DE102020209936A1 - Micromechanical system, method for setting a partial pressure, wafer arrangement - Google Patents
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Abstract
Es wird ein mikromechanisches System mit einer Kaverne beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdiffusionspfad einen Innenraum der Kaverne mit einem Außenbereich der Kaverne verbindet, wobei der Gasdiffusionspfad derart ausgebildet ist, dass eine zumindest teilweise Diffusion eines ersten Gases mithilfe des Gasdiffusionspfads vom Innenraum der Kaverne in den Außenbereich ermöglicht ist.A micromechanical system with a cavern is claimed, characterized in that a gas diffusion path connects an interior of the cavern to an exterior of the cavern, the gas diffusion path being designed in such a way that at least partial diffusion of a first gas using the gas diffusion path from the interior of the cavern into the outdoor area is allowed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a micromechanical system according to the preamble of claim 1.
Mikromechanische Systeme sind allgemein bekannt. Mithilfe mikromechanischer Systeme bzw. mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) können beispielsweise Drehraten oder Beschleunigungen gemessen werden. Der Umgebungsdruck ist für die Funktion derartiger mikromechanischer Sensoren entscheidend. Aus diesem Grund sind die Sensoren sind in der Regel in einem verkappten Hohlraum angeordnet. Dies hat unter anderem den Zweck, die Sensoren vor Umgebungseinflüssen zu schützen und eine definierte Atmosphäre für den Betrieb zu garantieren. Aus dem Stand der Technik sind dabei CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor)-ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und MEMS-Verbünde bekannt, die eine oder mehrere Kavernen, insbesondere mit verschiedenen Innendrücken beinhalten.Micromechanical systems are well known. With the help of micromechanical systems or microelectromechanical systems (MEMS), rotation rates or accelerations, for example, can be measured. The ambient pressure is crucial for the function of such micromechanical sensors. For this reason the sensors are usually arranged in a capped cavity. One of the purposes of this is to protect the sensors from environmental influences and to guarantee a defined atmosphere for operation. CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) ASICs (application-specific integrated circuits) and MEMS assemblies are known from the prior art, which contain one or more caverns, in particular with different internal pressures.
In der
Aus dem Stand der Technik sind ferner Getter bekannt, die reaktive Restgase zu Feststoffen abreagieren lassen können. Nachteilig bei solchen Methoden kann jedoch sein, dass Edelgase nicht gebunden werden können, zusätzlicher Platz für den Getter benötigt wird und eine Sättigung des Getters erfolgen kann.Also known from the prior art are getters which can cause reactive residual gases to react to form solids. However, the disadvantage of such methods can be that noble gases cannot be bound, additional space is required for the getter and the getter can become saturated.
Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren ist, dass keine Gaslecks behoben werden können, die nach dem Herstellungsprozess auftreten.Another disadvantage of known methods is that they cannot fix gas leaks that occur after the manufacturing process.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches System mit einer Kaverne bereitzustellen, bei dem eine effektive und/oder kosteneffiziente Druckeinstellung, insbesondere Partialdruckeinstellung, in einem Innenraum der Kaverne möglich ist. Ferner ist es eine Aufgabe ein entsprechendes effektives und/oder kosteneffizientes Verfahren zur Einstellung eines Partialdrucks bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a micromechanical system with a cavern in which an effective and/or cost-efficient pressure adjustment, in particular a partial pressure adjustment, is possible in an interior space of the cavern. Furthermore, it is an object to provide a corresponding effective and/or cost-efficient method for adjusting a partial pressure.
