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WO2018069028A1 - Mikromechanischer sensor mit stressentkopplungsstruktur - Google Patents

Mikromechanischer sensor mit stressentkopplungsstruktur Download PDF

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WO2018069028A1
WO2018069028A1 PCT/EP2017/074181 EP2017074181W WO2018069028A1 WO 2018069028 A1 WO2018069028 A1 WO 2018069028A1 EP 2017074181 W EP2017074181 W EP 2017074181W WO 2018069028 A1 WO2018069028 A1 WO 2018069028A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
micromechanical
substrate
sensor
functional layer
movable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/074181
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Beintner
Christoph Schelling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US16/340,770 priority patent/US10954120B2/en
Publication of WO2018069028A1 publication Critical patent/WO2018069028A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0045—Packages or encapsulation for reducing stress inside of the package structure
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Definitions

  • the invention relates to a micromechanical sensor.
  • the invention further relates to a method for producing a micromechanical sensor.
  • Yaw rates are mass produced for a variety of automotive and consumer applications.
  • Today's inertial sensors are sensitive to externally coupled mechanical stress, which can disadvantageously reduce their accuracy.
  • US Pat. No. 7,170,140 A1 discloses a structure which enables extensive stress decoupling. However, the production requires an expensive layer transfer process. From US 6,893,928 B2 and from I. Mizushima, T. Sato, S. Taniguchi, Y.
  • Tsunashima "Empty-space-in-silicon technique for fabricating a silicon-on-nothing structure", Applied Physics Letters, Vol. 77, Number 20, 13 November 2000, is a so-called SON (silicon-on-nothing) substrate. with a cavity in the substrate or a method for producing a membrane known.
  • SON silicon-on-nothing
  • a principle of stress decoupling trenches for micromechanical components is furthermore known from DE 10 2014 210 945 A1. Disclosure of the invention
  • micromechanical sensor comprising:
  • Functional layer circumferentially formed and extending into the substrate to the cavity vertical trench structure.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor, comprising the steps:
  • An advantageous embodiment of the micromechanical sensor is characterized in that a membrane formed in the first functional layer and delimited by the trench structure is anchored vertically and / or laterally to the substrate.
  • a membrane formed in the first functional layer and delimited by the trench structure is anchored vertically and / or laterally to the substrate.
  • different mounting possibilities for the membrane formed in the first functional layer are thereby provided. This advantageously increases design freedom for the stress decoupling structure.
  • a further advantageous embodiment of the micromechanical sensor provides that fixing elements of the movable micromechanical structures on the first functional layer and fixing elements of the first functional layer on the substrate are arranged substantially one above the other. This advantageously results in identical pivot points being present for the movable micromechanical structures and for the electrode structure arranged therebelow, as a result of which false signals are substantially prevented.
  • micromechanical sensor are characterized in that the cavity is provided by means of an APSM cavern or a SON cavern or by means of a cSOI substrate. In this way, advantageously different possibilities are provided to provide a cavity below the movable micromechanical structures. This advantageously increases design freedom for the stress decoupling structure.
  • a further advantageous embodiment of the micromechanical sensor is characterized in that the vertical trench structure is bridged by means of a bridging element. In this way, for example, advantageously an electrical supply of the micromechanical structures can be realized.
  • a further advantageous embodiment of the micromechanical sensor is characterized in that the bridging element is spring-like. In this way, favorable mechanical properties are provided for the bridging element.
  • Acceleration sensor, rotation rate sensor or pressure sensor is formed. This can advantageously different types of micromechanical
  • Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means
  • 1 shows a schematic representation of a conventional micromechanical sensor without external stress
  • 2 is a schematic representation of the conventional micromechanical sensor with external stress
  • Fig. 3 is a schematic representation of a functional principle of
  • FIGS. 5 to 11 show a process flow for producing an embodiment of the micromechanical sensor according to the invention.
  • FIG. 12 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical sensor according to the invention.
  • a central idea of the present invention is the provision of a
  • the proposed architecture and the corresponding manufacturing method of the micromechanical sensor lead to a substantial stress decoupling of the MEMS structure from the surrounding substrate and thus make it possible to display highly sensitive micromechanical inertial components.
