DE102004058880B4 - Integrated microsensor and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Mikrosensor
mit einem mikro-elektromechanischen System,
– mit einem
SOI-Substrat (SUB), das auf der Oberfläche eine elektrisch leitend
eingestellte kristalline Siliziumschicht aufweist, die auf einer
Isolierschicht (IS) angeordnet ist und in der das mikro-elektromechanische
System (MEMS) ausgebildet ist,
– mit einer elektrische Kontakte
(EK) aufweisenden Trägerplatte
(TP), auf der das SOI-Substrat (SUB) so angeordnet ist, dass die
kristalline Siliziumschicht der Trägerplatte zugewandt ist,
– mit einer
elektrischen Verbindung zwischen der kristallinen Siliziumschicht
und den Kontakten der Trägerplatte,
dadurch
gekennzeichnet,
– dass
die kristalline Siliziumschicht mit einer Polysiliziumschicht (SS)
versehen ist und die elektrischen Kontakte der Trägerplatte
(TP) durch eine Metallschicht (MS) gebildet sind und
– die mechanische
und elektrische Verbindung der Trägerplatte mit dem SOI-Substrat
durch eine Waferbondverbindung (WBC) bewirkt ist, die eine eutektische
Verbindung zwischen der Polysiliziumschicht (SS) und der Metallschicht
(MS) umfasst.Microsensor with a micro-electro-mechanical system,
With an SOI substrate (SUB) which has on the surface an electrically conductive crystalline silicon layer which is arranged on an insulating layer (IS) and in which the microelectromechanical system (MEMS) is formed,
- With a electrical contacts (EK) having support plate (TP) on which the SOI substrate (SUB) is arranged so that the crystalline silicon layer faces the support plate,
With an electrical connection between the crystalline silicon layer and the contacts of the carrier plate,
characterized,
- That the crystalline silicon layer is provided with a polysilicon layer (SS) and the electrical contacts of the carrier plate (TP) by a metal layer (MS) are formed and
The mechanical and electrical connection of the carrier plate to the SOI substrate is effected by a wafer bonding compound (WBC) comprising a eutectic connection between the polysilicon layer (SS) and the metal layer (MS).
Description
Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a microsensor according to the preamble of the claim 1.
Ein
derartiger Mikrosensor war aus der
In
der
Es sind auch Mikrosensoren bekannt, die mittels Bonddrahtverbindungen mit den Kontakten einer Trägerplatte verbunden sind. Dies erzeugt jedoch einen hohen Herstellungsaufwand und erfordert ein Packaging, bei dem auch der oder die Bonddrähte mit geschützt oder zumindest mit berücksichtigt werden müssen. Dies schließt die Verwendbarkeit besonders kostengünstiger Packaging Verfahren aus.It are also microsensors known by means of bonding wire connections with the contacts of a carrier plate are connected. However, this creates a high production cost and requires a packaging, in which also or the bonding wires with protected or at least taken into account Need to become. This concludes the availability of particularly cost-effective packaging methods out.
Bei einer direkten Lötverbindung zwischen Sensorelement und Trägerplatte besteht die Gefahr, dass sich die Verbindung unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verformt. Auch eine Alterung der Lötverbindung kann zu einer Lageveränderung des Sensorelements relativ zu dem integrierten Schaltkreis führen, so dass sich die elektrischen Eigenschaften des Sensors verändern können. Diese Gefahr wird durch eine Temperaturerhöhung, wie sie beispielsweise beim Auflöten des Mikrosensors auf eine Leiterplatte auftreten kann, deutlich erhöht.at a direct solder joint between sensor element and carrier plate There is a risk that the connection is under the influence deformed mechanical stresses. Also an aging of the solder joint can lead to a change in position of the sensor element lead relative to the integrated circuit, so that the electrical Change the properties of the sensor can. This danger is caused by a temperature increase, as for example when soldering of the microsensor can occur on a printed circuit board, clearly elevated.
Zudem erfordert die Herstellung einer Mehrzahl von Mikrosensoren mit Lötverbindungen im Waferverbund einen hohen technischen Aufwand, da viele Lötflächen gleichzeitig mit hoher Präzision miteinander verlötet werden müssen.moreover requires the manufacture of a plurality of microsensors with solder joints in the Waferverbund a high technical effort, as many solder surfaces simultaneously with high precision soldered together Need to become.
Es sind Mikrosensoren zum Messen von Trägheitsmomenten oder Trägheitskräften bekannt, wie sie in der Automobilindustrie als Beschleunigungssensoren für Navigations- und Sicherheitssysteme eingesetzt werden. Für diese wurden bislang Drahtbondtechniken oder Verbindungen in Flip Chip Technik eingesetzt.It For example, microsensors are known for measuring moments of inertia or inertial forces, such as in the automotive industry as acceleration sensors for navigation and security systems are used. For this have been wire bonding techniques or connections used in flip chip technology.