Das erfindungsgemäße mikromechanische System gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Diffusion durch die Kaverne bzw. Kavernenwandung entlang eines Druckgradienten (in einen Außenbereich) ermöglicht wird. Somit kann ein Partialdruck eines ersten Gases in der Kaverne eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Partialdruck des ersten Gases in der Kaverne gesenkt bzw. gering gehalten werden kann. Es ist insbesondere möglich, dass auch bei einem später auftretenden Leck (insbesondere nach einer Herstellung des Systems) bzw. bei einem späteren Ausgasen des ersten Gases in den Innenraum der Kaverne (insbesondere nach einer Herstellung des Systems) mithilfe des Gasdiffusionspfades ein Druckausgleich mit dem Außenbereich stattfindet, wodurch der Partialdruck des ersten Gases im Innenraum der Kaverne gering gehalten werden kann. Mithilfe des Diffusionspfades kann ein dauerstabiles Vakuum oder ein dauerstabiler Druck im Innenraum der Kaverne kosteneffizient und platzsparend erzielt werden.The micromechanical system according to the invention according to the main claim has the advantage over the prior art that diffusion through the cavern or cavern wall along a pressure gradient (to an outside area) is made possible. A partial pressure of a first gas in the cavern can thus be adjusted. According to the invention, it is advantageously possible for the partial pressure of the first gas in the cavern to be lowered or kept low. In particular, it is possible that even if a leak occurs later (in particular after the system has been manufactured) or if the first gas later outgasses into the interior of the cavern (in particular after the system has been manufactured), pressure can be equalized with the outside area using the gas diffusion path takes place, whereby the partial pressure of the first gas in the interior of the cavern can be kept low. With the help of the diffusion path, a permanently stable vacuum or a permanently stable pressure in the interior of the cavern can be achieved in a cost-efficient and space-saving manner.
Erfindungsgemäß ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Gasdiffusionspfad einen selektiven Austausch eines ersten Gases entlang eines Partialdruckgefälles ermöglicht und ein zweites Gas zurückhält. Dies ist zu unterscheiden von Prozessen, die mit offenen Kavernen und einem aktiven Abpumpen arbeiten (da in diesem Fall ein offener Gasaustausch und keine Diffusion entlang eines Gasdiffusionspfades vorliegt), sowie von Prozessen, die mit einem Getter in der Kaverne Gase abreagieren lassen.According to the invention, it is possible in an advantageous manner for the gas diffusion path to enable a selective exchange of a first gas along a partial pressure gradient and to hold back a second gas. This is to be distinguished from processes that work with open caverns and active pumping (because in this case there is open gas exchange and no diffusion along a gas diffusion path), and from processes that allow gases to react with a getter in the cavern.
Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass in der Kaverne ein Sensor und/oder Aktor und/oder mehrere Sensoren und/oder Aktoren zumindest teilweise angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Drehratensensor und/oder ein Beschleunigungssensor in der Kaverne angeordnet sein.According to the invention, it is conceivable that a sensor and/or actuator and/or a plurality of sensors and/or actuators are at least partially arranged in the cavern. For example, a yaw rate sensor and/or an acceleration sensor can be arranged in the cavern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Gasdiffusionspfad eine semipermeable Membran umfasst, wobei die semipermeable Membran für das erste Gas permeable ist, wobei die semipermeable Membran insbesondere für ein zweites Gas undurchlässig ist, ist es besonders vorteilhaft möglich, den Partialdruck für das erste Gas in der Kaverne einzustellen. Die semipermeable Membran lässt zusätzliches in der Kaverne vorhandenes erstes Gas in den Außenbereich durch, sodass ein Partialdruckausgleich für das erste Gas zwischen Innenraum und Außenbereich stattfindet. Andererseits ist die Membran für das zweite Gas undurchlässig, sodass das zweite Gas nicht von außen in die Kaverne eindringen kann und/oder nicht vom Innenraum der Kaverne in den Außenbereich gelangen kann. Somit kann ein Partialdruck des zweiten Gases im Innenraum konstant gehalten werden und/oder ein Eindringen des zweiten Gases aus dem