  • the integration environment e.g., circuit board
  • packaging of a circuit board e.g., circuit board
  • Inertial devices e.g., mold casings
  • micromechanical inertial devices that may result in deformation due to various thermal expansion coefficients of the materials used. As the temperature changes, changes in these deformations will occur, which will act as measured false signals and adversely reduce the accuracy of the inertial devices.
  • the proposed micromechanical sensor for example for infrared sensor arrays, acceleration sensors, rotation rate sensors, pressure sensors as well as combinations of the aforementioned sensors in sensor clusters can be used.
  • FIG. 1 schematically shows a conventional micromechanical inertial sensor with a substrate 10, on which a first functional layer 20 (not shown) and a second functional layer 30 with movable micromechanical structures (not shown) are arranged. Shown is a situation without externally applied mechanical stress, wherein the device is not deformed and the plane of the movable micromechanical structures and the substrate 10 are formed substantially planar.
  • Fig. 2 shows a situation of the conventional arrangement of Fig. 1 with externally applied stress, whose effect is indicated by two rotation arrows.
  • the component is deformed mainly in the z-direction, wherein released structures are not bent with functional elements anchored directly to the substrate 10 (e.g., rigid detection electrodes, not shown), on the other hand.
  • functional elements anchored directly to the substrate 10 (e.g., rigid detection electrodes, not shown), on the other hand.
  • this results in a geometric displacement between released and vertically anchored functional elements, which is detected as an unwanted electrical false signal.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the proposed architecture.
  • Functional layer 30 with the movable micromechanical structures substantially unmoved and is thus advantageously not bent by externally applied mechanical stress.
  • no or only very small electrical fault signals are generated when the arrangement is bent.
  • Fig. 4 shows a schematic cross-sectional view through a first
  • Embodiment of the proposed micromechanical sensor 100 It can be seen a substrate 10, on which a first functional layer 20 is arranged, wherein in the first functional layer 20, one or more electrodes 21 are arranged. Within the first functional layer 20 are a substrate 10, on which a first functional layer 20 is arranged, wherein in the first functional layer 20, one or more electrodes 21 are arranged. Within the first functional layer 20 are a substrate 10, on which a first functional layer 20 is arranged, wherein in the first functional layer 20, one or more electrodes 21 are arranged. Within the first functional layer 20 are a first functional layer 20.
  • Etch stop layer 22 and an oxide layer 23 are arranged. On the first
  • Functional layer 20 is a second functional layer 30 is arranged in which movable micromechanical structures 31 (MEMS structures) are formed, which cooperate with the electrode 21 of the first functional layer 20 and generate a measured electrical signal of the micromechanical sensor 100 in a defined movement of the movable structures 31 ,
  • MEMS structures movable micromechanical structures
  • a cavity 1 1 is formed, which can be provided by different processes known per se, for example in the form of an APSM membrane (English, advanced porous silicon membrane) or a SON membrane (engl, silicon-on-nothing ) or by using a csoi substrate (cavity substrate insulator).
  • APSM membrane English, advanced porous silicon membrane
  • SON membrane engaging, silicon-on-nothing
  • csoi substrate cavity substrate insulator
  • a vertical trench structure 40 which penetrates the first functional layer 20 and extends into the substrate 10 to approximately at the level of the cavity 11, is formed circumferentially around the movable micromechanical structures 31. In this way, in a section of the first functional layer 20, together with a portion of the substrate 10, a membrane is created, which is anchored vertically to the rest of the substrate 10 on four support elements 20d.
  • the vertical trench structure 40 by means of the vertical trench structure 40, four pivot points are provided for said membrane about which the substrate 10 can rotate without thereby rotating the movable micromechanical structures 31 disposed on said membrane.
  • a mechanical decoupling of the movable micromechanical structures 31 from the substrate 10 is thereby realized, as a result of which a mechanical insensitivity of the micromechanical sensor 100 is increased by largely avoiding electrical fault signals due to mechanical stress externally acting on the sensor 100.
