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Die Erfindung geht aus von einem
mikromechanischen Bauelement und einem Verfahren nach der Gattung
der nebengeordneten Ansprüche.
Es sind allgemein Gettermaterialien aus porösen Metallen bekannt, die dazu
eingesetzt werden, um Gase in abgeschlossenen Systemen zu binden.
Es soll in einem solchen abgeschlossenen System, wie beispielsweise
einem Hohlraum, ein niedriger Druck eingeschlossen werden, wobei
dieser Druck nahe dem Vakuum kommt. Mit Gettermaterialien können die eingeschlossenen
Gase gebunden und dadurch der Druck stark reduziert werden. Nachteilig
ist bei den bekannten Gettermaterialien, dass der Herstellprozess
solcher Gettermaterialien nicht tauglich ist, um in einem Halbleiterherstellungsprozess
eingesetzt zu werden. Weiterhin ist nachteilig bei dem bekannten Gettermaterialien,
dass diese nicht halbleitertauglich sind.
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Das mikromechanische Bauelement und
das Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben
dem gegenüber
den Vorteil, dass das Gettermaterial aus porösem Silizium vorgesehen ist.
Dieses poröse
Silizium kann problemlos in einen bestehenden Halbleiterprozess
integriert werden. Weiterhin ist poröses Silizium auch sehr gut
halbleitertauglich. Weiterhin ist es von Vorteil, dass das poröse Silizium
als kostengünstiges
Gettermaterial vorgesehen ist. Poröses Silizium bindet beispielsweise Sauerstoff
(02) durch die Bildung von Siliziumdioxid schon bei geringen
Temperaturen. Hierdurch ist es nicht notwendig, zur Aktivierung
von Gettermaterial in Form von porösem Silizium das Bauelement
auf hohe Temperaturen aufzuheizen, wie beispielsweise bei einem
Hochtemperatur-Temperverfahren. Weiterhin ist es von Vorteil, dass
das poröse
Silizium in Halbleiterprozesse wie beispielsweise CMOS, BCD und
dergleichen problemlos integrierbar ist und das poröse Silizium
als Gettermaterial beispielsweise beim Verkappen von Sensoren verwendet
werden kann, um den eingeschlossenen Druck zu minimieren. Weiterhin
ist es durch die Verwendung von porösem Silizium erfindungsgemäß vorteilhaft
vorgesehen, eine große
Oberfläche
zu erzeugen, insbesondere bis über
1000 m2 pro cm3,
wodurch eine hohe Gettereffektivität erreichbar ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen mikromechanischen Bauelements und des Verfahrens möglich. Besonders
vorteilhaft ist es, dass ein erstes Substrat und ein zweites Substrat
vorgesehen ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat
eine Zwischenschicht vorgesehen ist. Dadurch ist es mit besonders
einfachen Mitteln, beispielsweise mittels Wafer-Bonding, möglich, das
erste Substrat und das zweite Substrat dicht miteinander zu verbinden
und dadurch den Hohlraum herzustellen. Weiterhin ist es von Vorteil,
dass das erste und das zweite Substrat an der Zwischenschicht hermetisch
dicht miteinander verbunden sind. Dazu ist es erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich,
das durch das Gettermaterial in Form von porösem Silizium vorgesehene Vakuum
in dem Hohlraum zu halten. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass ein
erstes Substrat und eine Membran vorgesehen sind, wobei der Hohlraum
zwischen der Membran und dem ersten Substrat vorgesehen ist und
wobei der Bereich des porösen
Siliziums im ersten Substrat vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, auf
einfache Weise beispielsweise einen Absolutdrucksensor herzustellen,
der bereits auf geringe zu messende Drücke ein genaues Messergebnis
liefert, weil der zu vergleichende Druck im Innenraum des Hohlraums
sehr gering ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements,
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2 eine
erste Ausführungsform
des mikromechanischen Bauelements,
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3 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements,
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4 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements und
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5 eine
vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Bei der Herstellung von mikromechanischen Bauelementen
bzw. mikromechanischen Elementen, wie beispielsweise Beschleunigungs-,
Drehrate- oder Drucksensoren wird oftmals ein Hohlraum mit einem eingeschlossenen
Vakuum benötigt.