Außenbereich in den Innenraum der Kaverne verhindert werden. Die Kaverne ist somit für das zweite Gas hermetisch abgeriegelt. Das zweite Gas ist ein anderes Gas als das erste Gas.The fact that, according to one embodiment of the present invention, the gas diffusion path comprises a semi-permeable membrane, the semi-permeable membrane being permeable to the first gas, the semi-permeable membrane being impermeable in particular to a second gas, it is particularly advantageously possible to reduce the partial pressure for the first adjust the gas in the cavern. The semi-permeable membrane allows additional first gas present in the cavern to pass to the outside, so that a partial pressure equalization for the first gas takes place between the inside and the outside. On the other hand, the membrane is impermeable to the second gas, so that the second gas cannot penetrate into the cavity from the outside and/or cannot get from the interior of the cavity to the exterior. Thus, a partial pressure of the second gas in the interior kon be kept constant and/or penetration of the second gas from the outside into the inside of the cavern can be prevented. The cavern is thus hermetically sealed off from the second gas. The second gas is a different gas than the first gas.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass der Gasdiffusionspfad bzw. die semipermeable Membran für ein weiteres erstes Gas permeable ist, sodass auch ein Partialdruck des weiteren ersten Gases im Innenraum der Kaverne eingestellt bzw. gering gehalten werden kann.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that the gas diffusion path or the semipermeable membrane is permeable for a further first gas, so that a partial pressure of the further first gas in the interior of the cavern can also be adjusted or kept low.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kaverne mithilfe eines Substrats und einer Kappe ausgebildet ist, ist es möglich, einen definierten Raum für das mikromechanische System zur Verfügung zu stellen. Die Kappe kann beispielsweise Teil eines MEMS-Wafers sein und das Substrat ein ASIC-Substrat.Because, according to one embodiment of the present invention, the cavern is formed using a substrate and a cap, it is possible to provide a defined space for the micromechanical system. For example, the cap can be part of a MEMS wafer and the substrate an ASIC substrate.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kappe die semipermeable Membran umfasst, insbesondere derart, dass der Gasdiffusionspfad durch die Kappe ausgebildet ist, ist es möglich, auf kosteneffiziente Weise einen Diffusionspfad auszubilden.
Die semipermeable Membran kann insbesondere mithilfe eines aufgebondeten Kappenwafers ausgebildet sein, und/oder mithilfe einer Dünnschichttechnologie abgeschieden sein. Es ist beispielsweise denkbar, dass für eine Vielzahl von Kavernen in einer Waferanordnung jeweils entsprechende Diffusionspfade im Kappenwafer für die Vielzahl von Kavernen vorgesehen sind. Es ist gemäß einer Ausführungsform denkbar, dass die (gesamte) Kappe der Kaverne als semipermeable Membran ausgebildet ist.Due to the fact that, according to an embodiment of the present invention, the cap comprises the semi-permeable membrane, in particular in such a way that the gas diffusion path is formed through the cap, it is possible to form a diffusion path in a cost-efficient manner.
The semipermeable membrane can in particular be formed using a bonded cap wafer and/or deposited using thin-film technology. It is conceivable, for example, for a plurality of cavities in a wafer arrangement to have corresponding diffusion paths in the cap wafer for the plurality of cavities. According to one embodiment, it is conceivable that the (entire) cap of the cavity is designed as a semi-permeable membrane.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest ein Teil einer Wandung der Kaverne geheizt wird, wobei der Gasdiffusionspfad mithilfe des beheizten Teils der Wandung ausgebildet ist, ist es möglich, dass durch eine (lokale) Heizung eine angeregte Diffusion stattfindet, die in Teilbereichen der Kaverne bzw. Wandung der Kaverne den Partialdruckausgleich für das erste Gas erhöht. Die Wandung kann dabei jeglichen Teil der Kaverne betreffen, also laterale Bereiche, Bereiche der Kappe und/oder Bereiche des Bodens der Kaverne. Somit ist es möglich, dass durch (lokale) Heizung eine Diffusion angeregt wird, wodurch in Teilbereichen der Partialdruckausgleich eines im Außenbereich seltenen oder nicht vorhandenen ersten Gases erhöht wird. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Kappe der Kaverne geheizt wird. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass die gesamte Kaverne, gesamte Kappe und/oder der gesamte Boden der Kaverne beheizt wird.The fact that, according to one embodiment of the present invention, at least part of a wall of the cavern is heated, with the gas diffusion path being formed using the heated part of the wall, it is possible for (local) heating to stimulate diffusion that occurs in partial areas the cavern or wall of the cavern increases the partial pressure equalization for the first gas. The wall can affect any part of the cavern, ie lateral areas, areas of the cap and/or areas of the bottom of the cavern. It is thus possible for (local) heating to stimulate diffusion, as a result of which the partial pressure equalization of a first gas that is rare or non-existent in the outside area is increased in some areas. For example, it is conceivable that the cap of the cavern is heated. It is also conceivable, for example, for the entire cavern, the entire cap and/or the entire bottom of the cavern to be heated.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Gasdiffusionspfad eine semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn umfasst, wobei der Innenraum und der Außenbereich mithilfe der semipermeablen lateralen Gasdiffusionsbahn verbunden sind, wobei die semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn für das erste Gas permeable ist, wobei die semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn insbesondere für ein zweites Gas undurchlässig ist, ist es möglich, eine Gasdiffusion parallel zur Waferebene zu erzeugen. Es ist denkbar, dass die semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn eine Membran ist.The fact that, according to one embodiment of the present invention, the gas diffusion path comprises a semipermeable lateral gas diffusion path, the interior and the exterior being connected by means of the semipermeable lateral gas diffusion path, the semipermeable lateral gas diffusion path being permeable to the first gas, the semipermeable lateral gas diffusion path being particularly suitable for a second gas is impermeable, it is possible to create gas diffusion parallel to the wafer plane. It is conceivable that the semipermeable lateral gas diffusion sheet is a membrane.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Metall und/oder ein Dielektrikum in der Kaverne angeordnet ist, ist es denkbar, dass das erste Gas aus dem Metall und/oder dem Dielektrikum in den Innenraum der Kaverne ausdampft und/oder ausdiffundiert. Mithilfe des Gasdiffusionspfades kann erfindungsgemäß dennoch eine dauerstabile Einstellung des Partialdrucks im Innenraum der Kaverne erzielt werden.Due to the fact that, according to one embodiment of the present invention, a metal and/or a dielectric is arranged in the cavern, it is conceivable that the first gas from the metal and/or the dielectric evaporates and/or diffuses out into the interior of the cavern. With the aid of the gas diffusion path, a permanently stable setting of the partial pressure in the interior of the cavern can nevertheless be achieved according to the invention.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das erste Gas Wasserstoff umfasst, wobei das erste Gas insbesondere Wasserstoffgas ist, oder wobei das erste Gas ein Prozessgas ist, welches bei der Herstellung des mikromechanischen Systems verwendet wird, wobei das Prozessgas bevorzugt Argon ist, ist es möglich, die Partialdrücke von Wasserstoff und/oder Prozessgasen in der Kaverne geringzuhalten. Erfindungsgemäß ist es möglich, vorteilhaft mit internen Lecks umzugehen, die beispielsweise Wasserstoff freisetzen. Solche Lecks können insbesondere ein Kernproblem in Waferverbünden bzw. Waferanordnungen mit CMOS-Wafern sein.Because according to one embodiment of the present invention the first gas comprises hydrogen, the first gas being in particular hydrogen gas, or the first gas being a process gas which is used in the production of the micromechanical system, the process gas preferably being argon it is possible to keep the partial pressures of hydrogen and/or process gases in the cavern low. According to the invention, it is possible to deal advantageously with internal leaks that release hydrogen, for example. Such leaks can in particular be a core problem in wafer assemblies or wafer arrangements with CMOS wafers.