In
der
In
der
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der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrosensor der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Verbindung zwischen einem Sensorelement und den Kontakten auf der Trägerplatte zu schaffen. Vorzugsweise soll der Mikrosensor im Waferverbund gefertigt werden können.Of the Invention is based on the object, a microsensor of the above mentioned type with an improved connection between a sensor element and the contacts on the carrier plate create. Preferably, the microsensor is to be manufactured in the wafer composite can be.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrosensor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrosensor sind Gegenstand weiterer Ansprüche.These The object is achieved by a microsensor having the features of claim 1 solved. advantageous Further developments of the invention and a method for producing the microsensor are the subject of further claims.
Die Erfindung gibt einen Mikrosensor an, bei dem in einem Substrat, das auf der Oberfläche eine kristalline Siliziumschicht aufweist, ein mikroelektromechanisches System, ein sogenanntes MEMS-Bauelement mit Sensorfunktion ausgebildet ist. Der Mikrosensor ist außerdem auf einer Trägerplatte angeordnet und befestigt, die elektrische Kontakte aufweist. Die Siliziumschicht ist elektrisch leitend eingestellt und mit den elektrisch leitenden Kontakten über eine Waferbondverbindung verbunden, die die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Sensor und Trägerplatte darstellen.The The invention provides a microsensor in which, in a substrate, that on the surface has a crystalline silicon layer, a microelectromechanical System, a so-called MEMS device is designed with sensor function. The microsensor is also on a carrier plate arranged and fixed, which has electrical contacts. The Silicon layer is set electrically conductive and with the electrical conductive contacts connected to a wafer bond, which is the electrical and mechanical Represent connection between sensor and carrier plate.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Mikrosensors umfasst also eine integrierte Kontaktierung, die allein durch Strukturierung der Siliziumschicht und deren elektrische Anbindung an die Trägerplatte mittels Waferbondens realisiert ist. Das bedeutet, dass kein zusätzlicher Aufwand zur Herstellung elektrischer Kontakte des Sensors mit der Außenwelt erforderlich ist. Der Sensor weist daher keine empfindlichen Bonddrähte auf, die beim Packaging des Bauelementes eines besonderen Schutzes bedürften. Ebenso weist der erfindungsgemäße Sensor keine Lötstellen auf, die ebenfalls mechanisch und thermisch empfindlich sind und die Funktion des Sensors beeinträchtigen können. Die Kontakte aufweisende Trägerplatte kann elektrische Verschaltungen und Funktionen zur Verfügung stellen. Sie ist ebenfalls integriert und unabhängig vom Sensor herstellbar.The structure of the microsensor according to the invention therefore comprises an integrated contacting which is realized solely by structuring the silicon layer and its electrical connection to the carrier plate by means of wafer bonding. This means that no additional effort is required to make electrical contacts of the sensor with the outside world. The sensor therefore has no sensitive bonding wires, which would require special protection in the packaging of the component. Likewise, the sensor according to the invention has no solder joints, which are also mechanically and thermally sensitive and can affect the function of the sensor. The contacts having carrier plate can electrical interconnections and Provide functions. It is also integrated and can be manufactured independently of the sensor.
Der erfindungsgemäße Mikrosensor weist wie gesagt einen MEMS-Aufbau auf, besitzt somit elektrische und mechanische Funktionen und ist insbesondere durch Mikrostrukturierungstechniken hergestellt. Die elektrischen und mechanischen Bestandteile eines MEMS-Sensors können durch Herausarbeiten aus einem kompakten Substrat und insbesondere aus Silizium hergestellt werden. Möglich ist es auch, die Bestandteile über einen strukturierten Schichtaufbau herzustellen, der die Prozesse Schichtabscheidung, Strukturieren und gegebenenfalls Herauslösen tiefliegender "eingeschlossener" Opferschichten umfassen kann.Of the Microsensor according to the invention As mentioned, has a MEMS structure on, thus has electrical and mechanical functions and is in particular produced by microstructuring techniques. The electrical and mechanical components of a MEMS sensor can through Working out of a compact substrate and in particular from Silicon are produced. Is possible it too, the ingredients over to produce a structured layer structure, the processes layer deposition, Structuring and optionally extracting low lying "trapped" sacrificial layers can.
Der MEMS-Sensor kann frei bewegliche oder auch nur flexible Teile enthalten, die an zumindest einem Ende fixiert sind, mit einem anderen Ende oder einem Flächenbereich aber eine mechanische Funktion erfüllen können und damit zumindest zum Teil beweglich ausgebildet sind. Ein MEMS-Sensor weist eine Sensorfunktion auf, wobei vorzugsweise die Kapazität des Sensors durch die Bewegung des beweglichen Sensorteils verändert wird und das von der Messgröße abhängige Messsignal liefert.Of the MEMS sensor can contain freely moving or even flexible parts, which are fixed on at least one end, with another end or a surface area but can perform a mechanical function and thus at least in part are designed to be movable. A MEMS sensor has a sensor function on, preferably the capacity of the sensor by the movement changed the movable sensor part and the measurement signal dependent on the measured variable supplies.
Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor sein, der einen gegenüber der Beschleunigung trägen Bestandteil aufweist, beispielsweise einen Biegebalken. Eine weitere bevorzugte Anwendung kann ein erfindungsgemäßer Sensor als Drehratensensor finden, der den Effekt der Coriolis-Kraft nutzt. Der Sensor kann auch ein Magnetsensor und insbesondere ein Hallsensor sein, der empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel und der Stärke eines Magnetfelds ist. Möglich ist es auch einen MEMS-Sensor als Drucksensor auszubilden oder als chemischen Sensor, der über chemisch physikalische Wechselwirkung eine mechanische Veränderung am Sensor erzeugt, die wiederum als elektrisches Messsignal ausgelesen werden kann.One such sensor may be for example an acceleration sensor, the one opposite the Slow down acceleration Part has, for example, a bending beam. Another preferred application, a sensor according to the invention as a rotation rate sensor find that uses the effect of the Coriolis force. The sensor can also be a Magnetic sensor and in particular a Hall sensor be sensitive across from the angle of incidence and the strength of a magnetic field. Possible It is also a MEMS sensor form as a pressure sensor or as chemical sensor that over chemical-physical interaction is a mechanical change generated at the sensor, which in turn read out as an electrical measurement signal can be.
Das Substrat, auf dem oder in dem das MEMS-Sensorsystem ausgebildet ist, weist zumindest eine mechanische Trägerfunktion auf, und besteht daher aus einem mechanisch stabilen, festen und insbesondere strukturierbaren Material. Das Substrat stellt das Grundmaterial für den Aufbau des Sensorsystems zur Verfügung und umfasst daher zumindest teilweise elektrisch leitfähige Schichten oder Schichtbereiche. Das Substrat kann ein einheitliches Material sein. Der Mikrosensor kann auch aus einem Schichtaufbau herausstrukturiert sein, der zumindest zwei Schichten umfasst, oder durch Waferbonden aus zumindest zwei Wafern, die getrennt voneinander bearbeitet sein können, zusammengesetzt ist. Möglich ist es auch, das Substrat durch eine Kombination der genannten Verfahren herzustellen, beziehungsweise ein solches Substrat für das MEMS-System zu verwenden. Vorzugsweise ist das Substrat ein Siliziumwafer, oder ein SOI-Substrat (Silicon on Isolator) oder ein anderer beliebiger Schichtaufbau auf einem mechanisch stabilen Trägersubstrat. Vorteilhaft wird ein Substrat verwendet, das eine monokristalline Siliziumschicht aufweist, die vorzugsweise eine definierte Dicke besitzt und über einer Schicht eines Dielektrikums angeordnet ist. Solche Substrate können durch Waferbonden hergestellt werden, wobei ein erster Wafer mit der Dielektrikumsschicht mit einem Siliziumwafer verbunden wird. Besonders spannungsfrei ist ein Aufbau, bei dem beide Wafer aus kristallinem Silizium bestehen (SOI Wafer).The Substrate on which or in which the MEMS sensor system is formed is, has at least one mechanical carrier function, and exists therefore of a mechanically stable, solid and in particular structurable Material. The substrate provides the basic material for the construction of the sensor system available and therefore comprises at least partially electrically conductive layers or layer areas. The substrate may be a unitary material be. The microsensor can also be structured out of a layer structure which comprises at least two layers or by wafer bonding at least two wafers that are processed separately can, is composed. Possible it is also the substrate by a combination of said methods or to use such a substrate for the MEMS system. Preferably, the substrate is a silicon wafer, or an SOI substrate (Silicon on insulator) or any other layer structure on a mechanically stable carrier substrate. Advantageously, a substrate is used which is a monocrystalline Silicon layer, which preferably has a defined thickness owns and over a layer of a dielectric is arranged. Such substrates can by Wafer bonding, wherein a first wafer with the dielectric layer is connected to a silicon wafer. Especially stress-free is a construction in which both wafers are made of crystalline silicon (SOI wafer).
