專利名稱：具有帶有不同大氣內壓力的空腔的微機械裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有基底晶片的微機械裝置，該微機械裝置至少具有
一個第一空腔(Kaveme)和一個第二空腔，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壓力。
背景技術：
為了對用于微機械裝置的空腔進行封閉，在現有技術中公知的是將兩 個基底晶片進行鍵合。通常在晶片鍵合時，所述兩個基底晶片中的一個包 括微機械機構，例如傳感器結構。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構進行布置，以使 在通過一晶片鍵合方法組合這些晶片時在每個傳感器結構上方構成一空 洞，即所謂的空腔。該空腔相對于環境密封，并且因此保護了所述微機械 的傳感器結構免受例如濕度和顆粒等環境影響。為了確保這一點，必須如 此設計所述兩個晶片之間的結合面，以使即使在將晶片分割為單獨的傳感 器芯片之后，在各個單獨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備尤其是允許對過程壓力進行設定。由 于在晶片鍵合期間封閉了所述空腔，因而在該設備中所調節的過程壓力在 密閉溫度下被封閉在復合晶片的每一個空腔中。在室溫下，該壓力按照理 想的氣體定律下降。在所述空腔內的壓力對于許多應用而言是一個非常重 要的參數。因此，例如在微機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，在諧振地運轉的微機 械的橫擺速率傳感器中，通常選擇較低的內壓力，以便確保較高的質量和 較低的驅動電壓。
微機械朝著越來越小的傳感器元件發展。日益增長的小型化允許在一 個傳感器芯片上集成多個傳感器元件。目前，例如同時在所有三個空間方 向上對加速度進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力地將具有不同內壓力的不同傳感器元 件(例如微機械的加速度傳感器和橫擺速率傳感器)集成在一個傳感器芯 片上。
刊物DE 10 2004給出了一個具有帶有不同內壓力的多個空腔的微機 械元件。借助于晶片封裝來封閉所述空腔。 一個空腔被再次打開，并且隨 后在不同的大氣內壓力時采用氧化層再次將該空腔封閉起來。
發明內容
本發明涉及一種具有一基底晶片的微機械裝置，該微機械裝置至少具 有一個第一空腔和一個第二空腔，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壓力。本發明的核心在 于，采用一薄層罩來封裝這些空腔。
有利地，根據本發明的具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝置具有 一基底晶片和一薄層罩并且因此具有一與現有技術中的微機械裝置相比減 小了的結構高度。有利地，在基底晶片和罩子之間的密閉的結合面僅須更 小的表面積要求，因為節省了耗費的鍵合連接。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第一薄層、 一個第二薄層和一個第 三薄層。本發明的一個特別有利的構型方案提出，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中設置傳感器結構。特別有利地，所 述傳感器結構涉及至少一個微機械的橫擺速率傳感器和至少一個微機械的 加速度傳感器。有利地，將所述橫擺速率傳感器布置在一個比所述加速度 傳感器具有更小大氣內壓力的空腔中，該加速度傳感器布置在另外一個空腔中。這樣有利地，所述橫擺速率傳感器的一活動結構要比所述加速度傳 感器的一活動結構更小地被阻尼。
此外，本發明還涉及用于制造具有薄層封裝及具有帶有不同大氣內壓 力的空腔的微機械裝置的方法。有利地，根據本發明的方法允許將多個具 有不同內壓力要求的微機械傳感器元件集成在一塊傳感器芯片上。與現有 技術不同，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。
本發明特別適用于被封裝后的微機械的半導體傳感器例如橫擺速率傳 感器、加速度傳感器、化學傳感器、壓力傳感器或者麥克風的集成。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，以使用在例如消費品 中。
圖1示出了根據現有技術的具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝置。
圖2示出了根據本發明的具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝置。
圖3A-F示出了根據本發明的用于制造具有帶有不同內壓力的空腔的 微機械裝置的方法。
具體實施例方式
圖1示出了根據現有技術的具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝 置。 一基底晶片10包括兩個微機械傳感器結構11和12。 一第二基底晶片 20包括兩個分別位于微機械傳感器結構11和12上方的空腔21和22。兩 個基底晶片10和20在三個區域31、 32和33內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境分離。在空腔21和22 的上方分別存在一隔膜區域23和24。一薄層40位于基底晶片20的表面上。 基底晶片20在隔膜區域24中具有一個或多個入口 25。對入口 25的直徑進 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進行選擇，以使空腔21中的內壓力任意地不同于空腔22中的內壓力。對于該工藝步驟而言，所謂的"化學氣相沉積"方法(CVD)是適宜的，在該方法中，從氣相中通過化學反應來沉積出一薄層。適宜用作薄層的材料例如為硅氧化物。可以在不同的壓力范圍下執行CVD方法。例如"等離子增強化學氣相沉積"方法(PECVD)在3到6 mbar的壓力范圍下被執行。與之相反，在大氣壓力下執行"常壓化學氣相沉積"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。在本實施例中，可以借助APCVD方法來封閉入口25。因此，在工藝結束之后，在空腔21中存在的內壓力為1 mbar，而在空腔22中的是大氣壓力。