Es ist beispielsweise denkbar, dass aus den SiOx- und/oder SiNx-Schichten Wasserstoffmengen austreten, die einen Drehratensensor unbrauchbar machen können und auch für Beschleunigungssensoren problematisch sind. Diese internen Gaslecks in Kavernen können insbesondere auch in Fällen, in denen ein MEMS-Wafer durch einen ASIC-Wafer abgedichtet wird, eine wesentliche Feldausfallursache sein. Erfindungsgemäß können jedoch mithilfe des Gasdiffusionspfades vorteilhafte Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Insbesondere ausdiffundierender Wasserstoff aus den CMOS-Dielektrika und/oder aus den Metallen stellt in der Praxis eine entscheidende Hürde bezüglich der Darstellung eines dauerstabilen Vakuums dar. Daneben können auch weitere Prozessgase, wie beispielsweise Argon, eine mögliche Ursache überhöhter Drücke in der Kaverne sein. Erfindungsgemäß ist es möglich, einen Partialdruck von Wasserstoff und/oder von einem oder von mehreren Prozessgasen mithilfe des Diffusionspfades dauerhaft auf einem stabilen Niveau in der Kaverne zu halten.It is conceivable, for example, that amounts of hydrogen escape from the SiOx and/or SiNx layers, which can make a yaw rate sensor unusable and are also problematic for acceleration sensors. These internal gas leaks in caverns can also be a major cause of field failure, especially in cases where a MEMS wafer is sealed by an ASIC wafer. According to the invention, however, advantageous countermeasures can be taken with the aid of the gas diffusion path. In particular, hydrogen diffusing out of the CMOS dielectrics and/or from the metals represents a decisive hurdle with regard to the creation of a permanently stable vacuum. Other process gases, such as argon, can also be a possible cause of excessive pressures in the cavern. According to the invention it is possible to keep a partial pressure of hydrogen and/or one or more process gases permanently at a stable level in the cavern using the diffusion path.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt denkbar, dass das erste Gas und/oder das weitere erste Gas Gase sind, die nicht oder lediglich selten in der Erdatmosphäre vorkommen, beispielsweise als Spurengase. Dies ist in vorteilhafter Weise insbesondere auch dann denkbar, wenn die Kaverne an die Luft grenzt und der Außenbereich der Kaverne oder ein Teil des Außenbereichs somit die Umgebung bzw. Atmosphäre darstellt. Es ist denkbar, dass die Gaszusammensetzung im Außenbereich einstellbar ist. Es ist denkbar, dass es sich bei dem ersten Gas und/oder weiteren ersten Gas um Gase handelt, die häufig in der Atmosphäre vorkommen, für die allerdings ein (geringer) weiterer Partialdruck im Außenbereich um die Kaverne eingestellt ist. Es ist denkbar, dass es sich bei dem ersten Gas oder dem weiteren ersten Gas um ein Edelgas handelt.According to one embodiment of the present invention, it is preferably conceivable that the first gas and/or the further first gas are gases that do not or only rarely occur in the earth's atmosphere, for example as trace gases. This is also conceivable in an advantageous manner, in particular when the cavern borders on the air and the outer area of the cavern or a part of the outer area thus represents the environment or atmosphere. It is conceivable that the gas composition in the outside area can be adjusted. It is conceivable that the first gas and/or further first gas are gases that frequently occur in the atmosphere, but for which a (low) further partial pressure is set in the outside area around the cavern. It is conceivable that the first gas or the further first gas is an inert gas.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass der Außenbereich der Kaverne den Innenraum einer weiteren Kaverne bildet, wobei die weitere Kaverne beispielsweise als Teil eines Kappenwafers (bzw. eines MEMS-Wafers) oder mithilfe eines Kappenwafers (bzw. eines MEMS-Wafers) ausgebildet ist. Es ist entsprechend denkbar, dass die weitere Kaverne (mit einem niedrigen Partialdruck des ersten Gases) in der Kappe ausgebildet ist. Die weitere Kaverne kann dementsprechend mithilfe des Gasdiffusionspfades eine semipermeable Anbindung an den Innenraum der Kaverne haben. Es ist beispielsweise denkbar, eine derartige Anordnung mithilfe eines dreifachen Wafer-Stacks zu realisieren oder durch eine weitere Aufbringung einer Dünnschichtkappe (vorzugsweise auf die Kappe bzw. den Kappenwafer). Es ist denkbar, dass die Gaszusammensetzung im Außenbereich (bzw. im Innenraum der weiteren Kaverne) einstellbar ist. Es ist denkbar, dass es sich bei dem ersten Gas und/oder weiteren ersten Gas um Gase handelt, die häufig in der Atmosphäre vorkommen, für die allerdings ein (sehr geringer) weiterer Partialdruck in der weiteren Kaverne eingestellt ist. Es ist denkbar, dass es sich bei dem ersten Gas oder dem weiteren ersten Gas um ein Edelgas handelt.