ist das Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche der Kontaktdurchführungen sehr klein, z. B. ca. 100/cm bis 200/cm bei vertikalen Durchführungen im Vergleich zu ca. 10000/cm bei lateralen Durchführungen, weshalb der ohmsche Widerstand entsprechend ca. 100 mal kleiner ist. Da die Durchführungen nicht flächig auf oder in dem Substrat verlaufen, gibt es kaum Überlappungen zum Substrat, was zu einer verschwindend geringen Streukapazität führt.

Vorteilhafterweise hat der zweite Wafer an der Grenzfläche zum ersten Wafer eine Ausnehmung bzw. Vertiefung, die zur Ausbildung des Innenraums durch den ersten Wafer deckelartig verschlossen ist. Dadurch kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein gekapselter Innenraum geschaffen werden.

Bevorzugt hat der erste Wafer an seiner im Innenraum gelegenen Seite und/oder an der Grenzfläche zum zweiten Wafer Leiterbahnstrukturen, die an die Kontaktdurchführungen angeschlossen sind. Somit können die elektrischen Kontakte über dem Bauelement liegen, weshalb keine zusätzliche Bauelementfläche für die elektrischen Kontakte, z. B. in Form von Drahtbondpads, notwendig ist. Dies führt insbesondere bei der sogenannten Batchprozessierung zu verringerten Herstellungskosten, da bei verringerter Bauelementfläche mehr Bauelemente gleichzeitig bearbeitet werden können.

Vorzugsweise ist der zweite Wafer aus Silizium gefertigt und mit mindestens einer Kontaktdurchführung im ersten Wafer elektrisch verbunden. Im Innenraum kann ein Sensor- und/oder Aktorelement ausgebildet sein, das über die Kontaktdurchführungen mit dem Außenraum elektrisch verbunden ist. Insbesondere können an der Innenseite und/oder an der Außenseite der Wafer ein oder mehrere strukturierte Metallschichten ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise sind die Wafer durch anodisches Bonden miteinander verbunden. An der im Innenraum gelegenen Seite des ersten Wafers ist bevorzugt eine Elektrodenfläche ausgebildet, die einer Fläche des zweiten Wafers gegenüberliegt um eine Meßkapazität und/oder ein Aktorelement zu bilden. Das Bauelement kann als Druck-, Beschleunigungs- oder Drehratensensor ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist auf beiden Seiten eines Siliziumwafers ein erster Wafer aus Glas mit eingegossenen Metalldrähten angeordnet. Somit ergibt sich z. B. ein schichtweiser Aufbau aus drei Wafern, wobei der Glaswafer bevorzugt wie oben beschrieben ausgestaltet ist.

Bevorzugt ist der Glaswafer durch Zerteilen eines Glasblocks mit den darin eingegossenen Metalldrähten in einzelne Scheiben gefertigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements umfaßt die Schritte:

Bereitstellen eines Glaswafers mit darin eingegossenen Metalldrähten und Verbinden des Glaswafers mit einem weiteren Wafer, der an seiner Oberfläche eine Vertiefung aufweist, so daß die Vertiefung einen Innenraum bildet, wobei die Metalldrähte so positioniert sind, daß sie Kontaktdurchführungen zur Verbindung des Innenraums mit dem Außenraum bilden. Dadurch können insbesondere hermetisch verschlossene Bauelemente mit Anschlüssen, die in das Bauelementinnere führen, vereinfacht bzw. kostengünstiger hergestellt werden, wobei die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente verbessert sind und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

Bevorzugt wird auf einer und/oder beiden Seiten des Glaswafers eine strukturierte Metallschicht aufgebracht, die mit den Metalldrähten in Kontakt ist und nach dem Verbinden mit dem weiteren Wafer als Leiterbahn-, Kontakt-, und/oder Elektrodenfläche dient.

Beim Umgießen bzw. Eingießen der Metalldrähte mit Glas werden die Metalldrähte bevorzugt so positioniert, daß sich unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung die Kontaktpositionen des herzustellenden Bauelements ergeben. Vorzugsweise hat das Glas einen hohen Natriumanteil und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium weitgehend entspricht bzw. möglichst nahe kommt.

