用于制造用于MEMS构件的罩的方法和具有这样的罩的混合集成部件 |
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| 申请号 | CN201310507867.1 | 申请日 | 2013-10-24 | 公开(公告)号 | CN103771333B | 公开(公告)日 | 2019-06-07 |
| 申请人 | 罗伯特·博世有限公司; | 发明人 | J·克拉森; A·弗兰克; J·弗莱; H·韦伯; F·菲舍尔; P·韦尔纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种用于罩的制造方法，通过所述方法在具有MEMS构件的垂直混合集成部件的 框架 中不仅可以实现具有低空穴内压的相对较大的空穴容积而且可以实现MEMS构件的微机械结构的可靠过载保护。按照本发明，在多级的 各向异性 的 刻蚀 工艺中在面状的罩衬底中产生罩结构，所述罩结构包括至少一个装配框和罩内侧上的至少一个止挡结构，所述至少一个装配框具有至少一个装配面，所述至少一个止挡结构具有至少一个止挡面，其中，对于多级的各向异性的刻蚀工艺以至少两个由不同材料构成的掩蔽层掩蔽罩衬底的表面；其中，如此选择至少两个掩蔽层的布局和刻蚀步骤的数量和持续时间，使得装配面、止挡面和罩内侧位于罩结构的不同的面 水 平上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制造用于MEMS构件的罩(100、200)的方法，所述MEMS构件具有至少一个能够垂直于构件平面偏移的结构元件， |
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| 说明书全文 | 用于制造用于MEMS构件的罩的方法和具有这样的罩的混合集成部件 技术领域[0001] 本发明涉及一种用于制造用于具有至少一个能够垂直于构件平面偏移的结构元件的MEMS构件的罩的方法。 背景技术[0003] 在US2011/0049652A1中描述了一种这样的垂直集成部件及其制造方法。已知的方法提出，用于MEMS构件的初始衬底键合到已经处理且必要时也经结构化的ASIC衬底上。随后才产生MEMS衬底中的微机械结构。与此无关地，对罩晶片进行结构化并且使其准备用于MEMS系统衬底的微机械结构上方和ASIC衬底上的装配。在MEMS衬底的结构化之后将如此经处理的罩晶片键合到ASIC衬底上，从而微机械结构严密密封地包围在ASIC衬底与罩晶片之间的空穴中。 [0004] 已知的方法能够实现具有微机械的传感器或促动器功能和分析处理或控制电路的稳健的部件的低成本的批量生产，因为在此不仅在复合晶片中制造各个构件——ASIC构件、MEMS构件和罩，而且在晶片层面上也实现其到传感器部件或促动器部件的装配。可以在晶片层面上测试MEMS功能和ASIC功能，并且甚至也可以在晶片层面上进行各个部件的调整。已知部件的堆叠结构同样有利于制造成本降低，因为这些部件在二级装配时仅仅需要比较小的装配面。 [0005] 罩晶体已经在晶片叠堆的再加工期间保护各个MEMS构件的微机械结构免于污染和损坏。因此例如在锯切晶片叠堆以分离各个部件时产生的微粒不会附着在MEMS衬底的微机械结构中。在用于部件封装的模制工艺中，所述罩阻止模制材料侵入MEMS构件的微机械结构中并且损坏其功能性。通过所述罩也显著减少二级装配时部件损坏的风险，因为部件的敏感的微机械结构是不可自由达到的，而是包围在罩与ASIC构件之间的空穴中。 [0006] 通过所述封装也保护MEMS构件的微机械结构在部件制造并且装配在使用地点之后防止污物、潮湿以及通过其他方式损坏功能性的环境影响。 [0007] 借助于所述罩还可以预给定确定的、与部件的类型或者其功能一致的阻尼性能并且在部件的使用寿命上确保所述阻尼功能。在加速度传感器中例如通常力求临界的阻尼性能，而转速传感器要求高的品质。为此，空穴内压应尽可能低。 [0008] 所述要求仅仅通过足够大的空穴容积满足，因为在空穴内在空穴壁和MEMS表面上总是出现一定的气体排出。因此，罩盖部与微机械结构或ASIC构件之间的间距必须相应大。 [0009] 在电容式工作的MEMS构件中存在罩盖部与微机械结构之间的间距不能选择得过小的另一原因，即罩对MEMS构件的电容处的电场的静电影响。如果罩过于接近微机械结构，则微机械结构的电容的电场变形，这在传感器元件的情况下影响测量信号并且在促动器元件的情况下影响控制。 [0010] 对于以上阐述的两个功能——保护微机械结构免于污染和有害的环境影响以及确保MEMS构件的微机械结构的限定的阻尼性能，所述罩也还可以充当用于MEMS构件的可偏移的结构元件的过载保护。