專利名稱：具有帶有不同大氣內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有基底晶片的微機(jī)械裝置，該微機(jī)械裝置至少具有
一個(gè)第一空腔(Kaveme)和一個(gè)第二空腔，其中這些空腔密封地彼此分離， 其中所述第一空腔具有不同于所述第二空腔的另一大氣內(nèi)壓力。
背景技術(shù)：
為了對用于微機(jī)械裝置的空腔進(jìn)行封閉，在現(xiàn)有技術(shù)中公知的是將兩 個(gè)基底晶片進(jìn)行鍵合。通常在晶片鍵合時(shí)，所述兩個(gè)基底晶片中的一個(gè)包 括微機(jī)械機(jī)構(gòu)，例如傳感器結(jié)構(gòu)。另一基底晶片，即罩形晶片，具有空槽。 對所述罩形晶片的空槽以及所述傳感器晶片的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，以使 在通過一晶片鍵合方法組合這些晶片時(shí)在每個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)上方構(gòu)成一空 洞，即所謂的空腔。該空腔相對于環(huán)境密封，并且因此保護(hù)了所述微機(jī)械 的傳感器結(jié)構(gòu)免受例如濕度和顆粒等環(huán)境影響。為了確保這一點(diǎn)，必須如 此設(shè)計(jì)所述兩個(gè)晶片之間的結(jié)合面，以使即使在將晶片分割為單獨(dú)的傳感 器芯片之后，在各個(gè)單獨(dú)的芯片周圍仍保留了密封的鍵合連接。
在晶片鍵合過程中所使用的設(shè)備尤其是允許對過程壓力進(jìn)行設(shè)定。由 于在晶片鍵合期間封閉了所述空腔，因而在該設(shè)備中所調(diào)節(jié)的過程壓力在 密閉溫度下被封閉在復(fù)合晶片的每一個(gè)空腔中。在室溫下，該壓力按照理 想的氣體定律下降。在所述空腔內(nèi)的壓力對于許多應(yīng)用而言是一個(gè)非常重 要的參數(shù)。因此，例如在微機(jī)械的加速度傳感器中必須封入相對較高的壓 力，以便確保傳感器元件的足夠的阻尼。與之相反，在諧振地運(yùn)轉(zhuǎn)的微機(jī) 械的橫擺速率傳感器中，通常選擇較低的內(nèi)壓力，以便確保較高的質(zhì)量和 較低的驅(qū)動(dòng)電壓。
微機(jī)械朝著越來越小的傳感器元件發(fā)展。日益增長的小型化允許在一 個(gè)傳感器芯片上集成多個(gè)傳感器元件。目前，例如同時(shí)在所有三個(gè)空間方 向上對加速度進(jìn)行檢測的傳感器芯片是公知的。由于上述晶片鍵合方法的過程控制，迄今為止尚不能毫不費(fèi)力地將具有不同內(nèi)壓力的不同傳感器元 件(例如微機(jī)械的加速度傳感器和橫擺速率傳感器)集成在一個(gè)傳感器芯 片上。
刊物DE 10 2004給出了一個(gè)具有帶有不同內(nèi)壓力的多個(gè)空腔的微機(jī) 械元件。借助于晶片封裝來封閉所述空腔。 一個(gè)空腔被再次打開，并且隨 后在不同的大氣內(nèi)壓力時(shí)采用氧化層再次將該空腔封閉起來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有一基底晶片的微機(jī)械裝置，該微機(jī)械裝置至少具 有一個(gè)第一空腔和一個(gè)第二空腔，其中這些空腔密封地彼此分離，其中所 述第一空腔具有不同于所述第二空腔的另一大氣內(nèi)壓力。本發(fā)明的核心在 于，采用一薄層罩來封裝這些空腔。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置具有 一基底晶片和一薄層罩并且因此具有一與現(xiàn)有技術(shù)中的微機(jī)械裝置相比減 小了的結(jié)構(gòu)高度。有利地，在基底晶片和罩子之間的密閉的結(jié)合面僅須更 小的表面積要求，因?yàn)楣?jié)省了耗費(fèi)的鍵合連接。有利地，由于所述薄層封 裝允許更精確地確定空腔的尺寸，因而所述空腔在尺寸上可以做得更小。
有利地，所述薄層罩至少具有一個(gè)第一薄層、 一個(gè)第二薄層和一個(gè)第 三薄層。本發(fā)明的一個(gè)特別有利的構(gòu)型方案提出，所述第一薄層直接布置 在所述第一和第二空腔上并且具有用于該第一空腔的第一入口和用于該第 二空腔的第二入口，所述第二薄層封閉這些第二入口，所述第三薄層封閉 這些第一入口。有利地，由所述第一薄層來限定所述空腔。有利地，可以 通過構(gòu)造第二和第三薄層將不同的大氣壓力封入所述空腔中。同樣有利地， 所述第一入口具有比所述第二入口更大的直徑。有利地，盡管所述第二和 第三薄層均勻地位于所述第一薄層上，但是可以借助該第二和第三薄層來 選擇性地封閉這些入口。