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that the outer area of the cavern forms the interior of a further cavern, the further cavern being formed, for example, as part of a cap wafer (or a MEMS wafer) or with the aid of a cap wafer (or a MEMS wafer ) is trained. Accordingly, it is conceivable that the further cavern (with a low partial pressure of the first gas) is formed in the cap. The other cavern can accordingly have a semi-permeable connection to the interior of the cavern with the aid of the gas diffusion path. It is conceivable, for example, to implement such an arrangement using a triple wafer stack or by further applying a thin-layer cap (preferably to the cap or the cap wafer). It is conceivable that the gas composition in the outer area (or in the inner area of the additional cavern) can be adjusted. It is conceivable that the first gas and/or the further first gas are gases which frequently occur in the atmosphere but for which a (very low) further partial pressure is set in the further cavern. It is conceivable that the first gas or the further first gas is an inert gas.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass der Diffusionspfad mithilfe eines Druckeinlasses realisiert ist, der einen definierten Druckeinschluss ermöglicht. So ist es beispielsweise möglich, dass geheiztes Silber, insbesondere Silberröhrchen, als Einlass für Sauerstoff in Vakuumkammern dienen kann. Ähnlich kann auch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch selektive Diffusion eines ersten Gases mit passendem Partialdruck im Außenbereich ein definierter Druck im Innenraum der Kaverne eingestellt werden.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that the diffusion path is realized with the aid of a pressure inlet, which enables a defined pressure inclusion. For example, it is possible that heated silver, in particular silver tubes, can serve as an inlet for oxygen in vacuum chambers. Similarly, according to one embodiment of the present invention, a defined pressure can also be set in the interior of the cavern by selective diffusion of a first gas with a suitable partial pressure in the exterior.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es denkbar, dass der Gasdiffusionspfad mithilfe von SiOx ausgebildet ist bzw. SiOx umfasst oder aus SiOx besteht. Hierdurch ist beispielsweise eine Diffusion von Wasserstoff möglich.According to a preferred embodiment, it is conceivable that the gas diffusion path is formed using SiOx or includes SiOx or consists of SiOx. As a result, a diffusion of hydrogen is possible, for example.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Einstellung eines Partialdrucks eines ersten Gases in einem Innenraum einer Kaverne eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei das erste Gas zumindest teilweise mithilfe des Gasdiffusionspfads vom Innenraum der Kaverne in den Außenbereich diffundiert.Another subject matter of the present invention is a method for adjusting a partial pressure of a first gas in an interior of a cavern of a micromechanical system according to an embodiment of the present invention,
wherein the first gas at least partially diffuses from the interior of the cavern to the exterior with the aid of the gas diffusion path.
Für das Verfahren zur Einstellung eines Partialdrucks eines ersten Gases in einem Innenraum einer Kaverne eines mikromechanischen Systems können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen System oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems beschreiben worden sind.The advantages and refinements that have already been described in connection with the micromechanical system according to the invention or in connection with an embodiment of the micromechanical system according to the invention can be used for the method for setting a partial pressure of a first gas in an interior of a cavern of a micromechanical system.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mithilfe des Gasdiffusionspfads für das erste Gas ein Partialdruckausgleich des Partialdrucks des ersten Gases im Innenraum der Kaverne und eines weiteren Partialdrucks des ersten Gases im Außenbereich stattfindet, ist es möglich, dass durch die zumindest teilweise Diffusion des ersten Gases mithilfe des Gasdiffusionspfads der Partialdruck des ersten Gases im Innenraum der Kaverne an einen weiteren Partialdruck im Außenbereich angeglichen wird. Somit kann auch nach der Herstellung des mikromechanischen Systems - bei späteren Lecks - ein dauerstabiler Druck in der Kaverne erzielt werden.Because, according to one embodiment of the method according to the invention, the gas diffusion path for the first gas is used to equalize the partial pressure of the first gas in the interior of the cavern and another partial pressure of the first gas in the exterior, it is possible that the at least partial diffusion of the first Gas is adjusted using the gas diffusion path of the partial pressure of the first gas in the interior of the cavern to a further partial pressure outside. Thus, even after the production of the micromechanical system - in the case of later leaks - a permanently stable pressure can be achieved in the cavern.