微机械传感器设备以及相应的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微机械传感器设备以及相应的制造方法。
【背景技术】
[0002] 虽然也可以应用任意的微机械元件，但是根据基于硅的元件阐明本发明以及其所 基于的问题。
[0003] 在现有技术中，用于微机械传感器设备一一例如用于微机械转速传感器和加速度 传感器的制造方法是众所周知的。
[0004] 如例如在文献DE 195 37 814 Al中公开的那样，在此在衬底上制造多个独立的厚 的多晶功能结构。在这些功能结构下设置掩埋的印制导线和电极。如此制造的微机械功能 结构在进一步的工艺工序中以罩晶片封装。根据应用，在通过罩晶片封闭的容积内包围适 合的压力。
[0005] 在转速传感器的情况下，包围非常小的压力，典型地为1毫巴。背景是，在转速传 感器的情况下共振地驱动可运动的结构的一部分并且测量由科里奥利力引起的偏转。在小 压力的情况下可以借助相对小的应力基于小的阻尼非常简单地激励振动。类似的也适用于 磁场传感器，磁场传感器在通过电流引起的外磁场中处于共振振动中，其中，通过共振振动 的偏转可以确定磁场。
[0006] 与此相反，在加速度传感器的情况下不期望的是，传感器陷入振动中，这在施加外 部加速度的情况下是可能的。因此在更高的内部压力的情况下一一典型地在500毫巴的情 况下运行这些加速度传感器。附加地，这样的加速度传感器的表面也经常设有有机涂层，所 述有机涂层防止可运动的结构的粘接。
[0007] 图4示出了用于阐明示例性的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意的剖 视图，其用于说明本发明所基于的问题。
[0008] 在图4中参考标记M表不MEMS衬底，在该衬底上沉积绝缘层4a、4b 例如氧化 物层一一以及位于其中间的印制导线层3。由多晶硅制成的微机械功能层5位于层3、4a、 4b之上，该微机械功能层部分地固定在绝缘层4b上并且部分地固定在印制导线层3上并且 由此电连接到后者上。在微机械功能层5中结构化加速度传感器设备Sl和转速传感器设 备S2。传感器设备Sl、S2在单独的密封隔离的腔KV1、KV2中通过罩晶片K经由键合连接 B 封装（verkappen) 〇
[0009] 示出加速度传感器设备SI的示例性的电接触，该电接触由微机械功能层5经由加 速度传感器设备Sl的印制导线层3通到设置在罩晶片K之外的触点K0。
[0010] 加速度传感器设备Sl和转速传感器设备S2的这样的组合可以非常小地设计并且 成本有利地制造。
[0011] 在加速度传感器设备Sl的腔KVl中和在转速传感器设备S2的腔KV2中需要的不 同压力可以通过在转速传感器设备S2的腔KV2中使用吸气剂层G来实现。
[0012] 在借助于键合连接B将罩晶片K键合到微机械功能层5上时，首先在两个腔KVl、 KV2中包围高压，该高压适合于加速度传感器设备S1。随后通过温度步骤活化吸气剂层G 的吸气剂。吸气剂随后抽吸（吸气）转速传感器设备S2的腔KV2的容积至一个小的压力 上。为了在那儿包围限定的压力，可以应用具有惰性气体和被良好吸气的气体例如N2的混 合气体。N2被吸气，那么混合气体的不可吸气的惰性气体--例如Ne或Ar限定转速传感 器设备S2的腔KV2中的内压。在此，在加速度传感器设备Sl的腔KVl中保留内压，该内压 通过N2/Ne或N2/Ar的气体混合物限定。
[0013] 由文献WO 2007/113325 Al已知吸气剂层的这样的应用，该吸气剂层施加在罩晶 片的腔的内部中，该罩晶片封装微机械传感器设备。
[0014] 文献US 2013/0001710 Al公开了一种用于构造 MEMS传感器设备的方法和系统， 其中，CMOS晶片键合在具有微机械传感器设备的MEMS晶片上。在CMOS晶片中例如可以集 成用于微机械传感器设备的分析处理电路，其经由键合连接可电接触。CMOS晶片在该例子 中承担罩晶片的功能。
[0015] 如果要在这样的布置中同样制造加速度传感器设备和转速传感器设备或磁场传 感器设备的组合，则必须与根据图4的例子类似地在CMOS晶片上设置吸气剂层。
[0016] 然而这样的具有在CMOS晶片上吸气剂层的布置在两个不同的方面是关键性的。
[0017] 吸气剂层通常以荫罩喷涂（aufgesputtert)。该方法是非常不准确的，并且为了可 以限定地喷涂小的面积，必须设置非常大的局部提前量（Vorhalt)，这导致这样的传感器设 备被不必要地扩大。
[0018] 此外，经活化的吸气剂层是非常反应性的。因此，如果可运动的微机械功能层在偏 转时与传感器设备接触，则微机械功能层保持粘接在上面。换言之可能发生的是：微机械传 感器设备在机械冲击之后不再正常工作。
【发明内容】
[0019] 本发明实现了一种根据权利要求1所述的微机械传感器设备和根据权利要求6所 述的相应制造方法。
[0020] 优选的扩展方案是相应从属权利要求的主题。
[0021] 发明优点
[0022] 本发明所基于的构思在于，在垂直集成的微机械传感器设备中在具有CMS晶片和 位于其上的再布线装置的CMOS布置上借助于剥离方法（Lift-Off-Verfahren)施加吸气剂 层。