Unter Waferbondverbindung werden erfindungsgemäß alle Verbindungen verstanden, die auf Waferebene durchgeführt werden können. Vorzugsweise umfassen die Waferbondverbindungen solche, bei denen ein mechanisch stabiles Gefüge zwischen den zu verbindenden Oberflächen entsteht, insbesondere durch Reaktion der Grenzflächen. Die Erfindung ist eingeschränkt auf elektrisch leitfähige Waferbondverbindungen, die für das vom Sensor gelieferte Messsignal durchlässig sind, beziehungsweise dem Messsignal keinen zu hohen elektrischen Widerstand entgegensetzen. Gut geeignet als Waferbondverbindungen sind zum Beispiel eutektische Verbindungen, die durch eutektisches Waferbonden hergestellt werden. Dabei werden zwei Materialschichten miteinander in Kontakt gebracht, die zusammen eine homogene Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Ausgangsmaterialien ausbilden. Eutektische Waferbondverbindungen können bei relativ moderaten Temperaturen von unter 400 Grad Celsius hergestellt werden. Sie schaffen sowohl mechanisch als auch thermisch stabile Verbindungen und sind elektrisch leitend. Waferbondverbindungen können auch nahezu spannungsfrei erzeugt werden.Under Waferbond compound according to the invention all compounds understood performed at the wafer level can be. Preferably, the wafer bonding compounds include those in which a mechanically stable structure arises between the surfaces to be joined, in particular by reaction of the interfaces. The invention is limited on electrically conductive Wafer bond compounds used for the sensor supplied by the measurement signal are permeable, or the Measurement signal oppose not too high electrical resistance. Well suited as wafer bonding compounds are for example eutectic compounds, which are produced by eutectic wafer bonding. It will be two layers of material are brought into contact with each other, which together a homogeneous phase with a lower melting point than the starting materials form. Eutectic wafer bonding compounds can be relatively moderate Temperatures of less than 400 degrees Celsius are produced. she create both mechanically and thermally stable connections and are electrically conductive. Waferbond compounds can also be virtually stress-free be generated.
Bevorzugtes Eutektikum ist das Silizium-Gold-Eutektikum, das einen Schmelzpunkt von ca. 363 Grad Celsius aufweist und bei Maximaltemperaturen bis 410 Grad Celsius unter entsprechendem Anpressdruck ausgebildet werden kann. Es weist die nötige elektrische Leitfähigkeit auf, ist mechanisch fest und thermisch stabil.preferred Eutectic is the silicon-gold eutectic, which has a melting point of about 363 degrees Celsius and at maximum temperatures up to 410 degrees Celsius are formed under appropriate contact pressure can. It has the necessary electric conductivity is mechanically strong and thermally stable.
Möglich ist es jedoch auch, andere Eutektika einzusetzen, insbesondere solche mit Silizium. Bekannt sind beispielsweise Silber-Silizium- und Silizium-Aluminium-Eutektikum.Is possible However, it also, other eutectic use, especially those with silicon. For example, silver-silicon and silicon-aluminum eutectic are known.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Siliziumschicht des Substrats so strukturiert dass sie einen das mikro-elektromechanische System umschließenden und damit geschlossenen Rahmen ausbildet. Dieser Siliziumrahmen ist mit einer entsprechend ausgebildeten, ebenfalls rahmenförmig geschlossenen Waferbondverbindung mit der Trägerplatte so verbunden, dass ein gasdichter Verschluss des mikro-elektromechanischen Systems entsteht. Dies hat den Vorteil, dass auf diese Weise integriert und ohne verfahrenstechnischen Mehraufwand und ohne Zusatzkosten eine gas- und feuchtigkeitsdichte Verkapselung des Mikrosensors durchgeführt werden kann. Die Waferbondverbindung bietet dem MEMS-System Schutz vor Umgebungseinflüssen, insbesondere Schutz vor mechanischer oder chemischer Einwirkung, vor Feuchtigkeit oder auch vor einer zu schnellen Veränderung dieser Umgebungsverhältnisse. Durch die sichere Verkapselung wird eine stabile elektrische und mechanische Funktion des Sensors gewährleistet, wobei auch die Alterungsstabilität erhöht ist. Durch das Einschließen einer Atmosphäre feststehender Zusammensetzung wird die Sensorfunktion stabilisiert.In a preferred embodiment of the invention, the silicon layer of the substrate is structured such that it forms a frame enclosing the microelectromechanical system and thus closed. This silicon frame is provided with a correspondingly formed, also frame-shaped closed wafer bond with the Support plate connected so that a gas-tight closure of the micro-electro-mechanical system is formed. This has the advantage that integrated in this way and without additional process engineering overhead and without additional costs, a gas and moisture-tight encapsulation of the microsensor can be performed. The wafer bond provides the MEMS system with protection against environmental influences, in particular protection against mechanical or chemical action, against moisture or too rapid a change in these environmental conditions. The secure encapsulation ensures a stable electrical and mechanical function of the sensor, whereby the aging stability is increased. By including an atmosphere of fixed composition, the sensor function is stabilized.
Möglich ist es auch, im Inneren des Siliziumrahmens ein Vakuum einzuschließen, wobei ein Mikrosensor mit weiter verbesserten elektrischen und mechanischen Funktionen erhalten wird. Ein im Vakuum arbeitendes MEMS-System weist keine Störungen durch eine eingeschlossene Atmosphäre auf, die insbesondere durch Brown'sche Molekularbewegung zu einem Rauschen des Sensorsignals führen können. Auf diese Weise wird auch die Sensorempfindlichkeit verbessert.Is possible it also includes a vacuum inside the silicon frame, wherein a microsensor with further improved electrical and mechanical Functions is received. A vacuum working MEMS system has no interference by an enclosed atmosphere, in particular by Brownian molecular motion can lead to a noise of the sensor signal. This way will also improves the sensor sensitivity.
