具有激光激活的吸气剂材料的传感器元件的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的方法。

背景技术：

由WO 2015/120939 A1已知这类方法。如果期望在微机械结构元件的空穴中有确定的内压，或在空穴中应包含具有确定的化学组分的气体混合物，那么通常在封装微机械结构元件时或在衬底晶片与罩晶片之间的键合过程中设定内压或化学组分。在封装时例如将罩与衬底连接，由此罩与衬底共同包围空穴。通过设定在封装时在周围环境中存在的气体混合物的气氛或压力和/或化学组分，可以因此设定在空穴中的确定的内压和/或确定的化学组分。

通过由WO 2015/120939 A1已知的方法可以有针对性地设定在微机械结构元件的空穴中的内压。通过该方法尤其可能的是，制造具有第一空穴的微机械结构元件，其中，在第一空穴中可以设定第一压力和第一化学组分，该第一压力或第一化学组分不同于在封装时刻的第二压力和第二化学组分。

在根据WO 2015/120939 A1的用于有针对性地设定微机械结构元件的空穴中的内压的方法中，在罩中或者说在罩晶片中或在衬底中或者说在传感器晶片中产生到空穴的窄的进入通道。紧接着以所期望的气体和所期望的内压通过进入通道充满空穴。最后借助于激光器局部地加热环绕进入通道的区域，衬底材料局部液化并且在固化时密封地封闭进入通道。

在转速传感器中例如包含非常小的、例如小于1mbar的压力。这是这种情况，因为在转速传感器中一部分可运动的结构被共振地驱动。在压力低的情况下，由于小的阻尼可以通过相对小的应力非常容易地激励振动。

与此相对，在加速度传感器中不期望传感器出现振动，这在施加外部加速度时是可能的。因此，这些传感器在较高内压的情况下运行。加速度传感器的内压例如是500mbar。

用于有针对性地设定微机械结构元件的空穴中的内压的另一方法由EP 2 004 542 B1已知。

技术实现要素：

本发明的任务是，以相对于现有技术简单并且成本有利的方式提供一种用于制造相对于现有技术机械牢固的以及具有长使用寿命的微机械结构元件的方法。此外，本发明的任务是，提供一种相对于现有技术紧凑的、机械牢固的并且具有长使用寿命的微机械结构元件。根据本发明，这尤其适用于具有(第一)空穴的微机械结构元件。通过根据本发明的方法和根据本发明的微机械结构元件还能够实现一种微机械结构元件，在该微机械结构元件中，在第一空穴中可以设定第一压力和第一化学组分，并且在第二空穴中可以设定第二压力和第二化学组分。例如设置这类用于制造微机械结构元件的方法，对于该微机械结构元件有利的是，在第一空穴中包含第一压力并且在第二空穴中包含第二压力，其中，第一压力应不同于第二压力。例如当用于转速测量的第一传感器单元和用于加速度测量的第二传感器单元要集成在一个微机械结构元件中时是这种情况。本发明的任务尤其是能够在微机械结构元件的使用寿命期间实现高品质。

所述任务通过以下方式解决：

借助于通过激光产生的激光辐射至少部分地在第三方法步骤期间激活在第三方法步骤之前引入到第一空穴中的吸气剂。

由此以简单并且成本有利的方式提供一种用于制造微机械结构元件的方法，通过该方法可以使第一空穴中的第一压力(尤其当第一空穴是转速传感器空穴时)在使用寿命期间基本上保持恒定或稳定，或通过该方法可以使第一压力在临时设定第一压力之后进一步减少。这例如通过以下方式实现：在使用寿命期间从第一空穴内部的材料中析出的或通过气体扩散、例如穿过衬底或穿过罩或穿过第一空穴与第二空穴之间的键合框架或键合接片到达第一空穴中的小的气体量由吸气剂约束。