当构件例如在装配工艺中掉落或者经受碰撞，则可能出现微机械结构的非常高的负载。在此可以导致各个结构元件从部件平面过度偏移并且甚至导致微机械结构中的卡塞和断裂。借助于限制微机械结构从部件平面偏移的过载保护可以避免这样的伤害。 发明内容[0011] 通过本发明改进由US2011/0049652A1已知的部件结构。特别是提出一种用于罩的制造方法，通过所述方法在已知的垂直混合集成的部件结构的框架内不仅可以实现具有低空穴内压的相对较大的空穴容积而且可以实现用于MEMS构件的微机械结构的可靠过载保护。 [0012] 按照本发明，为此在多级的各向异性的刻蚀工艺中对一个面状的罩衬底进行结构化，以便产生罩结构，所述罩结构包括至少一个装配框和罩内侧上的至少一个止挡结构，所述至少一个装配框具有至少一个装配面，所述至少一个止挡结构具有至少一个止挡面。对于所述多级的各向异性的刻蚀工艺，以至少两个由不同材料构成的掩蔽层来掩蔽罩衬底的表面。如此选择所述掩蔽层的布局和刻蚀步骤的数量和持续时间，使得装配面、止挡面和罩内侧位于罩结构的不同面水平上。 [0013] 多级的各向异性的刻蚀工艺提供以下可能性：在一个面状的衬底中产生不同深度的沟结构。这按照本发明被充分利用，以便在罩内侧上产生止挡结构，其高度不依赖于装配框的高度并且因此不依赖于罩的高度。因此可以借助于按照本发明产生的罩形状实现具有比较大的空穴容积的混合集成部件，其中MEMS构件的微机械结构的脱离平面的偏移独立地通过罩内侧上的止挡结构限制到非临界（unkritisch）的程度上。所述罩形状因此特别适于垂直混合集成的惯性传感器部件。附图说明 [0014] 根据按照本发明制造的罩的多种多样的应用可能性存在按照本发明的制造方法的多种有利的实施变型方案。为此，一方面参照从属于独立权利要求1的各权利要求并且另一方面参照根据附图对本发明的两个实施例的以下描述。 [0015] 图1a-1e借助示意性截面图表示用于制造用于具有MEMS构件和ASIC构件的混合集成部件的罩的按照本发明的第一方法变型方案； [0016] 图2a-2h同样借助示意性截面图表示用于这样的罩的第二制造变型方案； [0017] 图3示出了混合集成部件的示意性截面图，所述混合集成部件具有ASIC构件、MEMS构件和按照本发明制造的罩。 具体实施方式[0019] 在第一方法步骤中，限定尚待制造的罩的装配面。为此首先将连接材料11面状地施加到衬底表面上并且随后如此对其进行结构化，使得连接材料11仅仅保留在衬底表面上的环绕的装配框的区域中。如果要在键合工艺中进行罩的装配，则例如可以使用锗Ge作为连接材料。在图1b中示出了所述第一方法步骤的结果。 [0020] 随后将作为第一掩蔽层的氧化层12施加到衬底表面上并且对其进行结构化。在此示出的实施例中，所述第一掩蔽层12仅仅用于保护具有装配面11的环绕的装配框。在将作为第二掩蔽层漆掩膜（Lackmaske）13施加到衬底表面上之前，从衬底表面的其他区域又完全去除掩蔽层12。借助于漆掩膜13限定罩内侧上的止挡结构。在这里示出的实施例中，如此确定柱状的止挡部的位置和横向延展，这通过图1c表示。 [0021] 在各向异性的第一刻蚀步骤中，现在在衬底表面的未掩蔽的区域中产生沟结构14。在此，在罩中——至少直至第一刻蚀步骤的刻蚀深度——设置空穴，并且暴露装配框15和柱状的止挡部16的上区段。在图1d中示出了所述各向异性的第一刻蚀步骤的结果。 [0022] 在各向异性的第二刻蚀步骤之前，现在从止挡部16去除漆掩膜13，而氧化物掩膜（Oxidmaske）12保留在装配框15上。相应地，在第二刻蚀侵蚀时不仅加深沟结构14。重要的是，在此也将柱状的止挡部16减薄到限定的高度上，所述限定的高度通过第二刻蚀侵蚀的持续时间确定。通过这种方式在一个面水平上实现止挡面161，所述面水平相对于罩100的装配面11的面水平具有可预给定的间距。图1e示出作为当从装配框15也去除了氧化层12之后前述结构化工艺的结果的罩100。 [0023] 在图2a至2h中示出了以上描述的双掩蔽工艺的有利变型方案，其提供更大的设计灵活性。在所述方法变型方案中也使用硅晶片20作为原始衬底。 [0024] 图2a示出在切除以及结构化作为键合框21的连接层（例如由锗构成）之后的硅晶片20。键合框21形成待制造的罩的环绕的装配框上的装配面。 [0025] 如同在硅晶片10的情形中那样，现在将作为第一掩蔽层的氧化层22施加到衬底表面上并且对其进行结构化。但所述第一掩蔽层22在此不仅用于保护环绕的键合框21。除键合框21以外，以第一掩蔽层22掩蔽衬底表面在键合框21内的另一区域27，这在图2b中示出。