Die Trägerplatte weist elektrische Kontakte auf, zu denen eine elektrische Verbindung mit den elektrisch aktiven Teilen des MEMS-Systems hergestellt wird. Darüber hinaus weist die Trägerplatte Kontakte auf, die zum Außenanschluss des Mikrosensors dienen. Zwischen den Kontakten und dem Außenanschluss kann eine integrierte Schaltung angeordnet sein.The support plate has electrical contacts, including an electrical connection is made with the electrically active parts of the MEMS system. About that In addition, the carrier plate contacts on, to the outside connection serve the microsensor. Between the contacts and the external connection An integrated circuit can be arranged.
Vorzugsweise ist die Trägerplatte jedoch als IC-Bauelement ausgebildet, insbesondere als CMOS-Bauelement. Dieses IC-Bauelement kann verschiedene Funktionen aufweisen, um beispielsweise den Sensor mit der nötigen Spannung oder dem nötigen Strom zu versorgen. Das IC-Bauelement kann den Sensor ansteuern, insbesondere in bestimmten zeitlichen Intervallen oder auch dauerhaft das Sensorsignal abgreifen. Im IC-Bauelement können auch die vom Sensor gelieferten Messsignale verarbeitet werden und in verwertbare Ausgangssignale umgesetzt werden. Möglich ist es beispielsweise, aus dem Messsignal eine Spannung als Ausgangssignal zu generieren. Weiterhin kann das IC-Bauelement einen Verstärker enthalten, der das gegebenenfalls schwache Messsignal des Sensors verstärkt. Auch ist es möglich, eine gegebenenfalls nichtlineare Abhängigkeit des vom Sensor gelieferten Messsignals von der zu messenden Größe in ein lineares Ausgangssignal umzusetzen, sodass eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals von der zu messenden physikalischen Größe erhalten wird. Darüber hinaus kann im IC-Bauelement eine logische Schaltung eingebaut sein, die weitere Steuerfunktionen in Abhängigkeit vom gelieferten Ausgangssignal auslöst oder vornimmt.Preferably is the carrier plate however, formed as an IC device, in particular as a CMOS device. This IC device can have different functions, for example, the sensor with the necessary Tension or the necessary Supply electricity. The IC device can drive the sensor, especially at certain time intervals or even permanently pick up the sensor signal. In the IC component can also be supplied by the sensor Measuring signals are processed and usable output signals be implemented. Possible it is, for example, from the measurement signal, a voltage as an output signal to generate. Furthermore, the IC device may include an amplifier, which amplifies the possibly weak measuring signal of the sensor. Also Is it possible, an optionally non-linear dependence of the sensor supplied Measuring signal from the size to be measured in a linear output signal implement, so that a linear dependence of the output signal is obtained from the physical quantity to be measured. Furthermore can be incorporated in the IC device, a logic circuit, the additional control functions in dependence from the supplied output signal triggers or makes.
Im IC-Bauelement oder in der integrierten Schaltung, die in der Trägerplatte integriert ist, können außerdem mit dem Sensor wechselwirkende elektrische Strukturen eingebaut sein. Beispielsweise ist es möglich, in der integrierten Schaltung eine Elektrode vorzusehen, die in kapazitive Wechselwirkung mit einem Sensorbestandteil tritt und damit Teil des Sensorsystems ist. Diese kapazitiv wirkende Elektrode kann beispielsweise mit einem beweglichen Sensorbestandteil, zum Beispiel einem Biegebalken in einem Trägheitssensor eine von einer Beschleunigung abhängige kapazitive Veränderung messen.in the IC device or in the integrated circuit, which is in the carrier plate integrated, can Furthermore built with the sensor interacting electrical structures be. For example, it is possible to provide in the integrated circuit an electrode, which in capacitive interaction occurs with a sensor component and so that is part of the sensor system. This capacitive electrode For example, with a movable sensor component, for Example of a bending beam in an inertial sensor one of a Acceleration dependent measure capacitive change.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausge führt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.in the Below, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments and associated figures. The Figures are merely illustrative of the invention and are therefore leads only schematically and not true to scale. Same or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
Sämtliche Teile der Sensorebene SE sind vorzugsweise aus dem selben Material ausgebildet, insbesondere aus leitfähig eingestelltem und daher entsprechend dotiertem Silizium. Bei vorzugsweise kapazitiv arbeitenden Sensoren werden an die Leitfähigkeit des Siliziums keine zu hohen Anforderungen gestellt, um eine gute Funktionsfähigkeit des Sensors zu garantieren. Es ist z.B. eine Leitfähigkeit von ca. 1 Ohmzentimeter ausreichend.All Parts of the sensor plane SE are preferably made of the same material designed, in particular made conductive and therefore accordingly doped silicon. In preferably capacitive sensors be to the conductivity the silicon is not too stringent requirements to a good operability to guarantee the sensor. It is e.g. a conductivity of about 1 ohm centimeter sufficient.