根据本发明的方法也是有利的，因为所引入的材料或吸气剂材料或已激活的吸气剂仅须具有小的吸附能力或者说吸着能力，因为其仅须接收在空穴被密封封闭之后侵入的小的气体量。尤其由于第一、第二和第三方法步骤的实施是这种情况，因为由此可以预设定第一压力，并且吸气剂仅须进一步设定第一压力。由此尤其能够实现具有相对于现有技术更小的气体接收能力的吸气剂或吸气剂材料的使用。例如根据本发明设置为，每单位吸气剂面积的可由吸气剂接收的最大微粒数量是10²¹或10²⁰或10¹⁹或10¹⁸或10¹⁷或10¹⁶或10¹⁵或10¹⁴或10¹³或10¹²或10¹¹或10¹⁰或10⁹或10⁸或10⁷或10⁶1/m²。

根据本发明的方法尤其相对于以下方法是有利的，在该方法中需要不同的压力p1/p2，即在转速传感器的空穴中需要p1并且在加速度传感器的空穴中需要p2，其中，在转速传感器的空穴中借助于吸气剂使最初包含在两个空穴中的高压随后通过吸气剂在温度步骤中的激活在转速传感器的空穴中达到低压。相对于这样的方法，根据本发明的方法是相对简单并且成本有利的。

此外，当通过罩晶片、例如通过密封玻璃作为连接材料或通过其他不同的键合材料或键合系统例如共晶的铝锗(AlGe)系统或铜锡铜(CuSnCu)系统在高温下对布置在第一空穴中的MEMS结构进行密封时，根据本发明的方法是有利的。即使当键合方法在真空中并且在高温下实施时，气体也在更高的温度下从键合系统中蒸发出来，并且在空穴中产生剩余压力，该剩余压力与键合方法期间的非常低的压力无关地存在于空穴中。该剩余压力可以通过根据本发明的方法相对于现有技术明显减少。

根据本发明的方法也有利的是，如果传感器的表面或传感器芯设有有机涂层，所述有机涂层防止可运动的结构彼此粘接，并且这些有机涂层在高温下例如在键合方法中退化并且不再是完全有效的。通过根据本发明的方法能够以简单并且成本有利的方式克服，有机层至少部分地释放到空穴中并且由此在MEMS元件封闭之后使内压增大。

根据本发明的方法尤其也有利的是，如果稀有气体或其他气体通过吸气剂不能或仅能很差地抽吸，在键合过程期间发生稀有气体或其他气体从晶片中或从衬底中或从罩中或从键合层中的析出，因为通过根据本发明的方法可以在时间上在键合过程之后借助于进入开口设定第一压力。因此，可以通过根据本发明的方法有效地克服这样的析出。因此，这是有利的，因为通过吸气剂的不能或仅能很差地抽吸的稀有气体或其他气体的析出会限制最小可实现的压力，并且即使在较高的压力下所述析出也可能造成内压的强烈的、不期望的变化。

在本发明上下文中，概念“吸气剂”应理解为化学反应材料，该材料用于尽可能长时间地获得真空。例如在吸气剂的表面上气体分子与吸气剂材料的原子形成直接的化学连接。然而，替代地或附加地也设置为，气体分子通过吸着固定在吸气剂材料上。以该方式，气体分子被“捕获”在吸气剂材料的表面中或表面上。在本发明上下文中，区分已激活的吸气剂和未激活的吸气剂，其中，已激活的吸气剂相比于未激活的吸气剂具有更高的捕获率。在此，“捕获率”例如应理解为每单位时间、例如每秒捕获在吸气剂材料的表面中或表面上的气体分子的数量。此外，根据本发明，区分可逆的吸气剂与不可逆的吸气剂。在此，根据本发明，可逆的吸气剂包括至少部分或主要可逆的吸气剂材料，并且不可逆的吸气剂包括至少部分或主要不可逆的吸气剂材料。然而，根据本发明也设置为，不仅可逆的吸气剂而且不可逆的吸气剂分别包括至少部分可逆的吸气剂材料和至少部分不可逆的吸气剂材料。根据本发明，可逆的吸气剂材料应理解为这样的吸气剂材料，该吸气剂材料在第一时刻或在第一持续时间期间将气体分子基本上捕获或接收在吸气剂材料的表面中或表面上，并且在第二时刻或在第二持续时间期间又将所捕获的气体分子从吸气剂材料的表面中基本上释放或放出。根据本发明，“基本上捕获或接收”例如应这样理解，即捕获率大于放出率或者说由吸附率和吸收率组成的第一总和大于解吸率。根据本发明，“基本上释放或放出”例如应这样理解，即捕获率小于放出率或者说所述第一总和小于解吸率。在此，吸附率例如应理解为每单位时间、例如每秒捕获在吸气剂材料的表面上的气体分子数量。在此，吸收率例如应理解为每单位时间，例如每秒捕获在吸气剂材料的表面中或在吸气剂材料的体积中的气体分子数量。在此，放出率或解吸率例如应理解为每单位时间、例如每秒从吸气剂材料的表面中释放或放出的气体分子数量。根据本发明，可逆的吸气剂基本上是可再生的或可以被置于具有高吸收准备和/或吸附准备的初始状态。根据本发明，吸收准备或吸附准备应理解为在存在相应的气体分子的情况下提供高的吸收率或吸附率。