Zur Bereitstellung des Glaswafers werden z. B. Metalldrähte fixiert und mit geschmolzenem Glas umgossen, wobei der entstehende Glasblock anschließend in Scheiben geteilt wird, derart, daß die Metalldrähte jeweils von einer Seite der Scheibe zur anderen Seite führen.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, daß vereinfachte Aufbau- und Verbindungstechnologien anwendbar sind. Da beispielsweise die Kontaktdurchführungen an der Oberfläche des Deckel- bzw. Bodenwafers liegen, können die bekannten vereinfachten Aufbau- und Verbindungstechnologien zur Integration mit anderen Bauelementen, wie z. B. Ansteuer- und Auswerteelektronik, verwendet werden. Insbesondere ist auch die Verwendung der Flip-Chip-Technologie sowie verwandter vereinfachter Aufbau und Verbindungstechnologien möglich. Dies wäre bei lateralen Kontaktdurchführungen aufgrund der Dicke des Deckel- bzw. Bodenwafers, die z. B. mindestens 0,3 mm betragen muß, nicht ohne weitere Herstellungsschritte möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem Bauelementaufbau zeigt, der aus zwei Wafern besteht;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die aus drei Wafern besteht; und

Fig. 3 Schritte zur Herstellung von Glaswafern mit eingegossenen Kontaktdurchführungen zeigt, wie sie gemäß der Erfindung verwendet werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Bauelementaufbau. Dabei ist ein mikromechanisches Bauelement 1, das als Drucksensor ausgestaltet ist, aus einem Glaswafer 2 und einem Siliziumwafer 3 gebildet. Die beiden Wafer sind parallel zueinander ausgerichtet und an einer Grenzfläche 4 durch anodische Bonds zwischen Glas und Silizium miteinander verbunden. Im Inneren des Drucksensors bzw. Bauelements 1 befindet sich ein Hohlraum bzw. Innenraum 5, der durch den Glaswafer 2 deckelartig verschlossen ist. Im Glaswafer 2 befinden sich Kontaktdurchführungen 6a, 6b, 6c, die den Außenraum mit dem Inneren des Bauelements und mit dem Hohl- bzw. Innenraum 5 elektrisch verbinden. Die Kontaktdurchführungen 6a, 6b, 6c werden durch Metalldrähte gebildet, die in dem Glasmaterial des Glaswafers 2 eingeschmolzen bzw. eingegossen sind.

Die Metalldrähte bzw. Kontaktdurchführungen 6a, 6b, 6c verlaufen vertikal bzw. senkrecht zur Waferebene, d. h. senkrecht zur Grenzfläche 4 zwischen dem Glaswafer 2 und dem Siliziumwafer 3. An der Oberseite bzw. außen gelegenen Seite 21 des Glaswafers 2 befinden sich Anschluß- oder Verbindungselemente 7a, 7b, 7c, wobei das Anschlußelement 7a ein Drahtbond ist, das Anschlußelement 7b eine Lotkugel für Flip- Chip-Bonding ist und das Anschlußelement 7c eine Metallisierung ist, die auf der Außenseite 21 zur Ausgestaltung von Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Elektrodenflächen angeordnet ist.

Der Innenraum 5 ist durch eine beispielsweise rechteckige Vertiefung bzw. Ausnehmung im Siliziumwafer 3 an der an den Glaswafer 2 angrenzenden Seite gebildet. An der Unterseite 22 bzw. der innengelegenen Seite des Glaswafers 2 befindet sich eine Elektrodenfläche 8a sowie eine Leiterbahn 8b, die die Elektrodenfläche 8a mit der Kontaktdurchführung 6b elektrisch verbindet. Dabei sind die Elektrodenfläche 8a und die Leiterbahn 8b einstückig durch eine Metallschicht ausgebildet. Weiterhin ist auf der Unterseite 22 des Glaswafers 2 im Bereich des angrenzenden Siliziumsubstrats des Si- Wafers 3 eine weitere Metallschicht 8c vorgesehen, die einen elektrischen Kontakt zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Metall der Kontaktdurchführung 6a bildet. Die Kontaktdurchführung 6c, die in Fig. 1 im rechten Bereich des Glaswafers 2 ist, steht in elektrischem Kontakt mit einer weiteren Leiterbahn bzw. Metallschicht 8d, die ebenfalls an der Unterseite 22 des Glaswafers 2 im Bereich des Innenraums 5 angeordnet ist und in die Kontakt- bzw. Grenzfläche 4 des anodischen Bonds zwischen Glas und Silizium hineinragt.