Dieses Silizium bildet die Oberfläche eines Substrates SUB. Vorzugsweise umfasst das Substrat ein Trägersubstrat, welches auf der Oberfläche eine Isolatorschicht IS aufweist, auf der eine epitaxiale Siliziumschicht in einer gewünschten Dicke aufgebracht ist. Die Isolatorschicht kann dabei als Ätzstoppschicht zum Strukturieren der Bestandteile der Sensorebene SE von der Unterseite her dienen. Ein Teil der Strukturen der Sensorebene SE kann auch von der Rückseite her strukturiert sein, also von der zum Substrat SUB weisenden Seite der Sensorebene. Dazu kann das Substrat in an sich bekannter Weise geöffnet und die Strukturen freigelegt beziehungsweise durch strukturierende Bearbeitung erzeugt werden. Im vorliegenden Fall ist der Aufbau so ausgebildet, dass er in an sich bekannter Weise durch Strukturieren von der Vorderseite her (in der Figur die Unterseite) hergestellt werden kann.This Silicon forms the surface a substrate SUB. Preferably, the substrate comprises a carrier substrate, which on the surface an insulator layer IS, on which an epitaxial silicon layer in a desired Thickness is applied. The insulator layer can be used as etch stop layer for structuring the components of the sensor plane SE from the bottom serve. Part of the structures of the sensor plane SE can also be used by the back be structured forth, so from the side facing the substrate SUB the sensor level. For this purpose, the substrate in a conventional manner open and the structures exposed or structuring Processing be generated. In the present case, the structure designed so that it by structuring in a conventional manner from the front (in the figure, the bottom) made can be.
Von den Strukturen der Sensorebene liegen zumindest die Unterseiten des Dichtrahmens SF und der vertikalen Verbindungsstrukturen VS in einer Ebene, sodass eine einfache Verbindung dieser Strukturen mit der Trägerplatte TP mittels Waferbonden möglich ist. Die Sensorzunge ST dagegen ist im Abstand sowohl zum Substrat SUB als auch zur Trägerplatte angeordnet, um die freie Beweglichkeit zu gewährleisten. Der Abstand kann auch durch Vertiefungen in der Trägerplatte gewährleistet werden.From The structures of the sensor plane are at least the undersides the sealing frame SF and the vertical connection structures VS in a plane, allowing a simple connection of these structures with the carrier plate TP possible by wafer bonding is. By contrast, the sensor tongue ST is at a distance both from the substrate SUB as well as to the carrier plate arranged to ensure freedom of movement. The distance can also ensured by depressions in the support plate become.
Die Trägerplatte TP ist aus einem mechanisch stabilen Material, auf deren Oberfläche Bondstrukturen angeordnet sind. Ein Teil der Bondstrukturen steht mit elektrischen Leiterbahnen LB in Verbindung, die auf der Oberfläche oder in die Trägerplatte TP integriert verlaufen und als elektrische Kontakte EK die elektrische Anbindung des Mikrosensors ermöglichen. Auf diese Bondstrukturen sind die zur Verbindung vorgesehenen Teile der Sensorebene SE, insbesondere die Unterseiten des Dichtrahmes SF und der vertikalen Verbindungsstrukturen VS aufgesetzt und mittels eines Waferbondverfahrens verbunden. Durch das Waferbondverfahren werden elektrisch leitende Verbindungen zwischen den vertikalen Verbindungsstrukturen VS und den Leiterbahnen LB erzeugt.The support plate TP is made of a mechanically stable material with bonding structures on its surface are arranged. Part of the bond structures is connected to electrical Conductors LB in contact with the surface or in the carrier plate TP integrated run and as electrical contacts EK the electrical Enable connection of the microsensor. These bonding structures are the parts intended for connection the sensor plane SE, in particular the lower sides of the sealing cream SF and the vertical connection structures VS set up and means connected to a wafer bonding process. Through the wafer bonding process be electrically conductive connections between the vertical Connection structures VS and the tracks LB generated.
Neben den Leiterbahnen LB kann die Trägerplatte TP noch zumindest eine integrierte Schaltung umfassen. Die elektrische Verbindung des Sensorelements mit der Außenwelt erfolgt über einen weiteren elektrischen Kontakt AK, der zum Beispiel ebenfalls auf der Oberfläche der Trägerplatte neben der Sensoranordnung angeordnet ist und mit der Leiterbahn LB in elektrischer Verbindung steht.Next the conductor tracks LB may be the carrier plate TP still comprise at least one integrated circuit. The electric Connection of the sensor element with the outside world via another electrical contact AK, for example, also on the surface of the support plate is arranged in addition to the sensor arrangement and with the conductor track LB is in electrical connection.