根据本发明，颗粒优选应理解为原子或原子的积聚体，例如一个分子或多个分子。在本发明上下文中，呈气态、液态或固态聚集态的颗粒是气相、液相或固相的部分并且包括至少一个相对于其周围环境的相界面。根据本发明，颗粒尤其应理解为在微机械结构元件的尺度下小的物体，即具有微机械结构元件的最大延伸尺度的1/10的最大延伸尺度的物体。

在本发明上下文中，概念“微机械结构元件”应这样理解，即该概念不仅包括微机械结构元件而且包括微机电结构元件。

本发明优选设置用于具有一个空穴的微机械结构元件的制造或用于具有一个空穴的微机械结构元件。然而，本发明例如也设置用于具有两个空穴或具有超过两个、即三个、四个、五个、六个或超过六个空穴的微机械结构元件。

优选地，通过借助于激光将能量或热量引入到衬底或罩的吸收该能量或该热量的部分中来封闭进入开口。在此，优选将能量或热量在时间上相继分别引入到例如在一个晶片上共同制造的多个微机械结构元件的衬底或罩的吸收部分中。然而，替代地也设置为，将能量或热量在时间上并行地引入到多个微机械结构元件的衬底或罩的各个吸收部分中，例如在使用多个激光束或激光装置的情况下。

本发明的有利构型和扩展方案可以由从属权利要求以及参照附图的描述中可得出。

根据优选的扩展方案设置为，罩与衬底包围第二空穴，其中，在第二空穴中存在第二压力并且包含具有第二化学组分的第二气体混合物。

根据优选的扩展方案设置为，在第四方法步骤中使衬底与罩这样连接，使得空穴与周围环境密封地分开，其中，该第四方法步骤在第一方法步骤之前或之后实施。因此能够有利地实现：进入开口可以在衬底与罩连接之前或之后构造。

根据优选的扩展方案设置为，在第五方法步骤中实施抽吸步骤和/或加热步骤和/或冲洗步骤和/或清洁步骤。由此有利地使得气体和/或颗粒能够从第一空穴中除去并且进入到微机械结构元件的周围环境中和/或使得能够实现衬底和/或罩的面向第一空穴的表面的有针对性的表面处理。

根据优选的扩展方案设置为，第五方法步骤在时间上在第一方法步骤之后并且在时间上在第三方法步骤之前实施。由此能够有利地实现：不仅由于键合过程到达第一空穴中的气体和/或颗粒而且通过进入开口的构造到达第一空穴中的气体和/或颗粒可以从第一空穴中除去并且被带到微机械结构元件的周围环境中。

本发明的另一主题是一种微机械结构元件，该微机械结构元件具有衬底和与衬底连接并且与衬底包围第一空穴的罩，其中，在第一空穴中存在第一压力并且包含具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，衬底或罩包括封闭的进入开口，其中，微机械结构元件包括布置在第一空穴中的并且至少部分通过在进入开口封闭期间产生的激光辐射激活的吸气剂。由此，以有利的方式提供紧凑的、机械牢固的并且成本有利的具有设定的第一压力的微机械结构元件。根据本发明的方法的所提到的优点相应地也适用于根据本发明的微机械结构元件。