Der Hohlraum ist in allen Figuren mit dem Bezugszeichen 10 dargestellt.
Solche Hohlräume
bzw. Volumina 10 können auf
verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann eine
Vertiefung durch Ätzen
erzeugt werden. In einem darauffolgenden Schritt wird auf ein solchermaßen vorbehandeltes
erstes Substrat 20 ein zweites Substrat 30 gebondet,
wobei auch hier verschiedene Verfahren, wie insbesondere das Seal-Glas-Bonden,
das Wafer-Direktbonden
oder das anodische Bonden zum Einsatz kommen können. Weiterhin ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen,
das erste Substrat 20 mit dem zweiten Substrat 30 zu
verkleben oder zu löten.
Diese Verbindungsprozesse werden meistens im Vakuum durchgeführt. Dies
geschieht deswegen, weil in dem Hohlraum 10 nach dem hermetischen
Verschließen
des Hohlraums 10 ein Vakuum herrschen soll. Oftmals ist es
jedoch in nachteiliger Weise mit den Verbindungsprozessen verbunden,
dass diese selbst mit einer prinzipbedingten Gasentwicklung verbunden
sind, so dass der Innendruck des Hohlraums 10 nicht beliebig klein
gemacht werden kann. Vor dem Verschließen des Hohlraums 10 wird
daher erfindungsgemäß in das
zu verschließende
Volumen 10 bzw. angrenzend an dieses ein Gettermaterial
eingebracht, wobei durch das Getternmaterial die entstehenden Gase gebunden
werden und der Druck im Hohlraum 10 gesenkt werden kann.
Als Gettermaterial wird erfindungsgemäß ausschließlich poröses Silizium vorgesehen. Dieses
poröse
Silizium ist in allen Figuren mittels eines Bereichs porösen Siliziums
dargestellt, welcher mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet
ist. Erfindungsgemäß ist es
bei der Verwendung von porösem
Silizium als Gettermaterial vorteilhaft, dass zur Aktivierung der
Gettereigenschaft des porösen
Siliziums lediglich geringe Temperaturen notwendig sind. Solche
geringen Temperaturen können
leicht in Halbleiterprozesse integriert werden. Dies bedeutet, dass die
Aktivierung des porösen
Siliziums als Gettermaterial auch noch nach der Herstellung von
Halbleiterbauelementen möglich
ist, wobei zu berücksichtigen ist,
dass fertig gestellte Halbleiterbauelemente in der Regel eine geringere
Temperaturfestigkeit aufweisen als das reine Halbleitermaterial,
dass zu deren Herstellung diente. An der sehr großen Oberfläche des porösen Siliziums 11 kann
z.B. Sauerstoff gebunden werden. Es entsteht dann poröses Siliziumdioxid
aus dem gasförmigen
Sauerstoff und dem porösen
Silizium.
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Ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements ist es, das poröse
Silizium als Sauerstoffgetter beispielsweise beim anodischen Bonden
zu verwenden, wobei das anodische Bonden eine Verbindung von Silizium,
insbesondere von Siliziumwafern, mittels meist natriumhaltigem Glas
bezeichnet. Bei diesem Prozess entsteht Sauerstoff an der Verbindungsfläche, der
in Hohlräume
und insbesondere in den Hohlraum 10 eindiffundiert und
im Hohlraum 10 durch Gettermaterialien, wie insbesondere
das erfindungsgemäße poröse Silizium 11,
gebunden werden kann, um einen möglichst
niedrigen Druck in dem Hohlraum 10 bzw. in der Kaverne 10 zu
erzeugen. Das anodische Bonden wird beispielsweise bei erhöhter Temperatur
von erfindungsgemäß beispielhaft
400°C durchgeführt, bei
der das poröse
Silizium reaktiv ist und den entsprechenden Sauerstoff gleich im
selben Prozess bindet. Bei einer optional nachfolgenden Temperung
kann die Getterwirkung des porösen
Siliziums bzw. des Bereichs des porösen Siliziums 11 verstärkt werden.
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Auch beim Seal-Glas-Bonden entsteht
u.a. Sauerstoff, der gebunden werden kann, womit der Innendruck
in dem Hohlraum 10 bzw. in der Kaverne 10 zumindest
teilweise gesenkt werden kann. Andere Gase außer Sauerstoff, die beim Seal-Glas-Bonden ebenfalls
entstehen, können
aber an der sehr großen Oberfläche des
porösen
Siliziums ebenfalls adsorbiert werden und damit auch den Druck reduzieren.