所述另一区域27在在此示出的实施例中可以是环形的，但也可以以其他方式形成。 [0026] 随后施加作为第二掩蔽层的漆掩膜23。图2c示出两个掩蔽层22和23局部叠加，更确切地说至少在装配框的区域中。但借助于漆掩膜23也掩蔽环形的衬底区域27的中央处的衬底区域28，在那里应暴露柱状的止挡部。 [0027] 在现在随后的各向异性的第一刻蚀步骤中，在衬底表面的未掩蔽的区域中产生沟结构24。在此暴露装配框25的上区段——至少直至第一刻蚀步骤的刻蚀深度。所述各向异性的第一刻蚀步骤的结果在图2d中示出。 [0028] 在各向异性的第二刻蚀步骤之前，现在去除第一掩蔽层22的未通过漆掩膜23保护的区域。如从图2e中看到的那样，在此尤其暴露衬底表面的环形区域27。 [0029] 图2f示出在第二刻蚀侵蚀之后的硅衬底20。在此，一方面加深了沟结构24，另一方面去除了装配框25内的环形区域27中衬底材料。由此在如此产生的沟结构24的中间区域中暴露柱状的止挡部26。 [0030] 在另一方法步骤中（其结果在图2g中示出），现在从经结构化的衬底表面并且尤其从止挡部26去除漆掩膜23。随后仅仅还相对于进一步的刻蚀侵蚀保护键合框21，更确切地说通过第一掩蔽层22的保留的区域。 [0031] 在随后的第三刻蚀侵蚀时，再一次总体上加深沟结构24，其中保留已经产生的沟轮廓。此外将柱状的止挡部26减薄至限定的高度上。图2h示出当已经去除第一掩蔽层22的保留的区域以及已经暴露键合框21之后作为所述结构化工艺的结果的罩200。罩结构或者沟轮廓在这种情况下除键合框21的水平以外甚至还包括三个不同的面水平，即柱状的止挡部26的止挡面261的水平、环形地环绕止挡部26的区域27中的水平271以及环绕所述区域27的区域24中的水平241，其决定性地决定罩200下方的空穴容积的大小。 [0032] 图3中的垂直混合集成的惯性传感器部件300的示图表示按照本发明制造的罩的优点。 [0033] 部件300包括ASIC构件310，用于传感器功能的分析处理电路的至少一部分集成到所述ASIC构件中。在ASIC构件310的后端叠堆311中构造有用于信号检测的电容装置的两个固定电极312。在所述电极装置312上方并且与后端叠堆311间隔开地，在ASIC构件310上装配有MEMS构件320。所述MEMS构件310的微机械结构在其整个厚度上延伸并且包括弹性悬挂的震动质量（die seismische Masse）321，其能够与构件平面垂直地偏移。震动质量321充当电容装置的可偏移的电极，从而震动质量321的偏移引起电容装置的电容变化并且可以被检测。最后，部件300还包括罩330，其严密密封地装配在ASIC构件310上的MEMS构件320上方。相应地，MEMS构件320的微机械结构在空穴333内的限定的压力条件下包围在罩330与ASIC构件310之间。 [0034] 罩330以经结构化的、面状的罩衬底的形式实现并且基本上由具有环绕的装配框332的罩盖部331组成。装配框332垂直地从罩盖部331突出并且如此确定ASIC表面或者MEMS结构与罩盖部331之间的间距并且因此确定空穴333的大小。在罩内侧3310上构造有用于MEMS构件320的震动质量321的止挡结构。所述止挡结构以两个柱状的止挡部334的形式实现，其设置在震动质量321的区域中并且伸到空穴333内部中。 [0035] 重要的是，装配面3320位于装配框332上，止挡面3340位于柱状的止挡部334上，并且罩内侧3310位于不同的面水平上。由此可以实现比较大的空穴容积并且因此在需要时也可以实现低的空穴内压，而将震动质量321的偏移借助于止挡部334限制到非临界的程度上。在此不出现罩结构与MEMS构件或ASIC构件之间的静电相互作用（其显著损害电容式的信号检测），因为止挡面3340仅仅是比较小的并且与罩盖部331的间距足够大。 [0036] 在此示出的垂直混合集成的部件300有利地大批量地以复合晶片制造。为此首先处理ASIC衬底，以便产生多个设置在格栅中的ASIC构件的功能性。随后在ASIC衬底的经处理的前侧上装配MEMS衬底。在装配在ASIC衬底上之后才进行所述MEMS衬底的结构化。在此在每一个ASIC构件上方产生MEMS构件的微机械结构。所述微机械结构在MEMS衬底的整个厚度上延伸。与此无关地，在ASIC构件和MEMS构件的格栅中对罩衬底进行结构化，更确切地说例如如同接合图1或2描述的那样。随后将如此结构化的罩衬底装配在ASIC衬底上的MEMS构件的格栅上。随后才分离这些部件。 |
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