有利地，在所述空腔的至少兩個(gè)中設(shè)置傳感器結(jié)構(gòu)。特別有利地，所 述傳感器結(jié)構(gòu)涉及至少一個(gè)微機(jī)械的橫擺速率傳感器和至少一個(gè)微機(jī)械的 加速度傳感器。有利地，將所述橫擺速率傳感器布置在一個(gè)比所述加速度 傳感器具有更小大氣內(nèi)壓力的空腔中，該加速度傳感器布置在另外一個(gè)空腔中。這樣有利地，所述橫擺速率傳感器的一活動(dòng)結(jié)構(gòu)要比所述加速度傳 感器的一活動(dòng)結(jié)構(gòu)更小地被阻尼。
此外，本發(fā)明還涉及用于制造具有薄層封裝及具有帶有不同大氣內(nèi)壓 力的空腔的微機(jī)械裝置的方法。有利地，根據(jù)本發(fā)明的方法允許將多個(gè)具 有不同內(nèi)壓力要求的微機(jī)械傳感器元件集成在一塊傳感器芯片上。與現(xiàn)有 技術(shù)不同，也不需要用于封裝的第二芯片或晶片。因此，通過此方法可以 減少所消耗的硅面積并且減小殼體尺寸。
本發(fā)明特別適用于被封裝后的微機(jī)械的半導(dǎo)體傳感器例如橫擺速率傳 感器、加速度傳感器、化學(xué)傳感器、壓力傳感器或者麥克風(fēng)的集成。特別 是由此可以生成一傳感器芯片，該傳感器芯片將一多軸的加速度傳感器和 一多軸的橫擺速率傳感器集成在一塊傳感器芯片上，以使用在例如消費(fèi)品 中。


圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置。
圖3A-F示出了根據(jù)本發(fā)明的用于制造具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的 微機(jī)械裝置的方法。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝 置。 一基底晶片10包括兩個(gè)微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)11和12。 一第二基底晶片 20包括兩個(gè)分別位于微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)11和12上方的空腔21和22。兩 個(gè)基底晶片10和20在三個(gè)區(qū)域31、 32和33內(nèi)通過鍵合框借助一晶片鍵 合方法采用中間層而彼此連接。鍵合框32使兩個(gè)空腔21和22密封地彼此 分開，而鍵合框31和33使所述空腔密封地與環(huán)境分離。在空腔21和22 的上方分別存在一隔膜區(qū)域23和24。一薄層40位于基底晶片20的表面上。 基底晶片20在隔膜區(qū)域24中具有一個(gè)或多個(gè)入口 25。對入口 25的直徑進(jìn) 行選擇，以使該入口在薄層40沉積期間完全被封閉。對晶片鍵合期間或者入口封閉期間的工藝參數(shù)進(jìn)行選擇，以使空腔21中的內(nèi)壓力任意地不同于空腔22中的內(nèi)壓力。對于該工藝步驟而言，所謂的"化學(xué)氣相沉積"方法(CVD)是適宜的，在該方法中，從氣相中通過化學(xué)反應(yīng)來沉積出一薄層。適宜用作薄層的材料例如為硅氧化物?？梢栽诓煌膲毫Ψ秶聢?zhí)行CVD方法。例如"等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積"方法(PECVD)在3到6 mbar的壓力范圍下被執(zhí)行。與之相反，在大氣壓力下執(zhí)行"常壓化學(xué)氣相沉積"方法(APCVD)。由于空腔22在工藝中被封閉，因而封入了在所述工藝期間存在于空腔中的壓力。在本實(shí)施例中，可以借助APCVD方法來封閉入口25。因此，在工藝結(jié)束之后，在空腔21中存在的內(nèi)壓力為1 mbar，而在空腔22中的是大氣壓力。