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Das poröse Silizium ist als Gettermaterial auch
beim Silicon-Fusion-Bonding als Verbindungsprozess erfindungsgemäß vorteilhaft
einsetzbar, wobei bei diesem Prozess hohe Temperaturen um ca. 1000°C erreicht
werden, wobei jedoch das poröse
Silizium nicht zerstört
wird.
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In 1 ist
eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements dargestellt.
In einem abgeschlossenen Volumen, welches auch als Hohlraum 10 bezeichnet
wird, ist an einer beliebigen Oberfläche, d.h. an einer beliebigen, an
den Hohlraum 10 angrenzenden Stelle ein Bereich porösen Siliziums 11 vorgesehen,
wobei das erfindungsgemäße mikromechanische
Bauelement ein erstes Substrat 20 und ein zweites Substrat 30 aufweist,
wobei das erste Substrat 20 mit dem zweiten Substrat 30 verbunden
ist und zwischen den Substraten 20, 30 eine Zwischenschicht 25 vorgesehen
ist. Erfindungsgemäß ist das
erste Substrat 20 insbesondere als Siliziumsubstrat vorgesehen
und das zweite Substrat 30 ist ebenfalls insbesondere als
Siliziumsubstrat vorgesehen. In der Prinzipskizze der 1 ist der Bereich des porösen Siliziums 11 im
zweiten Substrat 30 vorgesehen. Wenn das zweite Substrat 30 als
Siliziumsubstrat vorgesehen ist, ist die Erzeugung des Bereichs 11 porösen Siliziums
besonders einfach mittels eines Ätzverfahrens
in das Siliziummaterial des zweiten Substrats 30 möglich. Bei
der Verbindung des ersten Substrats 20 mit dem zweiten Substrat 30 ist
es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen,
ein Wafer-Bonding-Verfahren bzw. einen Wafer-Bonding-Verfahrensschritt
durchzuführen, wobei
die Zwischenschicht 25 beispielsweise als Seal-Glas vorgesehen
ist.
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In 2 ist
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements dargestellt. Das Bauelement weist das erste Substrat 20 auf,
welches eine mikromechanische Struktur 200 aufweist. Zur
Erzeugung der mikromechanischen Struktur ist beim ersten Substrat 20 insbesondere
eine Opferschicht 21, beispielsweise in Form eines Opferoxids 21,
vorgesehen. Weiterhin ist beim erfindungsgemäßen Bauelement beim ersten Substrat 20 zur
Erzeugung der mikromechanischen Struktur 200 eine Funktionsschicht 22 vorgesehen, welche
insbesondere mittels einer Epi-Polysiliziumschicht
dargestellt ist. In dieser Funktionsschicht 22 umfasst
die mikromechanische Struktur 200 beispielsweise Schwingerstrukturen.
Weiterhin ist in 2 das
zweite Substrat 30 dargestellt, welches den Bereich 11 porösen Siliziums
umfasst. Beim Zusammenfügen
des ersten Substrats 20 mit dem zweiten Substrat 30 an einer
Verbindungsschicht 26 bildet sich durch die Strukturierung
der Substrate 20, 30 der Hohlraum 10.
Der Bereich porösen
Siliziums 11, welcher an den Hohlraum 10 angrenzt,
ist im zweiten Substrat 30 vorgesehen. Die mikromechanische Struktur 200 stellt
insbesondere einen Beschleunigungs- oder Drehratesensor dar. Die
Verbindungsschicht 26 umfasst insbesondere Sealglas.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements dargestellt. Das erste Substrat 20 ist in diesem Fall
im oberen Bereich der 3 dargestellt.
Das erste Substrat 20 wird auch als Sensorsubstrat bezeichnet.