根据优选的扩展方案设置为，已激活的吸气剂这样布置，使得已激活的吸气剂到微机械结构元件的主延伸平面上的第一投影和进入开口到主延伸平面上的第二投影至少部分重叠。由此能够有利地实现：吸气剂可以至少部分地由基本上垂直于主延伸平面并且穿过进入开口射入的激光辐射激活。

根据优选的扩展方案设置为，衬底和/或罩包括硅。由此能够有利地实现：微机械结构元件可以通过由现有技术已知的层技术的制造方法制造。

根据优选的扩展方案设置为，已激活的吸气剂包括不可逆的吸气剂材料和/或可逆的吸气剂材料。由此能够有利地实现：吸气剂不将所接收的颗粒重新释放到空穴中和/或有针对性地将所接收的颗粒至少部分地重新释放到空穴中。

根据本发明的方法尤其是有利的，因为由于可逆的吸气剂的使用，可逆的吸气剂在封装之前或在键合过程之前不必处于化学惰性状态中。换言之，可逆的吸气剂在键合过程之前不必处于在未激活的状态中，而是在键合过程之前就已经可以处于已激活的状态中。因此，按照根据本发明的方法，吸气剂不必在封装之后或在键合过程之后在单独的温度步骤中激活。相反地，可能的是，可逆的吸气剂在可逆的吸气剂沉积之后可以立刻是活性的。由此例如能够实现在由现有技术已知的方法中未曾使用的材料用作为吸气剂材料。

根据优选的扩展方案设置为，罩与衬底包围第二空穴，其中，在第二空穴中存在第二压力并且包含具有第二化学组分的第二气体混合物。由此，以有利的方式提供紧凑的、机械牢固的并且成本有利的具有设定的第一压力和第二压力的微机械结构元件。

根据优选的扩展方案设置为，第一压力小于第二压力，其中，在第一空穴中布置有用于测量转速的第一传感器单元，并且在第二空穴中布置有用于测量加速度的第二传感器单元。由此，以有利的方式提供机械牢固的用于测量转速和测量加速度的微机械结构元件，该微机械结构元件不仅对于第一传感器单元而且对于第二传感器单元具有优化的运行条件。

附图说明

图1以示意性示图示出根据本发明的示例性实施方式的具有敞开的进入开口的微机械结构元件。

图2以示意性示图示出根据图1的具有封闭的进入开口的微机械结构元件。

图3以示意性示图示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造微机械结构元件的方法。

图4、图5和图6以示意性示图示出根据本发明的另一示例性实施方式的在根据本发明的方法的不同时刻的微机械结构元件。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件总是设有相同的参考标记，并且因此通常也分别仅说到或提及一次。

在图1和图2中示出根据本发明的示例性实施方式的微机械结构元件1的示意性示图，该微机械结构元件在图1中具有敞开的进入开口11并且在图2中具有封闭的进入开口11。在此，微机械结构元件1包括衬底3和罩7。衬底3和罩7相互优选密封地连接并且共同包围第一空穴5。微机械结构元件1例如这样构造，使得衬底3和罩7附加地共同包围第二空穴。然而，第二空穴在图1中和在图2中未示出。

例如在第一空穴5中，尤其在如图2中所示的进入开口11封闭的情况下，存在第一压力。此外，在第一空穴5中包含具有第一化学组分的第一气体混合物。此外，例如在第二空穴中存在第二压力，并且在第二空穴中包含具有第二化学组分的第二气体混合物。优选地，进入开口11布置在衬底3中或罩7中。在这里的本实施例中，进入开口11示例性地布置在罩7中。然而，根据本发明替代地也可以设置为，进入开口11布置在衬底3中。

例如设置为，第一空穴5中的第一压力小于第二空穴中的第二压力。例如也设置为，在第一空穴5中布置有在图1中和图2中未示出的用于转速测量的第一微机械传感器单元，而在第二空穴中布置有在图1和图2中未示出的用于加速度测量的第二微机械传感器单元。

在图3中以示意性示图示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造微机械结构元件1的方法。在此，

-在第一方法步骤101中，在衬底3中或在罩7中构造连接第一空穴5与微机械结构元件1的周围环境9的、尤其是狭长的进入开口11。图1示例性地示出在第一方法步骤101之后的微机械结构元件1。此外，