  • the described vertical anchoring of the membrane to the substrate 10 has the advantage that no in-plane stress is coupled into the movable micromechanical structures 31.
  • the membrane region M is bounded in this way laterally by a circulating stress isolation trench, which is spanned only by electrical supply elements (not shown).
  • the anchoring membrane does not cause out-of-plane bending moments of the substrate due to the lack of power transmission to the MEMS elements
  • a cap wafer 60 is arranged on the second functional layer 30 by means of a bond connection.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a substrate 10 in which a cavity 11 is formed.
  • a latticed structure is formed by an anisotropic and optionally an isotropic etching process.
  • Fig. 6 shows a closure of the grid by epitaxy or by a thermal reflow process. Subsequently, a deposition of a
  • Substrate contact holes 20b can be seen.
  • FIG. 7 The cross-sectional view of FIG. 7 indicates that a trench was conducted through the oxide grid and that a polysilicon layer 20c was preferably deposited on the oxide grid. This is followed by a structuring of electrical wiring lines.
  • a right portion of Fig. 7 is a Top view of the membrane region M recognizable, wherein support columns 20d of the membrane can be seen and spring-like bridging elements 20e, via which an electrical connection of the micromechanical structures.
  • a sectional plane indicated by two support columns 20d corresponds to the sectional view of the left-hand area of FIG. 7.
  • the spring-like structure of the bridging elements 20e advantageously results in a high flexibility in order to ensure the best possible stress decoupling. Conceivable, however, would be alternative also other web forms, for example, multiple meander. It is also conceivable, on different sides of the membrane (for
  • Example above and below each provide a spring bar.
  • the first functional layer 20 is completed by depositing and structuring further functional levels.
  • an etching stop layer 22 is deposited for the subsequent sacrificial layer etching and an oxide or sacrificial layer 23 is deposited. Thereafter, the oxide layer 23 and optionally the etch stop layer 22 are patterned.
  • FIG. 9 shows a deposition of a second functional layer 30, preferably in the form of polycrystalline silicon. This is followed by a deposition of a first metallization level 50a (for example
  • Fig. 11 shows a result of a final capping of the entire structure by wafer bonding as well as exposure and isolation of bond pads by means of etching.
  • the wafer bonding method is preferably a metallic bonding method, since not only a tightness of the sensor cavern (cap cavern) around the membrane area is to be ensured via such a bonding method, but also the electrical chip-to-chip contacts between First and second functional layers 20, 30.
  • suitable metallic bonding methods are Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, Al-Al, Cu-Cu, Au-Au. Also provided are stops to prevent sticking.
  • a cap cavern is formed within the cap wafer.
  • FIG. 12 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical structure.
  • a substrate 10 having a cavity 11 formed therein is provided.
  • a first functional layer 20 is formed on the substrate 10.
  • a formation of a second functional layer 30 with movable micromechanical structures 31 is performed on the first functional layer 20, wherein the movable micromechanical structures 31 are formed in a region of the second functional layer 30 above the cavity 11.
  • a formation of a vertical trench structure 40 around the movable micromechanical structures 31 into the substrate up to the cavity 11 is carried out.
  • a separate vertical trench structure 40 is preferably formed for each individual sensor functional unit, as a result of which entire sensor arrays are advantageously stress-decoupled.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend: - ein Substrat (10); eine auf dem Substrat (10) angeordnete erste Funktionsschicht (20); - eine auf der ersten Funktionsschicht (20) angeordnete zweite Funktionsschicht (30) mit beweglichen mikromechanischen Strukturen (31); eine im Substrat (10) unterhalb der beweglichen mikromechanischen Strukturen (31) angeordnete Kavität (11); und eine um die beweglichen mikromechanischen Strukturen (31) der zweiten Funktionsschicht (30) umlaufend ausgebildete und sich in das Substrat (10) bis zur Kavität (11) erstreckende vertikale Grabenstruktur (40).

Description

Beschreibung Titel
MIKROMECHANISCHER SENSOR MIT STRESSENTKOPPLUNGSSTRUKTUR
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
Stand der Technik Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und
Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer- Bereich in Massenfertigung hergestellt. Heutige Inertialsensoren sind empfindlich gegenüber von außen eingekoppeltem mechanischem Stress, was in nachteiliger Weise ihre Genauigkeit reduzieren kann.
