具有应力去耦结构的MEMS构件和具有这种MEMS构件的元器件的制作方法

本发明涉及一种具有至少一个可偏转的功能元件和应力去耦结构的MEMS构件，该功能元件以层结构在MEMS衬底上实现，使得在层结构与MEMS衬底之间至少在功能元件区域中产生中间空间，该应力去耦结构在MEMS衬底中构造。本发明还涉及具有这种MEMS构件的元器件。

背景技术：

在这里所述形式的MEMS构件例如作为用于感测和测量加速度、转速、磁场和压力的感应元件针对不同的应用例如在汽车领域和消费电子领域中使用。在此特别重视构件和元器件在高度功能集成时的微型化。在这个方面证实所谓的“bare-die(裸片)”或者芯片级包装是特别有利的，因为在这里取消芯片的包装。取而代之，MEMS芯片在这里或者直接装配在应用电路板上(“裸片”)或者集成到垂直混合集成元器件的芯片堆中(芯片级包装)。

由于MEMS芯片或者芯片堆在第二级装配范围中的直接装配，应用电路板的弯曲非常直接地耦入到MEMS构件中。在此产生应力效应，该应力效应可能强烈地损害MEMS功能。

在这里所述形式的MEMS构件的应力敏感性可以借助于在MEMS衬底中的应力去耦结构降低。已知在衬底背面中具有深沟道的MEMS构件。这些沟道相对于可偏转的、以MEMES层结构构造的功能元件环绕地施加。在沟道区域中的MEMS衬底强烈变薄的区段可以好地接收载体的变形，而MEMS衬底在功能元件区域由于它与之相比的大厚度和高强度最多得到小的变形。

但是在实践中证实已知的应力去耦结构在很多方面是有问题的。

因为沟道结构施加在衬底背面，在进一步加工过程中颗粒可能附着在沟道结构中，这可能完全消除或者至少明显减小应力去耦作用。通过在个别位置上的局部耦合和同时的杠杆作用甚至还能强化进入到功能元件的MEMS结构中的应力值。尽管可以以弹性材料填充沟道结构，以便防止颗粒进入。但是这总是与明显受限的应力去耦作用相关。

此外，必须相对于MEMS衬底的厚度非常准确地限定沟道结构的深度，以便实现有效的应力去耦。根据MEMS衬底的厚度，这与相对较高的技术加工费用有关并且相应地成本昂贵。

技术实现要素：

通过本发明提出措施，该措施以简单的方式并且可靠地促进MEMS功能元件与开头所述类型的MEMS构件的结构机械去耦。

根据本发明，这借助于应力去耦结构实现，该应力去耦结构以盲孔式的沟道结构的形式在MEMS衬底中实现、向着层结构与MEMS衬底之间的中间空间敞开并且只延伸到MEMS衬底中的预给定深度，使得所述MEMS衬底至少在沟道结构区域中在背面封闭。

根据本发明已经看出，在MEMS功能元件与构件构造之间的应力和振动去耦也可以通过沟道结构实现，该沟道结构在层结构下面埋在MEMS衬底中地构造，即该沟道结构不是从衬底背面开始而是从衬底正面开始。因为根据本发明，沟道结构在背面是封闭的，它相对地被保护。颗粒最多可能通过层结构中的MEMS结构侵入到MEMS衬底中的沟道结构中。根据本发明的沟道结构的应力去耦作用是相应可靠的。

对于实现具有根据本发明的应力去耦结构的MEMS构件，原则上存在不同的可能性，这尤其涉及沟道在MEMS衬底中的布置、几何形状和数量。

沟道结构有利地布置在可偏转的功能元件的边缘区域下面或者向外与其错开地布置。在这种情况下构件载体的变形从可偏转的功能元件的应力敏感区域(在那里MEMS衬底相对较厚)导入到沟道结构中，即导入到在其上不构造对应力敏感的结构元件的衬底区域中。