Die Elektrodenfläche 8a an der Unterseite 22 des Glaswafers 2 ist im wesentlichen parallel zum darunterliegenden Substrat des Siliziumwafers 3 und von diesem beabstandet angeordnet. Durch geeignete elektrische Anschlüsse über die Kontaktdurchführung 6b einerseits und die Kontaktdurchführungen 6a und 6c andererseits bildet die Elektrodenfläche 8a zusammen mit dem darunterliegenden Siliziumwafer 3 eine Meßkapazität 81. Bei einer Veränderung des Abstands zwischen der Elektrodenfläche 8a und der Oberseite 31 des Siliziumwafers 3 verändert sich die Kapazität 81 entsprechend. Somit kann ein von außen auf den Siliziumwafer 3 wirkender Druck über den gekapselten Hohlraum 5 mit der darin angeordneten Meßkapazität 81 gemessen werden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein mikromechanisches Bauelement 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind gleiche oder in ihrer Funktion gleiche Elemente wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist auf jeder Seite des Siliziumwafers 3a ein Glaswafer 2a, 2b angeordnet. Der Bauelementaufbau besteht also aus drei Wafern, d. h. einem Glas-Deckelwafer 2a, einem Siliziumwafer 3a und einem Glas- Bodenwafer 2b. Beide Glaswafer 2a, 2b haben eingegossene Kontaktdurchführungen 6a, 6b, 6c, die jeweils eine elektrische Verbindung vom Außenraum in das Innere des Bauelements bilden. Dabei ist ein oberer Innenraum 5a mit der Oberseite 21a des Glas- Deckelwafers 2a elektrisch leitend verbunden, während ein unterer Innenraum 5b mit der Unterseite 21b des Glas-Bodenwafers 2b elektrisch leitend verbunden ist. Dieser Aufbau kann ebenfalls als Drucksensor verwendet werden, wobei zwei Kapazitäten 81 im hermetisch gekapselten Inneren des Sensors 10 zur Druckmessung vorhanden sind, so daß z. B. Sensordrifteffekte bei der Messung berücksichtigt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren nicht dargestellt ist, bildet das mikromechanische Bauelement einen Beschleunigungssensor. Hierzu ist im Inneren des Sensors eine Masse asymmetrisch an zwei gegenüberliegenden Torsionsbalken aufgehängt. Die Oberfläche der Masse, die im Inneren des Sensors liegt und prinzipiell der Oberfläche 31 des in Fig. 1 gezeigten Bauelements entspricht, ist vorteilhafterweise flächig gestaltet und dient als Elektrodenfläche für Messkondensatoren. Vorteilhafterweise besteht die Kondensatoranordnung aus zwei symmetrisch zur Drehachse angeordneten Elektroden. Eine Beschleunigung senkrecht zur Waferebene führt zu einer Verkippung der Masse und somit zu einer gegenläufigen Kapazitätsänderung der beiden Kondensatoren und vorteilhafterweise kann aus der Differenz die Größe der einwirkenden Beschleunigung bestimmt werden.