US 7 170 140 A1 offenbart eine Struktur, die eine weitgehende Stressentkopplung ermöglicht. Die Herstellung erfordert jedoch ein teures Layer- Transferverfahren. Aus US 6 893 928 B2 und aus I. Mizushima, T. Sato, S. Taniguchi, Y.
Tsunashima,„Empty-space-in-silicon technique for fabricating a silicon-on- nothing structure, Applied physics letters, Vol. 77, number 20, 13 November 2000 sind ein sogenanntes SON-Substrat (engl, silicon-on-nothing) mit einer Kavität im Substrat bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Membran bekannt.
US 7 843 025 B2 offenbart oberflächenmikromechanische Verfahren zur
Herstellung von Membranen.
Ein Prinzip von Stressentkopplungsgräben für mikromechanische Bauelemente ist ferner aus DE 10 2014 210 945 A1 bekannt. Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hinsichtlich externer
mechanischer Stressbelastung verbesserten mikromechanischen Sensor
bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:
ein Substrat;
- eine auf dem Substrat angeordnete erste Funktionsschicht;
eine auf der ersten Funktionsschicht angeordnete zweite Funktionsschicht mit beweglichen mikromechanischen Strukturen;
eine im Substrat unterhalb der beweglichen mikromechanischen Strukturen angeordnete Kavität; und
- eine um die beweglichen mikromechanischen Strukturen der zweiten
Funktionsschicht umlaufend ausgebildete und sich in das Substrat bis zur Kavität erstreckende vertikale Grabenstruktur.
Auf diese Weise wird für den mikromechanischen Sensor eine Stressentkop- plungsstruktur bereitgestellt, die eine Einwirkung von extern wirkendem Stress auf das Sensorelement und dadurch Fehlsignale vermeiden bzw. stark
reduzieren kann. Eine verbesserte Funktionsweise des mikromechanischen
Sensors ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt. Im Wesentlichen wird dies dadurch erreicht, dass Dreh- bzw. Angelpunkte für die beweglichen
mikromechanischen Strukturen geschaffen werden, um die sich die gesamte
Struktur verdrehen kann, wodurch die beweglichen mikromechanischen
Strukturen im Wesentlichen auch bei extern wirkendem Stress unbewegt bleiben und dadurch keine elektrischen Sensor-Fehlsignale generieren. Im Ergebnis wird eine verbesserte Stressentkopplung der elektromechanischen
Struktur vom umgebenden Substrat bereitgestellt, wodurch eine Realisierung von hochempfindlichen mikromechanischen Sensoren möglich ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats mit einer darin ausgebildeten Kavität; - Ausbilden einer ersten Funktionsschicht auf dem Substrat;
- Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht mit beweglichen mikromechanischen beweglichen Strukturen auf der ersten Funktionsschicht, wobei die beweglichen mikromechanischen Strukturen in einem Bereich der zweiten Funktionsschicht oberhalb der Kavität ausgebildet werden; und
- Ausbilden einer vertikalen Grabenstruktur um die beweglichen mikromechanischen Strukturen herum in das Substrat bis zur Kavität.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind
Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass eine in der ersten Funktionsschicht ausgebildete und von der Grabenstruktur begrenzte Membran am Substrat vertikal und/oder lateral verankert ist. Vorteilhaft werden dadurch unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten für die in der ersten Funktionsschicht ausgebildete Membran bereitgestellt. Dadurch ist eine Designfreiheit für die Stressentkopplungsstruktur vorteilhaft erhöht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors sieht vor, dass Fixierelemente der beweglichen mikromechanischen Strukturen an der ersten Funktionsschicht und Fixierelemente der ersten Funktionsschicht am Substrat im Wesentlichen übereinander angeordnet sind. Daraus resultiert vorteilhaft, dass für die beweglichen mikromechanischen Strukturen und für die darunter angeordnete Elektrodenstruktur identische Dreh- bzw. Angelpunkte vorhanden sind, wodurch Fehlsignale im Wesentlichen verhindert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität mittels einer APSM-Kaverne oder einer SON-Kaverne oder mittels eines cSOI-Substrats bereitgestellt ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche Möglichkeiten bereitgestellt, eine Kavität unterhalb der beweglichen mikromechanischen Strukturen vorzusehen. Dadurch ist eine Designfreiheit für die Stressentkopplungsstruktur vorteilhaft erhöht. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die vertikale Grabenstruktur mittels eines Überbrückungselements überbrückt ist. Auf diese Weise kann beispielsweise vorteilhaft eine elektrische Anspeisung der mikromechanischen Strukturen realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Überbrückungselement federartig ausgebildet ist. Auf diese Weise werden günstige mechanische Eigenschaften für das Überbrückungselement bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass der mikromechanische Sensor als
Beschleunigungssensor, Drehratensensor oder Drucksensor ausgebildet ist. Dadurch können vorteilhaft unterschiedliche Typen von mikromechanischen
Sensoren mittels des erfindungsgemäßen Prinzips realisiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Ele- mente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche
Bezugszeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet
insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt: Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines herkömmlichen mikromechanischen Sensors ohne externen Stress; Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des herkömmlichen mikromechanischen Sensors mit externem Stress;
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Funktionsprinzips des
erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors;
Fig. 5... 11 einen Prozessfluss zum Herstellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors; und
Fig. 12 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Stressentkopplungsstruktur für einen mikromechanischen Sensor. Die vorgeschlagene Architektur und das zugehörige Herstellverfahren des mikromechanischen Sensors führen zu einer weitgehenden Stressentkopplung der MEMS-Struktur vom umgebenden Substrat und ermöglichen auf diese Weise eine Darstellung von hochempfindlichen mikromechanischen Inertialbau- elementen.
Die Integrationsumgebung (z.B. Leiterplatte) und die Verpackung eines
Inertialbauelements (z.B. Moldgehäuse) koppeln herkömmlich aufgrund verschiedener thermischer Expansionskoeffizienten der verwendeten Materialien mechanischen Stress in mikromechanische Inertialbauelemente ein, die zu Deformationen führen können. Bei Temperaturänderungen treten Änderungen dieser Deformationen auf, die sich als gemessene Fehlsignale auswirken und die Genauigkeit der Inertialbauelemente in nachteiliger weise reduzieren.
Vorteilhaft kann der vorgeschlagene mikromechanischen Sensor z.B. für Infrarot- Sensor-Arrays, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Drucksensoren sowie von Kombinationen der vorgenannten Sensoren in Sensorclustern verwendet werden.
Fig. 1 zeigt schematisch einen herkömmlichen mikromechanischen Inertialsensor mit einem Substrat 10, auf dem eine erste Funktionsschicht 20 (nicht dargestellt) und eine zweite Funktionsschicht 30 mit beweglichen mikromechanischen Strukturen (nicht dargestellt) angeordnet ist. Gezeigt ist eine Situation ohne extern einwirkenden mechanischen Stress, bei dem das Bauelement nicht deformiert ist und die Ebene der beweglichen mikromechanischen Strukturen und das Substrat 10 im Wesentlichen planar ausgebildet sind.
Fig. 2 zeigt eine Situation der herkömmlichen Anordnung von Fig. 1 mit extern einwirkendem Stress, dessen Wirkung durch zwei Drehpfeile angedeutet ist. In diesem Falle wird das Bauelement vor allem in z-Richtung deformiert, wobei freigestellte Strukturen nicht mit verbogen werden, direkt am Substrat 10 verankerte Funktionselemente (z.B. starre Detektionselektroden, nicht dargestellt), hingegen schon. Im Ergebnis resultiert daraus eine geometrische Verschiebung zwischen freigestellten und vertikal verankerten Funktionselementen, die als ein unerwünschtes elektrisches Fehlsignal detektiert wird.
Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Darstellung der vorgeschlagenen Architektur.