-在第二方法步骤102中，设定第一空穴5中的第一压力和/或第一化学组分或使第一空穴5通过进入通道以所期望的气体和所期望的内压力充满。此外例如，

-在第三方法步骤103中，通过借助于激光将能量或热引入到衬底3的或罩7的吸收部分中来封闭进入开口11。例如替代地也设置为，

-在第三方法步骤103中，仅优选通过激光局部加热环绕进入通道的区域并且密封地封闭进入通道。由此，有利地可能的是，根据本发明的方法也设置以其他不同于激光器的能量源来封闭进入开口11。图2示例性地示出第三方法步骤103之后的微机械结构元件1。

在时间上在第三方法步骤103之后，在图2中示例性示出的横向区域15中在罩7的背离空穴5的表面上以及在垂直于横向区域15到微机械结构元件1的表面上的投影、即沿着进入开口11并且朝着第一空穴5的方向的深度中产生机械应力。这些机械应力、尤其是局部的机械应力尤其存在于罩7的在第三方法步骤103中过渡到液态聚集态并且在第三方法步骤103之后过渡到固态聚集态并且封闭进入开口11的材料区域13与罩7的在第三方法步骤103中保持固态聚集态的剩余区域之间的界面上和所述界面附近。在此，罩7的在图2中封闭进入开口11的材料区域13尤其关于它的横向的、尤其平行于表面延伸的延伸尺度或造型而言并且尤其关于它的垂直于横向延伸尺度、尤其垂直于表面延伸的大小或结构而言仅视为示意性的或示意性地示出。

例如附加地借助于通过激光产生的激光辐射505至少部分地在第三方法步骤103期间激活在图3中所示出的第三方法步骤103之前引入到第一空穴5中的吸气剂503。换言之，进入孔11通过激光辐射505封闭，其中，直到封闭或在时间上在进入孔11封闭之前例如在第一空穴5中和/或在周围环境9中保持限定的气氛。在此，在例如罩材料7或硅熔化并且进入孔11封闭之前，在封闭过程开始时通过穿过进入孔11射到第一空穴5中的激光辐射507激活509吸附材料503。

例如在第四方法步骤中，将衬底3与罩7这样连接，使得空穴5与周围环境9密封地分开，其中，第四方法步骤在第一方法步骤101之前或之后实施。

在图4、图5和图6中以示意性示图示出根据本发明的另一示例性实施方式的在根据本发明的方法的不同时刻的微机械结构元件。在此，微机械结构元件1示例性地包括在第一空穴5中布置并且至少部分通过在进入开口11封闭期间产生的激光辐射505激活的吸气剂503。在此，已激活的吸气剂503例如这样布置，使得已激活的吸气剂503到微机械结构元件1的主延伸平面100上的第一投影和进入开口11到主延伸平面100上的第二投影至少部分重叠。此外，已激活的吸气剂503例如包括不可逆的吸气剂材料和/或可逆的吸气剂材料。在图4、图5和图6中示例性地示出MEMS元件501。MEMS元件501例如是用于转速测量的第一传感器单元。此外，在图5中示出激光辐射505的激光射束部分507，该激光射束部分穿过进入开口11射到空穴5中并且射到待激活的吸气剂503上或与待激活的吸气剂503相互作用并且激励吸气剂503从未激活的状态过渡到已激活的状态。图5和图6中的已激活的吸气剂503相比于图4中的未激活的吸气剂503的区别在于，已激活的吸气剂503借助于图5和图6中的参考标记509显示为已激活。