在根据本发明的MEMS构件的优选实施方式中，所述沟道结构相对于可偏转的功能元件环绕地构造。在这种情况下应力去耦作用特别有效。

已经示出，在沟道结构的走向中的拐角损害应力去耦作用。因此，沟道结构的走向应尽可能由直线的、弧形的和/或圆形的区段组成。

特别有利的是，沟道结构包括多个至少区段地基本平行地延伸的沟道，这些沟道通过在MEMS衬底中的隔片相互分开。在这种情况下，不仅沟道深度而且隔片宽度相对于沟道深度或隔片高度的比例确定去耦特性。这个比例可以自由选择。这种沟道/隔片结构能够非常简单地以限定的尺寸制造。此外，制造过程在很大程度上与衬底厚度无关。

如上所述，根据本发明的应力去耦结构尤其为MEMS构件设计，该MEMS构件应在“裸片”装配或者垂直混合集成元器件的范围内构造。在此所述MEMS构件经常以倒装芯片技术面朝下地、即通过MEMS层结构装配在载体上。此处在“裸片”装配情况下涉及应用电路板。在垂直混合集成元器件情况下例如ASIC构件也可以作为载体起作用。

在无需介质进入的微机械功能、例如加速度测量和转速测量中，MEMS构件不仅要这样装配在载体上，使得功能元件在MEMS层结构中的可偏转性得到保证。在这种应用中还已经证实特别有利的是，在MEMS层结构与载体之间的机械连接部完全包围可偏转的功能元件，使得该功能元件被气密密封地包围在MEMS衬底与载体之间。

特别有利的是，在MEMS层结构与载体之间的机械连接部相对于MENS衬底中的沟道结构向外错开地构造。在这种情况下，通过元器件环境中的颗粒既不会损害微机械功能，也不会损害MEMS构件的应力去耦。此外，由此附加于通过MEMS衬底中沟道结构的水平应力去耦，也可以实现通过层结构的垂直应力去耦。如果在MEMS层结构中的功能元件与在连接区域中的MEMS层结构机械去耦，则该垂直应力去耦作用特别大。

附图说明

如上所述，存在不同的可能性来以有利的方式构型和改进本发明。对此一方面参阅后置于权利要求1和6的权利要求，另一方面参阅下面根据附图对本发明多个实施例的说明。

图1到3分别示出垂直混合集成元器件100、200以及300的示意剖面图，具有用于感测加速度的MEMS构件，该MEMS构件配备有根据本发明的应力去耦结构。

具体实施方式

所有三个在图1到3中示出的垂直混合集成元器件100、200和300装配在应用电路板10上并且包括MEMS构件110、210以及310和ASIC构件20。MEMS构件110、210以及310和ASIC构件20分别“面对面”地装配，即，MEMS芯片的有源面(在该有源面中构造传感器结构)与ASIC芯片的有源面(在该有源面上实现电路功能)连接。

MEMS构件110、210和310的传感器结构13是一致的。它们包括至少一个可偏转的功能元件14，该功能元件与在这里未详细标出的用于感测信号的器件一起在MEMS衬底11上在层结构12中实现。传感器结构13的另一部分作为电接头16起作用。为了保证该功能元件14的可运动性，至少在功能元件14与MEMS衬底11之间构造中间空间15。所有MEMS构件110、210和310配备有应力去耦结构17，该应力去耦结构埋在MEMS衬底11中地位于层结构12下面。元器件100、200和300的MEMS构件110、210和310的不同之处仅在于该应力去耦结构17的实现形式，这结合图1至3详细解释。

元器件100、200和300的ASIC构件20也是一致的。它们包括电路组件23，该电路组件集成到ASIC衬底21中。在此有利地涉及用于分析MEMS构件110、210以及310的传感信号的信号处理电路。具有用于电路功能部23的多个布线平面24的层结构22位于ASIC衬底21上。层结构22的布线平面24通过至少一个电镀通孔25连接到ASIC衬底21背面上的布线平面上，在该布线平面中构造有用于元器件100、200以及300的外部电接通的连接垫26。外部的电接通在这里与应用电路板10上的第二级装配一起借助于钎焊球27实现。