Vorgesehen sind vertikale Verankerungen einer sogenannten„Membran" am Substrat 10 und eine im Substrat 10 unterhalb der Membran ausgebildete Kavität 1 1. Im Ergebnis werden dadurch Dreh- bzw. Angelpunkte P1 , P2 geschaffen, um die sich das Substrat 10 gegenüber der Membran verbiegen bzw. verdrehen kann, wodurch erreicht wird, dass die Deformation des Substrats 10 nicht auf die Membranfläche übertragen wird. Im Ergebnis bleibt dadurch die zweite
Funktionsschicht 30 mit den beweglichen mikromechanischen Strukturen im Wesentlichen unbewegt und wird dadurch vorteilhaft durch extern einwirkenden mechanischen Stress nicht verbogen. Vorteilhaft werden dadurch bei einer Verbiegung der Anordnung keine bzw. nur sehr geringe elektrische Fehlsignale generiert.
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine erste
Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100. Man erkennt ein Substrat 10, auf dem eine erste Funktionsschicht 20 angeordnet ist, wobei in der ersten Funktionsschicht 20 eine oder mehrere Elektroden 21 angeordnet sind. Innerhalb der ersten Funktionsschicht 20 sind eine
Ätzstoppschicht 22 und eine Oxidschicht 23 angeordnet. Auf der ersten
Funktionsschicht 20 ist eine zweite Funktionsschicht 30 angeordnet, in der bewegliche mikromechanische Strukturen 31 (MEMS-Strukturen) ausgebildet sind, die mit der Elektrode 21 der ersten Funktionsschicht 20 zusammenwirken und bei einer definierten Bewegung der beweglichen Strukturen 31 ein elektrisches Messsignal des mikromechanischen Sensors 100 generieren.
Im Substrat 10 ist eine Kavität 1 1 ausgebildet, die durch unterschiedliche, an sich bekannte Prozesse bereitgestellt werden kann, beispielsweise in Form einer APSM-Membran (engl, advanced porous Silicon membrane) oder einer SON- Membran (engl, silicon-on-nothing) oder durch Verwendung eines cSOI- Substrats (engl, cavity Substrate on insulator).
Um die beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 ist umlaufend eine vertikale Grabenstruktur 40 ausgebildet, die die erste Funktionsschicht 20 durchdringt und sich in das Substrat 10 bis ca. auf Höhe der Kavität 11 erstreckt. Auf diese Weise wird in einem Abschnitt der ersten Funktionsschicht 20 zusammen mit einem Abschnitt des Substrats 10 eine Membran geschaffen, die auf vier Stützelementen 20d vertikal am restlichen Substrat 10 verankert ist.
Mittels der vertikalen Grabenstruktur 40 werden somit vier Dreh- bzw. Angelpunkte für die genannte Membran bereitgestellt, um die sich das Substrat 10 drehen kann, ohne dadurch die auf der genannten Membran angeordneten beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 zu verdrehen. Im Ergebnis ist dadurch eine mechanische Entkopplung der beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 vom Substrats 10 realisiert, wodurch eine mechanische Un- empfindlichkeit des mikromechanischen Sensors 100 erhöht ist, indem elektrische Fehlsignale aufgrund von extern auf den Sensor 100 einwirkendem mechanischem Stress weitgehend vermieden werden. Die beschriebene vertikale Verankerung der Membran am Substrat 10 hat den Vorteil, dass kein in- plane-Stress in die beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 eingekoppelt wird. Der Membranbereich M wird auf diese Weise lateral von einem umlaufenden Stressisolations- bzw. Stressentkopplungsgraben begrenzt, der nur von elektrischen Zuleitungselementen (nicht dargestellt) überspannt wird. Die verankernde Membran bewirkt, dass out-of-plane Verbiegungsmomente des Substrats wegen der fehlenden Kraftübertragung nicht an die MEMS-Elemente
31 weitergegeben werden.
Alternativ wäre es auch denkbar, die genannte Membran lateral am Substrat 10 zu verankern (nicht dargestellt).