Das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte mikromechanische Bauelement 1,10 dient in einer weiteren Variante ebenso als Beschleunigungssensor. Hierzu ist das im Inneren des Bauelements 1, 10 gelegene Substrat des Siliziumwafers 3 bzw. 3a nur an einer Seite mit dem restlichen Siliziumsubstrat verbunden, während es an der anderen Seite frei schwebt. Beispielsweise kann das in Fig. 2 gezeigte und oben diskutierte Bauelement 10 leicht als Beschleunigungssensor ausgestaltet werden, indem das zwischen dem Hohlraum 5a und dem Hohlraum 5b gelegene Siliziumsubstrat nur an der rechten oder an der linken Seite mit dem restlichen Teil des Siliziumwafers 3a verbunden ist. In diesem Fall erhält man einen Siliziumbalken, der sich bei einer Beschleunigung senkrecht zur Waferoberfläche bzw. Grenzfläche 4 aufgrund seiner Trägheit verbiegt. Dadurch verändern sich die Kapazitäten 81 auf beiden Seiten des Siliziumbalkens, woraus die Beschleunigung abgeleitet werden kann.

Auch in dem Aufbau, wie er in Fig. 1 diskutiert wurde, ist durch leichte Modifikation eine Ausgestaltung des Bauelements 1 als Beschleunigungssensor möglich. Dazu muß lediglich der Hohlraum bzw. Innenraum 5 auf der rechten Seite in Fig. 1 offen ausgestaltet sein, so daß in diesem Teil keine Verbindung zwischen dem Siliziumwafer 3 und dem Glaswafer 2 besteht. Der unterhalb der Elektrodenfläche 8a liegende Teil des Siliziumwafers 3 ist dann als Balken ausgestaltet, der nur im linken Teil des Sensors mit dem restlichen Siliziumsubstrat verbunden bzw. fixiert ist. Bei einer Beschleunigung senkrecht zur Grenzfläche 4 verändert sich die Kapazität 81 aufgrund der Trägheit des so ausgebildeten Siliziumbalkens.

Anstatt der oben gezeigten Ausgestaltung mit Meßkapazitäten 81 im Hohlraum 5 bzw. 5a, 5b kann auch eine Ausgestaltung mit Aktorelementen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein im Hohlraum 5, 5a, 5b gelegener Siliziumbalken über die elektrischen Verbindungen mit dem Außenraum zu Schwingungen angeregt werden, beispielsweise durch elektrostatische Kräfte oder durch piezoelektrische Elemente, die zusätzlich im Innen- bzw. Hohlraum angeordnet sind. Derartige schwingende Strukturen können z. B. als Teil eines Drehratensensors dienen, wobei bei einer Drehung des Systems aufgrund der Corioliskraft durch die periodisch schwingende Struktur eine weitere Schwingung erzeugt wird, deren Auslenkung ein Maß für die Drehrate ist.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann beispielsweise auch als ein Beschleunigungssensor ausgestaltet sein, der parallel zur Waferebene empfindlich ist. Bei diesem Sensor ist der Siliziumwafer mit Interdigitalstrukturen versehen, d. h. an der lateral beweglichen Masse sind Fingerstrukturen angebracht. Parallel zu diesen Fingern sind feststehende Finger mit dem umgebenden Silizium verbunden. Eine Beschleunigung führt dann zu einer Veränderung dieser Kapazitäten. Die Metallflächen im Inneren dienen dann nur als Leiterbahnen und als Kontaktflächen, nicht mehr als Elektrodenflächen. Es versteht sich von selbst, daß eine Vielzahl von Sensortypen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein können.

Anhand der Fig. 3 wird nun die Herstellung der Glaswafer 2, 2a, 2b bzw. Bondgläser mit eingeschmolzenen elektrischen Kontaktdurchführungen beschrieben. Dazu werden als erstes Drähte mit einem Durchmesser von z. B. 0,2 mm aufgespannt, die später die elektrischen Durchführungen darstellen. Dabei entspricht die laterale Anordnung der Drähte der gewünschten Position der Kontaktdurchführungen für das fertige Bauelement. Um eine entsprechende Genauigkeit der Kontaktposition zu erreichen, wird hierbei die thermische Ausdehnung während der Herstellung berücksichtigt.

Nun werden die fixierten Drähte in ein Glas eingegossen bzw. mit geschmolzenem Glas umgossen. Damit sich das Glas für anodisches Bonden eignet, hat es einen hohen Natriumanteil und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium möglichst nahe kommt. Zum Eingießen muß das Material der Drähte, z. B. Wolfram oder Molybdän, einen höheren Schmelzpunkt als das verwendete Glas aufweisen.