Vorzugsweise sind zumindest je zwei elektrische Anschlüsse für das Sensorelement und dementsprechend auch für die Trägerplatte vorgesehen. Über weitere Anschlüsse kann beispielsweise die Stromversorgung, beispielsweise die Beaufschlagung mit einer vorgegebenen Betriebsspannung erfolgen.Preferably are at least two electrical connections for the sensor element and accordingly also for the carrier plate intended. about further connections For example, the power supply, for example, the admission done with a predetermined operating voltage.
Die Trägerplatte TP kann auch ein IC-Bauelement sein, auf dessen Oberfläche die entsprechenden Bondstrukturen zur Verbindung mit den Elementen der Sensorebene SE aufgebracht sind. Die Waferbondverbindungen zum Dichtungsrahmen SF sind zwar ebenfalls elektrisch leitend, haben aber in der Regel keine Verbindung zu den Leiterbahnen LB und damit zu möglichen integrierten Schaltungen innerhalb der Trägerplatte TP. Die Dichtrahmen können aber auch zur Abschirmung verwendet werden und liegen dann auf Substratpotential.The support plate TP may also be an IC device on the surface of which corresponding bond structures for connection to the elements of Sensor level SE are applied. The wafer bonding connections to the gasket frame Although SF are also electrically conductive, but usually have no connection to the tracks LB and thus to possible integrated circuits within the carrier plate TP. The sealing frame but can can also be used for shielding and are then at substrate potential.
Die vertikalen Verbindungsstrukturen VS1, VS2 können von begrenztem Querschnitt sein und eine beliebige Querschnittsform aufweisen. Vorzugsweise ist der Querschnitt in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Materials der Sensorebene SE ausreichend, um das Sensorsignal sicher zum IC oder allgemein zu der Verschaltung der Trägerplatte TP zu leiten.The Vertical interconnect structures VS1, VS2 may be of limited cross-section be and have any cross-sectional shape. Preferably is the cross section in dependence from the conductivity of the material of the sensor plane SE sufficient to the sensor signal safe to the IC or in general to the interconnection of the carrier plate To lead TP.
Der Dichtrahmen SF dagegen umläuft den gesamten Bereich der Sensorebene und umschließt das mikro-elektromechanische System. Dabei schließt der Dichtungsrahmen SF nicht nur mit der Trägerplatte TP sondern auch mit dem Substrat SUB umlaufend dicht ab, sodass eingeschlossen innerhalb des Dichtungsrahmens zwischen Substrat SUB und Trägerplatte TP ein abgedichteter Hohlraum entsteht, der beispielsweise ein Vakuum aufrecht erhält. Die Grenzfläche zwischen dem Dichtrahmen SF und dem Substrat SUB besteht beispielsweise in dessen oberster Isolationsschicht IS, die ganzflächig aufgebracht oder auch entsprechend der Sensorebene SE strukturiert sein kein.On the other hand, the sealing frame SF circulates the entire area of the sensor plane and encloses the microelectromechanical system. In this case, the sealing frame SF closes circumferentially tightly not only with the carrier plate TP but also with the substrate SUB, so that enclosed within the sealing frame between the substrate SUB and support plate TP a sealed cavity is formed, which maintains a vacuum, for example. The boundary surface between the sealing frame SF and the substrate SUB consists, for example, in its uppermost insulating layer IS, which is applied over the entire surface or also structured in accordance with the sensor plane SE.
Die Sensorebene SE des mikro-elektromechanischen Systems ist beispielsweise aus elektrisch leitend eingestelltem monokristallinem Silizium ausgebildet. Zwischen Substrat und Siliziumschicht ist noch eine Isolationsschicht aus einem Dielektrikum angeordnet.The Sensor level SE of the micro-electro-mechanical system is, for example formed of electrically conductive adjusted monocrystalline silicon. Between substrate and silicon layer is still an insulation layer arranged from a dielectric.
Auf
der Unterseite der zur Verbindung mit der Trägerplatte vorgesehenen Teile
der Siliziumschicht, insbesondere dem Dichtrahmen SF und den vertikalen
Verbindungsstrukturen VS ist eine Polysiliziumschicht SS aufgebracht.
Zwischen Polysiliziumschicht SS und Siliziumschicht kann noch eine
dielektrische Schicht DS angeordnet sein. Dadurch wird die zur Ausbildung
des Eutektikums vorgesehene Menge an Silizium definiert und die
Ausbildung des Eutektikums ausschließlich in der gewünschten
Ebene erreicht. In der dielektrischen Schicht DS an der Unterseite
der vertikalen Verbindungsstrukturen ist ein zumindest eine die
elektrische Verbindung zwischen Polysiliziumschicht SS und Siliziumschicht herstellende Öffnung vorgesehen.