Im ersten Substrat bzw. am ersten Substrat 20 ist die mikromechanische
Struktur 200 erzeugt, wobei hierzu wieder eine Opferschicht 21 und
eine Funktionsschicht 22, insbesondere aus Epipolysilizium,
vorgesehen ist. Als zweites Substrat 30 ist bei der zweiten
Ausführungsform
insbesondere ein Composit-Wafer vorgesehen, wobei der Composit-Wafer
aus dem eigentlichen zweiten Substrat 30 und einer weiteren
Verbindungsschicht 27 besteht, wobei die weitere Verbindungsschicht 27 insbesondere
als Pyrex-Glasschicht mit dem eigentlichen zweiten Substrat 30 verbunden
ist. Insofern bildet die weitere Verbindungsschicht 27 zusammen
mit dem zweiten Substrat 30 den Composit-Wafer. Im Composit-Wafer
ist ein Bereich porösen
Siliziums 11 vorgesehen und eine sog. Schirmelektrode 50 vorgesehen.
Die Schirmelektrode 50 ist insbesondere notwendig, um die
Schwingerstrukturen der Funktionsschicht beim anodischen Bonden
zu schützen.
Die Schwingerstrukturen würden
beim Anlegen einer Spannung, die für das später erfolgende anodische Bonden
nötig ist,
durch elektrostatische Kräfte
nach oben gezogen und an das Substrat 20 gebondet werden.
Die Schirmelektrode 50 ist teilweise geöffnet, so dass am Rand oder
an Stellen, an denen keine Schwingerstrukturen der mikromechanischen
Struktur 200 vorgesehen sind, eine Verbindung zwischen dem
Hohlraum 10 und dem Bereich porösen Siliziums 11 hergestellt
ist. Diese Öffnung
der Schirmelektrode ist in 3 mit
dem Bezugszeichen 51 bezeichnet. Das zu evakuierende Volumen 10 bzw.
der Hohlraum 10 ist damit mit dem Bereich porösen Siliziums 11 verbunden.
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In 4 ist
eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements dargestellt. Bei der dritten Ausführungsform wird der Bereich
porösen
Siliziums 11 im ersten Substrat 20 vor dem Aufbringen
der Opferschicht 21 bzw. der Funktionsschicht 22 erzeugt.
Hieraus ergibt sich die in 4 dargestellte
Abfolge der Schichten, wobei zunächst
das erste Substrat 20, anschließend der Bereich porösen Siliziums 11,
anschließend
die (weggeätzte)
Opferschicht 21 und daran anschließend die Funktionsschicht 22 folgt.
Der Bereich porösen
Siliziums 11, welcher im ersten Substrat 20 bei der
dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements zuerst erzeugt wird, wird bei der Erzeugung der mikromechanischen Struktur 200 zunächst von
dem Opferoxid 21 bzw. der Opferschicht 21 abgedeckt
und anschließend auch
von der Funktionsschicht 22 abgedeckt. Durch das Wegätzen der
Opferschicht 21 zur Freilegung der mikromechanischen Struktur 200 wird
das poröse
Silizium bzw, der Bereich porösen
Siliziums 11 wieder freigelegt und damit aktiviert.
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Sowohl bei der 3 als auch bei der 4, d.h. bei der zweiten Ausführungsform
und bei der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
ist es erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur 200 einen
Beschleunigungssensor bzw. einen Drehratesensor darstellt, wobei
dies insbesondere in der in der Figur dargestellten Mikropackage-Technologie
(MPT) vorgesehen ist.
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In 5 ist
eine vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements dargestellt. Die vierte Ausführungsform stellt einen Absolutdrucksensor
mit porösem
Silizium als Gettermaterial zur Erzeugung eines kleinen Innendrucks
im Hohlraum 10 dar. Der Bereich porösen Siliziums ist wiederum
mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet und befindet sich im
ersten Substrat 20. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Bauelement
nach der vierten Ausführungsform
eine Opferschicht 21 auf dem ersten Substrat 20,
worauf eine Membran 60 vorgesehen ist. Die Oberseite der
Membran 60, welche in 5 in
der Figur oben dargestellt ist, ist dem Umgebungsdruck des Drucksensors
ausgesetzt, und im Hohlraum 10 ist, durch das Gettermaterial 11 verursacht,
ein besonders niedriger Innendruck vorherrschend. Durch in 5 nicht dargestellte Sensorelemente
im Bereich der Membran 60 wird ein Durchbiegen der Membran 60 in
Abhängigkeit
der äußeren Druckverhältnisse
detektiert und in elektrische Signale umgewandelt.