Mittels eines Bondrahmens 50 ist auf der zweiten Funktionsschicht 30 ein Kappenwafer 60 mittels einer Bondverbindung angeordnet.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 5 bis 11 ein Prozessfluss zum Herstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen Sensors 100 erläutert. Auf eine
Darstellung von näheren Details der Prozessführung wird hier verzichtet, da es sich dabei um an sich bekannte Prozessschritte von Standardverfahren der Oberflächenmikromechanik handelt. Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht eines Substrats 10, in dem eine Kavität 11 ausgebildet wird. Dabei wird mittels eines bekannten oberflächenmikro- mechanischen Prozesses, z.B. mittels eines APSM-Prozesses oder eines SON- Prozesses im Substrat 10 eine gitterförmige Struktur durch einen anisotropen und gegebenenfalls einen isotropen Ätzprozess ausgebildet.
Fig. 6 zeigt einen Verschluss des Gitters durch Epitaxie oder durch einen thermischen Reflow-Prozess. Nachfolgend erfolgt ein Abscheiden einer
Oxidschicht 20a sowie ein Ausbilden von Substrat-Kontaktlöchern 20b. Danach erfolgt ein Erzeugen eines Oxidgitters im vorgesehenen Bereich der künftigen Stressisolationsgräben, deren Grundstrukturen als Kavitäten unterhalb der
Substrat-Kontaktlöcher 20b erkennbar sind.
Die Querschnittansicht von Fig. 7 deutet an, dass durch das Oxidgitter hindurch ein Trench durchgeführt wurde und auf das Oxidgitter vorzugsweise eine Poly- silizium-Schicht 20c abgeschieden wurde. Danach erfolgt eine Strukturierung von elektrischen Verdrahtungsleitungen. In einem rechten Abschnitt der Fig. 7 ist eine Draufsicht auf den Membranbereich M erkennbar, wobei Stützsäulen 20d der Membran erkennbar sind und federartig ausgebildete Überbrückungselemente 20e, über die eine elektrische Anbindung der mikromechanischen Strukturen erfolgt. Eine durch zwei Stützsäulen 20d angedeutete Schnittebene entspricht dabei der Schnittansicht des linken Bereichs von Fig. 7.
Die federartige Struktur der Überbrückungselemente 20e ergibt vorteilhaft eine hohe Nachgiebigkeit, um eine möglichst gute Stressentkopplung sicherzustellen. Denkbar wären hier aber alternativ auch andere Stegformen, zum Beispiel Mehrfachmäander. Denkbar ist auch, an verschiedenen Membranseiten (zum
Beispiel oben und unten) jeweils einen Federsteg vorzusehen.
In Fig. 8 erkennt man, dass die erste Funktionsschicht 20 durch ein Abscheiden und Strukturieren weiterer Funktionsebenen vervollständigt wird. Optional erfolgt eine Abscheidung einer Ätzstoppschicht 22 für das nachfolgende Opferschichtätzen und ein Abscheiden einer Oxid- bzw. Opferschicht 23. Danach erfolgt eine Strukturierung der Oxidschicht 23 und gegebenenfalls der Ätzstoppschicht 22.
In Fig. 9 erkennt man eine Abscheidung einer zweiten Funktionsschicht 30, vorzugsweise in Form von polykristallinem Silizium. Daran anschließend erfolgt eine Abscheidung einer ersten Metallisierungsebene 50a (zum Beispiel
Aluminium) für Bondpads und als Bondmetallisierung für ein nachfolgend auszubildendes Bondinterface 50. In der Querschnittansicht von Fig. 10 ist angedeutet, dass die zweite Funktionsschicht 30 strukturiert wird, wodurch bewegliche mikromechanische Strukturen 31 gebildet werden. Ferner erfolgen ein Freilegen der mechanischen Funktionsbereiche sowie eine Erzeugung der oben erläuterten vertikalen Grabenstruktur 40 mittels Opferschichtätzen.