根據(jù)所選擇的沉積過程和沉積條件，最終空腔21得到0.1 10 mbar的內(nèi)壓力，并且空腔22得到100 1500 mbar的內(nèi)壓力。在此重要的沉積條件為沉積溫度和沉積壓力。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置。根據(jù)本發(fā)明，通過一所謂的薄層封裝100來封閉所述空腔。與晶片封裝不同，薄層封裝由一個(gè)或多個(gè)沉積層組成，所述沉積層在層材料沉積之后形成一個(gè)罩。在晶片封裝時(shí)， 一制成的罩結(jié)構(gòu)被安放在一塊晶片中，如圖1所描述的。根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的基底晶片IO在其實(shí)施方式上并非顯著地區(qū)別于在圖1中所描述的基底晶片。該基底晶片10同樣包括兩個(gè)在空間上被布置為彼此分離的微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)11和12。為了生成所述空腔，在本實(shí)施形式中，不采用第二基底晶片而是首先使用一個(gè)第一薄層50。可以例如通過外延來沉積該薄層。薄層50在至少三個(gè)區(qū)域51、 52和53中與基底晶片IO相連。由此生成的空腔21和22可以比圖1中的空腔21和22顯著更小。連接52將兩個(gè)空腔21和22密封地彼此分離。 一個(gè)第二薄層60和一個(gè)第三薄層70位于第一薄層50的表面上。薄層50在空腔21和22的區(qū)域內(nèi)構(gòu)成兩個(gè)隔膜區(qū)域54和55。在隔膜區(qū)域54中開有一個(gè)或多個(gè)入口56。隔膜區(qū)域55包括一個(gè)或多個(gè)入口 57。入口 56的直徑不同于入口 57的直徑。對入口 57的直徑進(jìn)行選擇，以使它們在沉積薄層60時(shí)被完全封閉起來。對入口 56的直徑進(jìn)行選擇，以使它們在沉積薄層70時(shí)才被完全封閉起來。對沉積第二薄層60期間以及沉積第三薄層70期間的工藝參數(shù)進(jìn)行選擇，以使不同的內(nèi)壓力被封閉在空腔21和22內(nèi)，該內(nèi)壓力基本上取決于沉積薄層時(shí)所使用的方法。第一薄層50、第二薄層60和第三薄層70構(gòu)成薄層封裝100。
圖3A-F示出了根據(jù)本發(fā)明的用于制造具有帶有不同內(nèi)壓力的空腔的微機(jī)械裝置的方法。
圖3A示出了在沉積第一薄層50之前的一個(gè)基底晶片10。 一犧牲層13包圍了傳感器結(jié)構(gòu)11和12。適宜用作犧牲層13的例如為硅氧化物。
圖3B示出了如何在第二工藝步驟中沉積第一薄層50。第一薄層50在三個(gè)區(qū)域51、 52和53中與基底晶片IO直接接觸。在微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)11和12的區(qū)域中，第一薄層50沉積在犧牲層13上。適宜用作第一薄層50的材料例如為外延地沉積的硅。
圖3C示出了如何在第三工藝步驟中在兩個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)11和12上方生成入口 56和57。在此，在傳感器元件11上方的入口 56的直徑不同于在另一傳感器元件12上方的入口 57的直徑。用作蝕刻掩模的例如為光刻掩模。適宜作為用于生成所述入口的方法的例如為一反應(yīng)性的lonenatzproze/3-工藝。位于第一薄層50之下的犧牲層13用作停止層。
圖3D示出了如何在第四工藝步驟中去除犧牲層13。為此適宜的例如為氣態(tài)的蝕刻介質(zhì)，該蝕刻介質(zhì)各向同性地完全去除選擇性地用于第一薄層50的犧牲層材料。由此生成了空腔21和22并且釋放了微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)11和12。在去除了犧牲層之后，在兩個(gè)打開的空腔中充滿著大氣壓力。
圖3E示出了如何在第五工藝步驟中沉積第二薄層60。在此，入口57被完全封閉，而入口 56由于更大的直徑而保持打開。適宜作為薄層材料的例如為硅氧化物。作為沉積方法可以例如使用與圖1中所描述的方法類似的CVD工藝。由于在該工藝步驟中封閉了入口 57，并且因此密封地封閉了空腔22，因而在該工藝結(jié)束之后在空腔22中充滿著在工藝室中所設(shè)定的壓力。例如，如果選擇了 PECVD方法，那么在空腔5中的內(nèi)壓力可為5 mbar。