Die elektrische Leitfähigkeit der eingeschmolzenen Drähte und die Isolation der Drähte voneinander kann nach dem Einschmelzen und Erstarren sehr einfach getestet werden. Anschließend wird der entstandene Glasblock mit den vertikal eingeschmolzenen Drähten in Scheiben gesägt und zwar so, daß aus den eingeschmolzenen Drähten die gewünschten elektrischen Kontaktdurchführungen werden, die von einer Seite der jeweiligen Scheibe zur anderen Seite der Scheibe führen.

Anschließend werden die Scheiben planarisiert und poliert, damit sie eine geringe Dickenschwankung, planparallele Oberflächen und eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Dieser Schritt ist vergleichbar mit dem Polieren von Glas- oder Siliziumwafern. Bei dem hier beschriebenen Verfahren sind jedoch zwei Materialien, das Bondglas einerseits und die Kontaktdurchführungen andererseits, gleichzeitig zu bearbeiten. Abschließend werden die Scheiben gereinigt, um Rückstände, wie z. B. Metall oder Schleifmittelrückstände und Partikel von der Oberfläche zu entfernen.

Die so hergestellten Bondgläser werden gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der beschriebenen Aktoren bzw. Sensoren verwendet. Dabei wird ein Siliziumwafer mit einem Deckelwafer aus Glas verbunden. Bei einem Aufbau aus mehr als zwei Wafern, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein zusätzlicher Bodenwafer aus Glas verwendet. Dabei wird zwischen den Wafern ein Hohlraum ausgebildet, in dem das Sensor- und/oder Aktorelement z. B. durch metallische Schichten ausgestaltet wird. Über Kontaktdurchführungen, die aus dem Bauelementinneren zum Bauelementäußeren führen, wird dieses Sensor- und/oder Aktorelement bzw. die darin enthaltene Leiterbahnen, Elektrodenflächen und/oder der Siliziumwafer, elektrisch angeschlossen. Der Anschluß erfolgt über die eingeschmolzenen Kontaktdurchführungen, die vertikal zum Deckel- bzw. Bodenwafer verlaufen. Dabei können die Innen- und/oder die Außenseite des Deckel- bzw. Bodenwafers zusätzlich mit mindestens einer strukturierten Metallschicht versehen werden, die als Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Elektrodenflächen dienen. Der Deckel- bzw. Bodenwafer wird mittels einem anodischen Bondverfahren mit dem Siliziumwafer verbunden, um den fertigen Bauelementaufbau zu erhalten.

Die Bondfläche zwischen dem Glaswafer 2, 2a, 2b und dem Siliziumwafer 3, 3a weist einen geschlossenen Bondrahmen auf. Die elektrischen Kontaktdurchführungen 6a, 6b, 6c kreuzen diesen Bondrahmen nicht, sondern verlaufen vertikal zur Bondfläche.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind zusammengefaßt:

• - vereinfachte Herstellung insbesondere von hermetisch verschlossenen Bauelementen mit elektrischen Anschlüssen, die in das Bauelementinnere führen;
• - große hermetische Dichtheit und chemische Beständigkeit der Kontaktdurchführungen;
• - geringer ohm'scher Widerstand der Kontaktdurchführungen;
• - geringe Substratkapazitäten bzw. geringe Streukapazitäten;
• - geringe Bauelementgröße und damit geringe Herstellungskosten;
• - vereinfachte Aufbau- und Verbindungstechnologie.

Claims (17)

1. Mikromechanisches Bauelement, mit:
einem ersten Wafer (2; 2a, 2b), der aus Glas gefertigt ist,
mindestens einem zweiten Wafer (3; 3a), der mit dem ersten Wafer (2; 2a, 2b) verbunden ist, um einen Innenraum (5; 5a, 5b) auszubilden, und
ein oder mehreren Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) zur elektrischen Verbindung des Innenraums (5; 5a, 5b) mit dem Außenraum,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine oder mehreren Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) durch einen oder mehrere Metalldrähte gebildet werden, die bei der Herstellung des ersten Wafers (2a, 2b, 2c) von geschmolzenem Glas umgossen wurden.