例如将这样的材料引入到第一空穴中，该材料具有对于反应气体如氧气、氢气等的吸收能力并且可以通过以激光产生的辐射来激活。例如在时间上在衬底3与罩7之间的键合步骤之前将所述材料引入到第一空穴5中或施加到衬底3或罩7的面向第一空穴5的表面上。为了设定第一空穴5中的所期望的内压或第一压力，随后、例如在第一方法步骤101中使空穴设有充气开口或进入开口11，该充气开口或进入开口能够实现第一空穴5中的压力设定。该压力设定例如或优选在温度升高的情况下或在温度高于20℃或30℃或40℃或50℃或60℃或70℃或80℃或90℃或100℃或200℃或300℃或400℃或500℃或1000℃的情况下进行，所述温度允许可能存在于空穴中的剩余气体蒸发走。例如在温度步骤之后通过激光密封充气孔或进入开口11或实施第三方法步骤103，并且设定所期望的内压。例如同时通过在封闭过程开始时(即在例如衬底3或罩7或硅至少部分地熔化之前)穿过充气孔或进入开口射到腔室或第一空穴5中的激光辐射507激活吸附材料或吸气剂503(例如也通过蒸发)。为此，吸附材料例如像图5、图6和图7所示的那样在充气孔或进入开口11下方处于第一空穴5的基底上。在此，材料或吸气剂503或吸气剂材料和封闭过程这样彼此相协调，使得在封闭过程开始时通过激光射入的能量足以激活所述材料或使吸气剂置于已激活状态中。在时间上紧接着，吸气剂材料接收例如可能通过泄漏侵入的或在结构部件的使用寿命期间仍存在于腔室中的剩余气体。

根据本发明，所引入的材料或吸气剂材料或已激活的吸气剂仅须具有小的吸收能力或吸着能力，因为仅须接收在空穴被密封地封闭之后侵入的小的气体量。仅少量需要的吸着能力通过以下方式实现：在根据本发明的方法中实施第一方法步骤101、第二方法步骤102和第三方法步骤103，并且由此可以在时间上在键合过程之后有针对性地设定第一压力。另一优点是，为了激活所述材料不需要附加的过程步骤、例如具有升高的温度的工艺步骤。在此，例如吸气剂在传感器元件使用期间抵抗由于在时间上在晶片工艺之后的影响因素例如升高的温度而引起的气体组分或第一化学组分的变化。

例如也设置为，在第五方法步骤中实施抽吸步骤和/或加热步骤和/或冲洗步骤和/或清洁步骤。此外，在此例如设置为，第五方法步骤在时间上在第一方法步骤之后并且在时间上在第三方法步骤103之前实施。

换言之，在产生所述进入孔11或多个进入孔11之后首先对第一空穴5抽气，以便例如将稀有气体从第一空穴5中除去。例如在时间上随后在限定的气氛下封闭进入孔11并且又在时间上随后激活吸气剂。根据本发明也设置为，吸气剂在时间上在第三方法步骤之后例如通过温度步骤或另一方法步骤在升高的温度下激活。例如也设置为，在时间上在产生进入孔11之后应用加热、抽吸和冲洗或清洁循环。由此例如可以有针对性地设定不期望的气体的析出或设定有针对性的表面处理。

根据本发明的方法和根据本发明的微机械结构元件1相对于现有技术的其他优点如下：

-在一个芯片上可以简单地组合对于内压具有不同要求的不同传感器芯。

-在MEMS空穴中可以设定任意内压，也可以设定非常小的内压

-在空穴封闭之后在使用寿命期间可以可靠地捕捉通过泄漏可能侵入的或在空穴中残留的剩余气体量。

-该技术是简单的、牢固的并且成本有利的。

-所述制造方法与已知的制造工艺兼容，例如也与封装工艺例如与铝锗(AlGe)共晶键合并且与密封玻璃键合兼容。

-根据本发明的方法允许MEMS空穴在使用寿命期间特别稳定的封闭。

-在组合式传感器中、例如在包括用于转速测量的第一传感器单元和用于加速度测量的第二传感器单元的微机械结构元件1中，可以使用具有小的吸着能力的吸气剂材料，因为在封闭之前通过进入孔或进入开口11已经可以在转速传感器的第一空穴5中预先保持非常小的压力。

-在组合式传感器中可以使用非常少量的吸气剂材料，因为在封闭之前通过进入孔已经可以在转速传感器的空穴中预先保持非常小的压力。

-在组合式传感器中可以使用与键合方法无关地通过激光辐射激活的吸气剂材料。可以使用不可逆的和可再生的吸气剂材料。

-在键合过程中析出的气体可以在吸气剂激活之前才通过进入孔抽出。