圖3F示出了如何在最后的工藝步驟中沉積第三薄層70。在此，入口58被完全封閉。在這里同樣可以將硅氧化物用作薄層材料，并且將CVD工藝用作沉積方法?？涨?1中的內(nèi)壓力尤其不同于空腔22中的內(nèi)壓力。因此，例如可以選擇APCVD方法來封閉入口 58。因此，在該工藝結(jié)束之后，例如在空腔22中存在著5mbar的大氣內(nèi)壓力，在空腔21中充滿著1atm(約1013mbar)的大氣內(nèi)壓力。如對圖1所描述的那樣，同樣可實(shí)現(xiàn)不同的壓力。
權(quán)利要求
1.具有一基底晶片(10)的微機(jī)械裝置，至少具有一個(gè)第一空腔(21)和一個(gè)第二空腔(22)，其中這些空腔密封地彼此分開，其中所述第一空腔(21)具有不同于所述第二空腔(22)的一大氣內(nèi)壓力，其特征在于，這些空腔借助一薄層罩(100)被封裝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械裝置，其特征在于，所述薄層罩(100) 至少具有一個(gè)第一薄層(50)、 一個(gè)第二薄層(60)和一個(gè)第三薄層(70)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)械裝置，其特征在于，所述第一薄層(50) 緊鄰地設(shè)置在所述第一和第二空腔(21， 22)之上并且具有至所述第一空 腔(21)的第一入口 (56)和至所述第二空腔(22)的第二入口 (57)，所 述第二薄層(60)封閉所述第二入口 (57)，所述第三薄層(70)封閉所述 第一入口 (56)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的微機(jī)械裝置，其特征在于，這些第一入 口 (56)具有比這些第二入口 (57)大的直徑。
5. 用于制造具有一基底晶片(10)的微機(jī)械裝置的方法，該微機(jī)械裝 置至少具有一個(gè)第一空腔(21)和一個(gè)第二空腔(22)，其中這些空腔密封 地彼此分開，其中所述第一空腔(21)具有不同于所述第二空腔(22)的 一大氣內(nèi)壓力，其特征在于以下制造步驟(A) 提供一具有第一和第二微機(jī)械結(jié)構(gòu)(11和12)的基底晶片(10)， 所述第一和第二微機(jī)械結(jié)構(gòu)被第一和第二犧牲層區(qū)域(13和14)覆蓋；(B) 在所述基底晶片(10)以及所述第一和第二犧牲層區(qū)域(13和 14)上沉積一個(gè)第一薄層(50);(C) 在所述第一薄層(50)中生成延伸直到所述第一犧牲層區(qū)域(13) 的第一入口 (56),以及在所述第一薄層(50)中生成延伸直到所述第二犧 牲層區(qū)域(14)的第二入口 (57);(D) 通過所述第一和第二入口 (56和57)引入一蝕刻介質(zhì)并且選擇 性地蝕刻所述第一和第二犧牲層區(qū)域(13和14)，從而構(gòu)成第一和第二空 腔(21和22);(E) 在所述第一薄層(50)上沉積一第二薄層(60)，并且由此利用 該第二薄層(60)來封閉至所述第二空腔(22)的所述第二入口 (57);(F) 在所述第二薄層(60)上沉積一第三薄層(70)，并且由此利用 該第三薄層(70)來封閉至所述第一空腔(21)的所述第一入口 (56)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于制造微機(jī)械裝置的方法，其特征在于， 在所述制造步驟(C)中，以比所述第二入口 (57)大的直徑生成所述第一 入口 (56)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的用于制造微機(jī)械裝置的方法，其特征在 于，在所述制造步驟(E)中，通過沉積所述第二薄層(60)使所述第一入 口 (56)變窄。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有一基底晶片(10)的微機(jī)械裝置，該微機(jī)械裝置至少具有一個(gè)第一空腔(21)和一個(gè)第二空腔(22)，其中所述空腔密封地彼此分離，其中所述第一空腔(21)具有不同于所述第二空腔(22)的另一大氣內(nèi)壓力。本發(fā)明的核心在于，采用一薄層罩(100)來封裝所述空腔。此外，本發(fā)明還涉及用于制造具有薄層封裝的微機(jī)械裝置的方法，該微機(jī)械裝置具有帶有不同大氣內(nèi)壓力的空腔。
文檔編號B81B7/02GK101643193SQ20091016112
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月4日
發(fā)明者J·貢斯卡, R·豪斯納 申請人:羅伯特.博世有限公司