2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer (2, 3; 2a, 2b, 3a) parallel zueinander angeordnet sind und die Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) senkrecht zur Waferebene ausgerichtet sind.

3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wafer (3; 3a) an der Grenzfläche (4) zum ersten Wafer (2; 2a, 2b) eine Vertiefung und/oder laterale Strukturierung aufweist, die zur Ausbildung des Innenraums (5; 5a, 5b) durch den ersten Wafer (2; 2a, 2b) deckelartig verschlossen ist.

4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wafer (2; 2a, 2b) an seiner im Innenraum (5; 5a, 5b) gelegenen Seite (22) und/oder an der Grenzfläche (4) zum zweiten Wafer (3; 3a) Metall- oder Leiterbahnstrukturen (8a, 8b, 8c, 8d) aufweist, die an die Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) angeschlossen sind.

5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (5; 5a, 5b) ein Sensor- und/oder Aktorelement (81) ausgebildet ist, das über die Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) mit dem Außenraum elektrisch verbunden ist.

6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wafer (3; 3a) aus Silizium gefertigt ist und mit mindestens einer Kontaktdurchführung (6a, 6c) im ersten Wafer (2; 2a, 2b) elektrisch verbunden ist.

7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite (22) und/oder der Außenseite (21; 21a, 21b) der Wafer (2; 2a, 2b) eine oder mehrere strukturierte Metallschichten (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c, 8d) ausgebildet sind.

8. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer (2, 3; 2a, 2b, 3a) durch anodisches Bonden miteinander verbunden sind.

9. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der im Innenraum (5) gelegenen Seite des ersten Wafers (2) eine Elektrodenfläche (8a) ausgebildet ist, die einer Fläche des zweiten Wafers (3) gegenüberliegt um eine Meßkapazität (81) und/oder ein Aktorelement zu bilden.

10. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wafer aus Glas (2a, 2b) mit den eingegossenen Metalldrähten (6a, 6b, 6c) auf beiden Seiten eines Siliziumwafers (3a) angeordnet ist.

11. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Druck-, Beschleunigungs- oder Drehratensensor ausgebildet ist.

12. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wafer aus Glas (2; 2a, 2b) durch Zerteilen eines Glasblocks mit darin eingegossenen Metalldrähten in einzelne Scheiben gefertigt sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Glaswafers (2; 2a, 2b),
Verbinden des Glaswafers mit einem weiteren Wafer (3; 3a, 3b), der an seiner Oberfläche eine Vertiefung und/oder laterale Strukturierung aufweist, so daß die Vertiefung oder laterale Strukturierung einen Innenraum (5; 5a, 5b) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Glaswafers (2; 2a, 2b) Metalldrähte fixiert und mit geschmolzenem Glas umgossen werden, um Kontaktdurchführungen (6a, 6b, 6c) zur Verbindung des Innenraums (5; 5a, 5b) mit dem Außenraum zu bilden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer und/oder beiden Seiten (21; 21a, 21b) des Glaswafers (2; 2a, 2b) eine strukturierte Metallschicht (7a, 7b, 7c) aufgebracht wird, die mit den Metalldrähten in Kontakt ist und nach dem Verbinden mit dem weiteren Wafer (3; 3a) als Leiterbahn-, Kontakt- und/oder Elektrodenfläche dient.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umgießen der Metalldrähte mit Glas die Metalldrähte so positioniert werden, daß sich unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung die Kontaktpositionen des herzustellenden Bauelements ergeben.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium möglichst nahe kommt.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung des Glaswafers (2; 2a, 2b) Metalldrähte fixiert und mit geschmolzenem Glas umgossen werden, wobei der entstehende Glasblock anschließend in Scheiben geteilt wird, so daß die Metalldrähte jeweils von einer Seite der Scheibe zur anderen Seite führen.