根據所選擇的沉積過程和沉積條件，最終空腔21得到0.1 10 mbar的內壓力，并且空腔22得到100 1500 mbar的內壓力。在此重要的沉積條件為沉積溫度和沉積壓力。
圖2示出了根據本發明的具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝置。根據本發明，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，薄層封裝由一個或多個沉積層組成，所述沉積層在層材料沉積之后形成一個罩。在晶片封裝時， 一制成的罩結構被安放在一塊晶片中，如圖1所描述的。根據本發明的微機械結構的基底晶片IO在其實施方式上并非顯著地區別于在圖1中所描述的基底晶片。該基底晶片10同樣包括兩個在空間上被布置為彼此分離的微機械傳感器結構11和12。為了生成所述空腔，在本實施形式中，不采用第二基底晶片而是首先使用一個第一薄層50。可以例如通過外延來沉積該薄層。薄層50在至少三個區域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將兩個空腔21和22密封地彼此分離。 一個第二薄層60和一個第三薄層70位于第一薄層50的表面上。薄層50在空腔21和22的區域內構成兩個隔膜區域54和55。在隔膜區域54中開有一個或多個入口56。隔膜區域55包括一個或多個入口 57。入口 56的直徑不同于入口 57的直徑。對入口 57的直徑進行選擇，以使它們在沉積薄層60時被完全封閉起來。對入口 56的直徑進行選擇，以使它們在沉積薄層70時才被完全封閉起來。對沉積第二薄層60期間以及沉積第三薄層70期間的工藝參數進行選擇，以使不同的內壓力被封閉在空腔21和22內，該內壓力基本上取決于沉積薄層時所使用的方法。第一薄層50、第二薄層60和第三薄層70構成薄層封裝100。
圖3A-F示出了根據本發明的用于制造具有帶有不同內壓力的空腔的微機械裝置的方法。
圖3A示出了在沉積第一薄層50之前的一個基底晶片10。 一犧牲層13包圍了傳感器結構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在三個區域51、 52和53中與基底晶片IO直接接觸。在微機械傳感器結構11和12的區域中，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傳感器結構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的蝕刻介質，該蝕刻介質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并且釋放了微機械傳感器結構11和12。在去除了犧牲層之后，在兩個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，因而在該工藝結束之后在空腔22中充滿著在工藝室中所設定的壓力。例如，如果選擇了 PECVD方法，那么在空腔5中的內壓力可為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。空腔21中的內壓力尤其不同于空腔22中的內壓力。因此，例如可以選擇APCVD方法來封閉入口 58。因此，在該工藝結束之后，例如在空腔22中存在著5mbar的大氣內壓力，在空腔21中充滿著1atm(約1013mbar)的大氣內壓力。如對圖1所描述的那樣，同樣可實現不同的壓力。
權利要求
1.具有一基底晶片(10)的微機械裝置，至少具有一個第一空腔(21)和一個第二空腔(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)的一大氣內壓力，其特征在于，這些空腔借助一薄層罩(100)被封裝。
2. 根據權利要求1所述的微機械裝置，其特征在于，所述薄層罩(100) 至少具有一個第一薄層(50)、 一個第二薄層(60)和一個第三薄層(70)。
3. 根據權利要求2所述的微機械裝置，其特征在于，所述第一薄層(50) 緊鄰地設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. 根據權利要求2或3所述的微機械裝置，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)的微機械裝置的方法，該微機械裝 置至少具有一個第一空腔(21)和一個第二空腔(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械結構(11和12)的基底晶片(10)， 所述第一和第二微機械結構被第一和第二犧牲層區域(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域(13和 14)上沉積一個第一薄層(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)引入一蝕刻介質并且選擇 性地蝕刻所述第一和第二犧牲層區域(13和14)，從而構成第一和第二空 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. 根據權利要求5所述的用于制造微機械裝置的方法，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. 根據權利要求5或6所述的用于制造微機械裝置的方法，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
本發明涉及一種具有一基底晶片(10)的微機械裝置，該微機械裝置至少具有一個第一空腔(21)和一個第二空腔(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)的另一大氣內壓力。本發明的核心在于，采用一薄層罩(100)來封裝所述空腔。此外，本發明還涉及用于制造具有薄層封裝的微機械裝置的方法，該微機械裝置具有帶有不同大氣內壓力的空腔。
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 優先權日2008年8月4日
發明者J·貢斯卡, R·豪斯納 申請人:羅伯特.博世有限公司