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Waferanordnung, umfassend ein mikromechanisches System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist denkbar, dass die Waferanordnung eine Vielzahl mikromechanischer Systeme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit entsprechenden Kavernen umfasst.A further subject matter of the present invention is a wafer arrangement comprising a micromechanical system according to an embodiment of the present invention. It is conceivable that the wafer arrangement comprises a multiplicity of micromechanical systems according to embodiments of the present invention with corresponding caverns.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the present invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.1 shows a schematic representation of a micromechanical system according to an embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das in
Ferner ist eine weitere Abdichtung 9" einer weiteren Kaverne gezeigt. In der Kaverne 10 ist ein Metall 7 und ein Dielektrikum 8 angeordnet. Es ist möglich, dass aus dem Metall 7 und/oder dem Dielektrikum 8 das erste Gas 2 ausgast bzw. ausdiffundiert. Mithilfe eines Gasdiffusionspfades 20 durch eine Wandung der Kaverne 10 ist eine Diffusion des ersten Gases 2 (durch Punkte dargestellt) vom Innenraum 11 der Kaverne 10 in den Außenbereich 30 möglich. Der Gasdiffusionspfad 20 ist dabei für das erste Gas 2 permeabel, jedoch undurchlässig für ein zweites Gas 3 (durch Kreise dargestellt). Der Gasdiffusionspfad 20 umfasst hierfür eine semipermeable Membran 21. Die Kappe 6 umfasst die semipermeable Membran 21 und/oder ist als semipermeable Membran 21 ausgebildet, sodass eine Diffusion des ersten Gases 2 durch die Kappe 6 möglich ist. Die Kaverne 10 oder zumindest ein Teil der Kaverne 10 kann geheizt werden, um die Diffusion zu erhöhen bzw. zu beschleunigen. Der Gasdiffusionspfad 20 umfasst ferner eine semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn 23, die den Innenraum 11 der Kaverne 10 mit dem Außenbereich 30 lateral (parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 5) verbindet. Die semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn 23 ist ebenso für das erste Gas 2 permeabel und für das zweite Gas 3 undurchlässig.A
Die dargestellte Ausführungsform umfasst somit laterale und vertikale Diffusionspfade in einem Chipverbund mit dielektrischen und/oder metallischen Schichten, die einen selektiven Austausch eines ersten Gases 2 entlang eines Partialdruckgefälles ermöglichen und ein zweites Gas 3 zurückhalten. Dies ist zu unterscheiden von Prozessen, die mit offenen Kavernen und ihrem aktiven Abpumpen arbeiten sowie von Prozessen die mit einem Getter in der Kaverne Gase abreagieren lassen.The embodiment shown thus includes lateral and vertical diffusion paths in a chip assembly with dielectric and/or metallic layers, which enable a selective exchange of a
Es ist gemäß alternativer Ausführungsformen denkbar, dass der Gasdiffusionspfad lediglich einen vertikalen Pfad durch die Kappe 6 umfasst oder lediglich eine laterale Gasdiffusionsbahn 23.According to alternative embodiments, it is conceivable that the gas diffusion path only comprises a vertical path through the cap 6 or only a lateral
Die semipermeable Membran 21 und/oder die laterale Gasdiffusionsbahn 23 sind vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das beispielsweise für Wasserstoff und/oder ein Prozessgas wie Argon (oder ein anderes erstes Gas 2 bzw. weitere erste Gase) durchlässig ist. Die semipermeable Membran 21 und/oder die laterale Gasdiffusionsbahn 23 lassen jedoch kein in der Umgebung oder einer benachbarten Kaverne häufig vorkommendes anderes Gas (oder andere Gase) in die Kaverne 10 eindringen. Aufgrund eines Partialdruckunterschieds zwischen dem Innenraum 11 und dem Außenbereich 30 diffundiert das erste Gas 2 aus der Kaverne 10 aus. Beispielsweise liegt der Partialdruck in der Luft für Wasserstoff im Bereich von <1 µbar, sodass Wasserstoff bei einem höheren Partialdruck im Innenraum 11 der Kaverne 10 nach außen diffundiert.The
Die Kappe 6 ist insbesondere Teil eines MEMS-Wafers 6' und das Substrat 5 ist Teil eines ASIC-Wafers 5'. Mithilfe des MEMS-Wafers 6' und des ASIC-Wafer 5' können weitere Kavernen gebildet sein. Entsprechend kann mithilfe des MEMS-Wafers 6' und des ASIC-Wafer 5' eine Waferanordnung 1' mit einer Vielzahl von mikromechanischen Systemen 1 und Kavernen ausgebildet sein.The cap 6 is in particular part of a MEMS wafer 6' and the substrate 5 is part of an ASIC wafer 5'. Further caverns can be formed with the aid of the MEMS wafer 6' and the ASIC wafer 5'. Correspondingly, a wafer arrangement 1' with a multiplicity of micromechanical systems 1 and cavities can be formed with the aid of the MEMS wafer 6' and the ASIC wafer 5'.