Außerdem
können
alle Strukturen der Sensorebene SE wie in
Die Dicken der Polysiliziumschicht SS und der Metallschicht MS sind so aufeinander abgestimmt, dass die dazugehörigen Volumenbereiche den Massenanteil ergeben, den das jeweilige Material im späteren Eutektikum aufweist. Zur Herstellung eines Gold-Silizium-Eutektikums ist beispielsweise (bei gleicher Fläche) ein Schichtdickenverhältnis Gold zu Polysilizium von 100 zu 52 vorteilhaft, welches im Eutektikum einem Gewichtsanteil von 94 Prozent Gold entspricht.The Thicknesses of the polysilicon layer SS and the metal layer MS are coordinated so that the corresponding volume ranges the mass fraction revealed that the respective material has in the later eutectic. To produce a gold-silicon eutectic, for example, (in same area) a layer thickness ratio of gold to polysilicon of 100 to 52 advantageous, which in the eutectic corresponds to a weight fraction of 94 percent gold.
Zur Herstellung des Eutektikums und damit der Waferbondverbindung wird das Substrat mit dem MEMS-Sensoraufbau passend auf die Kontaktstrukturen auf der Trägerplatte TP aufgesetzt. Unter einem Anpressdruck und unter Erhöhung der Temperatur auf die Bildungstemperatur des Eutektikums (390 Grad Celsius für Gold-Silizium-Eutektikum) reagiert das Metall der Metallschicht mit dem Polysilizium unter Ausbildung eines Eutektikums.to Production of the eutectic and thus the Waferbondverbindung is the substrate with the MEMS sensor assembly fits the contact structures on the carrier plate TP attached. Under a contact pressure and increasing the Temperature at the formation temperature of the eutectic (390 degrees Celsius for Gold-silicon eutectic), the metal of the metal layer reacts with the polysilicon to form a eutectic.
Die Erfindung wurde anhand der Ausführungsbeispiele nur exemplarisch erläutert, ist aber natürlich nicht auf diese beschränkt. Insbesondere sind Art und genaue Ausgestaltung des Sensorelements, beziehungsweise dessen mikromechanischen Teils nicht erfindungsmaßgeblich, sodass die Erfindung auch andere Sensortypen umfasst. Die Erfindung ist auch nicht auf die eutektische Waferbondverbindung beschränkt und kann durch andere elektrisch leitende Waferbondverbindungen ersetzt werden. Auch der Dichtrahmen SF ist nicht zwingender Bestandteil der Erfindung, jedoch eine vorteilhafte Ausgestaltung.The Invention was based on the embodiments explained only by way of example, but of course not limited to this. In particular, the type and exact configuration of the sensor element, or its micromechanical part is not relevant to the invention, so that the invention also encompasses other sensor types. The invention is also not limited to the eutectic wafer bonding compound and can be replaced by other electrically conductive wafer bonding compounds become. The sealing frame SF is not a mandatory component the invention, however, an advantageous embodiment.
Auch die genaue Ausgestaltung des Substrats und der Trägerplatte sind variierbar und nicht Kernpunkt der Erfindung. Ebenfalls nicht eingeschränkt ist die Auswahl der Materialien für die Sensorebene SE, die nicht aus einheitlichem Material bestehen muss, sondern durch Erzeugung eines geeigneten Schichtaufbaus auch andere Materialien und insbesondere Isolatoren umfassen kann. Dies kann insbesondere in Verbindung mit anderen Sensortypen erforderlich oder vorteilhaft sein.The exact configuration of the substrate and the carrier plate are variable and not Crux of the invention. Also not limited is the choice of materials for the sensor plane SE, which does not have to consist of a uniform material, but can also include other materials and in particular insulators by creating a suitable layer structure. This may be necessary or advantageous especially in connection with other sensor types.
- MSMS
- Mikrosensormicrosensor
- MEMSMEMS
- Mikro-elektromechanisches SystemMicroelectromechanical system
- SUBSUB
- Substratsubstratum
- BWBW
- Bonddrahtbonding wire
- LFLF
- Leadframeleadframe
- ICIC
- Integrierte Schaltungintegrated circuit
- SFSF
- Dichtungsrahmensealing frame
- STST
- Sensorzungesensor tongue
- WBCWBC
- WaferbondverbindungWafer bond
- LBLB
- Leiterbahnconductor path
- TPTP
- Trägerplattesupport plate
- VSVS
- Vertikale Verbindungsstrukturvertical connecting structure
- SESE
- Sensorebenesensor level
- HSHS
- Haftschichtadhesive layer
- KSKS
- Kontaktschichtcontact layer
- IGIG
- Isoliergebietinsulating region
- DKDK
- Durchkontaktierungvia
- ISIS
- Isolierschichtinsulating
- SSSS
- Siliziumschichtsilicon layer
- MSMS
- Metallschichtmetal layer
- DSDS
- Dielektrische Schichtdielectric layer
- GPGP
- Grundplattebaseplate
- AKAK
- Elektrischer Außenanschlusselectrical external connection
- EKEK
- Elektrischer Kontaktelectrical Contact
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