[0023] 尤其提出，在CMOS布置上设置凹部，吸气剂层设置在所述凹部中。位于这样的凹 部中的吸气剂面相对于可运动的MEMS结构如此设置，使得该吸气剂面能够在机械过载的 情况下不接触吸气剂面。通过各向同性的蚀刻方法在印制导线布置的一个或多个最上层中 制造 CMOS布置中的凹部。用于该步骤的光致抗蚀剂（Fotolack)也可以同时用于剥离方法。 通过各向同性的掏蚀（Unteriitzung )产生剥离方法的特别稳健的变型。同时实现了在腔 与吸气剂层自身之间的自调准。因此可以产生非常小的准确限定的下沉在凹部中的吸气剂 面。
[0024] 根据本发明的制造方法或相应的微机械传感器设备使得可能的是，例如具有吸气 剂层的集成的转速传感器设备和加速度传感器设备可以小型构造地、成本有利地并且在机 械冲击之后无粘接风险地制造。
[0025] 根据一个优选的扩展方案，再布线装置的最上层是最上面的印制导线层面，其中， 吸气剂层区域如此嵌入到最上面的印制导线层面中，使得所述吸气剂层区域施加在位于最 上面的印制导线层面之下的绝缘层上。这样的布置可以以简单的蚀刻工艺制造。
[0026] 根据另一优选的扩展方案，再布线装置的最上层是最上面的印制导线层面，其中， 吸气剂层区域如此嵌入到最上面的印制导线层面和位于最上面的印制导线层面之下的绝 缘层中，使得所述吸气剂层区域施加在位于绝缘层之下的次最上面的印制导线层面上。因 此可以制造更厚的吸气剂层区域，此外，该吸气剂层区域通过次最上面的印制导线层面是 能够电连接的。
[0027] 根据另一优选的扩展方案，吸气剂层区域通过再布线装置中的一个或多个覆镀通 孔（Durchkontaktierung)与CMOS晶片的CMOS电路电连接。因此吸气剂层区域可以承担 电功能，例如电极功能。
[0028] 根据另一优选的扩展方案，吸气剂层区域具有比再布线装置的最上层更小的高度 延伸。因此可以避免吸气剂层区域与传感器装置的粘接。
【附图说明】
[0029] 以下根据实施方式参照附图阐明本发明的另外的特征和优点。其中示出：
[0030] 图la)-If):用于阐明根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备和相应的 制造方法的示意剖视图；
[0031] 图2 :用于阐明根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方 法的示意剖视图；
[0032] 图3a)_3f):用于阐明根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和相应的 制造方法的示意剖视图；以及
[0033] 图4 :用于阐明示例性的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图，其 用于说明本发明所基于的问题。
[0034] 在附图中相同的参考标记表示相同或功能相同的元件。
【具体实施方式】
[0035] 图la)-If)是根据本发明的第一实施方式用于阐明微机械传感器设备和相应的 制造方法的示意剖视图。
[0036] 在图la)中参考标记1表示具有前侧VS和背侧RS的CMOS晶片，该CMOS晶片具 有多个集成在其中的CMOS电路100,例如用于微机械传感器设备的分析处理电路位于所述 CMOS电路之下。
[0037] 参考标记Ia表示施加在前侧VS上的再布线装置，该再布线装置具有多个堆叠的 绝缘层I和印制导线层LB0、LB1、LB2。印制导线层LB0、LB1、LB2经由过孔K相互电连接并 且与CMOS电路100电连接。为清楚显示起见，绝缘层I没有相互分离地描绘。
[0038] 在图la)的视图中，再布线装置Ia的最上层是最上面的印制导线层面LB0,其中， 该经结构化的最上面的印制导线层面LBO暴露。
[0039] 如在图Ib)中所示，在最上面的印制导线层面LBO上施加并如此结构化抗蚀剂掩 膜（LaCkmaSke)20,使得该抗蚀剂掩膜在以下区域中具有开口 20a:在该区域处随后可以设 有吸气剂层。抗蚀剂掩膜20在开口 20a处的棱边不必具有例如在经典的剥离工艺中所需 要的那样的负性（Negativ)抗蚀剂边缘，在所述经典的剥离工艺中使用相对昂贵的负性抗 蚀剂。因此可以在该实施方式中应用成本有利得多的正性抗蚀剂。
[0040] 在在图Ic)中示出的各向同性的蚀刻层中，在开口 20a的区域中局部移除最上面 的印制导线层面LB0,其中，出现最上面的印制导线层面LBO的掏蚀部U，在掏蚀部处蚀刻前 部位于抗蚀剂掩膜20之下。优选地，对于各向同性的蚀刻步骤将应用湿式化学方法。
[0041] 虽然在本实施方式中仅仅局部蚀刻最上面的印制导线层面LB0,但是自然也可以 在各向同性的蚀刻步骤中移除再布线装置Ia的多个层面，其中必要时蚀刻化学可以根据 是蚀刻印制导线层面还是绝缘层I交替。有利的是，将铝层用作最上面的印制导线层面 LB0,该铝层可容易地各向同性地蚀刻。
[0042] 进一步参考图Id)施加吸气剂层G。优选地，以各向异性的涂覆方法沉积该吸气剂 层G，如例如通过派射（Sputtern)或渗镀（Aufdampfen)。
[0043] 在施加吸气剂层G时在开口 20a的区域中形成吸气剂层G的下沉的区域G1，然而 该下沉的区域基于涂覆方法的各向异性而大部分空出抗蚀剂掩膜20的掏蚀区域U。
[0044] 在以下在图Ie)中阐明的工艺步骤中，以剥离方法移除具有位于其上的吸气剂层