Fig. 1 1 zeigt ein Ergebnis einer finalen Verkappung der gesamten Struktur mittels Waferbonden sowie ein Freilegen und Isolieren von Bondpads mittels Ätzen. Beim Waferbondverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein metallisches Bondverfahren, da über ein derartiges Bondverfahren nicht nur eine Dichtheit der Sensorkaverne (Kappenkaverne) um den Membranbereich herum sichergestellt werden soll, sondern auch die elektrischen Chip-to-Chip-Kontakte zwischen erster und zweiter Funktionsschicht 20, 30. Beispiele für geeignete metallische Bondverfahren sind Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, AI-AI, Cu-Cu, Au-Au. Vorgesehen sind auch Anschläge zur Vermeidung von Kleben. Innerhalb des Kappenwafers ist eine Kappenkaverne ausgebildet.
Fig. 12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur.
In einem Schritt 200 wird ein Substrat 10 mit einer darin ausgebildeten Kavität 11 bereitgestellt.
In einem Schritt 210 wird eine erste Funktionsschicht 20 auf dem Substrat 10 ausgebildet. In einem Schritt 220 wird ein Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht 30 mit beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 auf der ersten Funktionsschicht 20 durchgeführt, wobei die beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 in einem Bereich der zweiten Funktionsschicht 30 oberhalb der Kavität 11 ausgebildet werden.
In einem Schritt 230 wird ein Ausbilden einer vertikalen Grabenstruktur 40 um die beweglichen mikromechanischen Strukturen 31 herum in das Substrat bis zur Kavität 1 1 durchgeführt. Im Falle, dass der mikromechanische Sensor 100 mehrere Sensor-Funktionseinheiten aufweist, wird vorzugsweise für jede einzelne Sensor-Funktionseinheit eine eigene vertikale Grabenstruktur 40 ausgebildet, wodurch in vorteilhafter Weise ganze Sensor-Arrays stressentkoppelt sind. Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der
Erfindung abzuweichen.

Claims

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend:
- ein Substrat (10);
eine auf dem Substrat (10) angeordnete erste Funktionsschicht (20);
eine auf der ersten Funktionsschicht (20) angeordnete zweite Funktionsschicht
(30) mit beweglichen mikromechanischen Strukturen (31);
eine im Substrat (10) unterhalb der beweglichen mikromechanischen
Strukturen (31) angeordnete Kavität (11); und
eine um die beweglichen mikromechanischen Strukturen (31) der zweiten Funktionsschicht (30) umlaufend ausgebildete und sich in das Substrat (10) bis zur Kavität (1 1) erstreckende vertikale Grabenstruktur (40).
Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine in der ersten Funktionsschicht (20) ausgebildete und von der Grabenstruktur (40) begrenzte Membran am Substrat (10) vertikal
und/oder lateral verankert ist.
Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass Fixierelemente der beweglichen mikromechanischen Strukturen (31) an der ersten Funktionsschicht (20) und Fixierelemente (20d) der ersten Funktionsschicht (20) am Substrat (10) im Wesentlichen
übereinander angeordnet sind.
Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (11) mittels einer APSM-Kaverne oder einer SON-Kaverne oder mittels eines cSOI-Substrats bereitgestellt ist.
5. Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Grabenstruktur (40) mittels eines Überbrückungselements (20e) überbrückt ist. Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (20e) federartig ausgebildet ist.
Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanische Sensor (100) als Beschleunigungssensor, Drehratensensor oder Drucksensor ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer darin ausgebildeten Kavität
(1 1);
- Ausbilden einer ersten Funktionsschicht (20) auf dem Substrat (10);
- Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht (30) mit beweglichen mikromechanischen beweglichen Strukturen (31) auf der ersten
Funktionsschicht (20), wobei die beweglichen mikromechanischen Strukturen (31) in einem Bereich der zweiten Funktionsschicht (30) oberhalb der Kavität (1 1) ausgebildet werden; und
- Ausbilden einer vertikalen Grabenstruktur (40) um die beweglichen
mikromechanischen Strukturen (31) herum in das Substrat bis zur Kavität (1 1).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der mikromechanische Sensor (100) als ein mikromechanischer Drehratensensor oder als ein mikromechanischer Beschleunigungssensor oder als ein mikromechanischer Drucksensor ausgebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei im Falle, dass der mikromechanische Sensor (100) mehrere Funktionseinheiten aufweist, für jede
Funktionseinheit eine eigene vertikale Grabenstruktur (40) ausgebildet wird.
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