Die semipermeable Membran 21 kann aus einem aufgebondeten Wafer, insbesondere einem MEMS-Wafer 5', präpariert werden oder durch Dünnschichttechnologie auf dem Wafer abgeschieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann die semipermeable laterale Gasdiffusionsbahn 23 vorgesehen sein, die die Partialdrücke des ersten Gases 2 und/oder weiterer erster Gase zur Umgebung/Nachbarkaverne angleicht, aber ein zweites Gas 3 oder weitere andere Gase zurückhält.The
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, eine weitere Kaverne als Teil eines Kappenwafers (bzw. eines MEMS-Wafers 6') oder mithilfe eines Kappenwafers (bzw. eines MEMS-Wafers 6') auszubilden. Es ist entsprechend denkbar, dass die weitere Kaverne (mit einem niedrigen Partialdruck des ersten Gases 2) in der Kappe 6 ausgebildet ist. Die weitere Kaverne kann entsprechend mithilfe des Gasdiffusionspfades 20 eine semipermeable Anbindung an den Innenraum 11 der Kaverne 10 haben. Es ist beispielsweise denkbar, eine derartige Anordnung mithilfe eines dreifachen Wafer-Stacks zu realisieren oder durch eine weitere Aufbringung einer Dünnschichtkappe.Alternatively or additionally, it is conceivable to form a further cavern as part of a cap wafer (or a MEMS wafer 6') or with the aid of a cap wafer (or a MEMS wafer 6'). Accordingly, it is conceivable that the further cavern (with a low partial pressure of the first gas 2 ) is formed in the cap 6 . The further cavern can correspondingly have a semi-permeable connection to the interior 11 of the
Erfindungsgemäß ist eine Anordnung denkbar, die eine Diffusion durch eine MEMS-Kaverne entlang eines Druckgradienten ermöglicht. So liegt beispielsweise für Wasserstoff der Partialdruck in Luft im Bereich von µbar. Damit ist es beispielsweise möglich, mit einer semipermeablen MEMS-Kaverne (insbesondere MEMS-Kappe), die nur für Wasserstoff durchlässig ist, den Partialdruck von Wasserstoff im Innenraum 11 der Kaverne 10 selbsttätig von einigen mbar auf wenige µbar abzusenken. Untersuchungen haben gezeigt, dass der höchste Partialdruck in ASIC/MEMS-Kavernen häufig durch Wasserstoff gegeben ist. Wasserstoff ist in den meisten Medien deutlich diffusiver als andere Gase, so dass mit einem geeigneten Kavernenverschluss die Ausdiffusion des Wasserstoffs gewährleistet werden kann, ohne dass andere, beispielsweise in der Luft in größeren Mengen, vorhandene Gase diffundieren. Wasserstoff diffundiert insbesondere zwischen benachbarten Chipkavernen entlang des Partialdruckgefälles. Als ein Hauptpfad sind dabei insbesondere SiOx-Schichten denkbar. Zur Verkürzung der Diffusionszeit kann der Waferverbund bzw. die Waferanordnung 1' vorteilhaft beheizt werden, so dass die Diffusion auch in der Volumenfertigung eingesetzt werden kann.According to the invention, an arrangement is conceivable which enables diffusion through a MEMS cavity along a pressure gradient. For example, the partial pressure of hydrogen in air is in the µbar range. This makes it possible, for example, with a semi-permeable MEMS cavern (particularly MEMS cap) that is only for water substance is permeable to lower the partial pressure of hydrogen in the
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