在图1中所示的元器件100的情况下，应力去耦结构17以盲孔式的沟道117的形式在MEMS衬底11中在层结构12下面实现。该沟道从传感器结构13与MEMS衬底11之间的中间空间15一直向MEMS衬底11中延伸到预给定的深度，使得MEMS衬底11至少在沟道117区域中在背面封闭。沟道117相对于可偏转的功能元件14环绕地施加并且由直线的、弧形的和圆形的区段组成，使得它的走向尽可能不具有拐角。这有利于传感器结构13与其余元器件组件去耦，通过该元器件组件可能将装配引起的和热引起的应力和振动引入到传感器结构中。

在MEMS构件110与ASIC构件20之间的连接通过共晶键合建立。由此产生的连接层30构成在MEMS层结构12与ASIC构件20之间的托起结构，该托起结构保证传感器结构13的可运动性。在这里通过连接层30的相应的结构化已经在MEMS层结构12与ASIC构件20之间建立起机械连接部31，该连接部完全包围具有可偏转的功能元件14的传感器结构13，从而使该功能元件气密密封地包围在MEMS衬底11与ASIC构件20之间。此外，传感器结构13或者说传感器结构13的电接头16通过连接层30以及32也电连接到ASIC构件20上。在MEMS层结构12与ASIC构件20之间的机械连接部30以及31相对于MEMS衬底11中的沟道结构117向外错开地构造，使得沟道结构117也被气密密封地封闭并且因此防止颗粒侵入。此外，该布置能够通过在连接区域中露出的MEMS层结构12实现垂直应力去耦，该垂直应力去耦有利地补充通过MEMS衬底11中的沟道结构117的水平应力去耦。

与在图1中所示的实施例不同，在图2中所示的元器件200中，应力去耦结构17包括多个盲孔式的沟道，即两个基本平行延伸的沟道217和另一个沟道219。沟道217通过MEMS衬底11中的隔片218相互分开并且包围传感器结构13的整个区域。另一个沟道219包围传感器结构13的电接头16。即，在这里为了与传感器结构13弹性连接的电接头的机械去耦，设置有自己的沟道结构219。两个沟道结构217和219从具有传感器结构13的MEMS层结构12与MEMS衬底11之间的中间空间15一直向MEMS衬底11中延伸到预给定的深度。这些沟道也可以不同深度地构造，即使它们在这里所示的实施例中具有相同深度。

双沟道结构217的应力去耦特性基本通过隔片218的宽度与高度的比例确定，即，通过隔片宽度与沟道深度确定。隔片宽度与沟道深度的比例可以有利地很大程度上与MEMS衬底厚度无关地选择。

在这里MEMS构件110和ASIC构件20也通过共晶的键合层30机械和电地相互连接，在该键合层中构造托起结构。此外，传感器结构13与可偏转的功能元件14借助于键合层30气密密封地包围在MEMS衬底11与ASIC构件20之间的空心空间18中。在MEMS层结构12与ASIC构件20之间的机械连接部30以及31在这里在双沟道结构217区域中构造，更确切地说是，至少内部的沟道217施加在环绕的键合连接部31内。

在图3中所示的构件300的情况下，应力去耦结构17包括在MEMS衬底11中的盲孔式沟道317，该沟道环绕传递器结构13延伸并且在隔片318内侧露出MEMS衬底11中的该隔片。在隔片318的外侧上将MEMS衬底11完全去掉。如同在元器件200的情况中一样，沟道结构317的应力去耦特性在这里基本通过隔片318的宽度与高度的比例确定。此外，应力去耦结构在这里包括沟道319，该沟道包围传感器结构13的电接头16。两个沟道结构317和319从具有传感器结构13的MEMS层结构12与MEMS衬底11之间的中间空间15一直向MEMS衬底11中延伸到预给定的深度。

在MEMS构件310与ASIC构件20之间的共晶键合连接部31相对于MEMS衬底11中的沟道结构317、319向外错开地构造，使得该键合连接部与传感器结构13一起气密密封地包围在MEMS衬底11和ASIC构件20之间，并且以这种方式防止颗粒侵入。此外，该布置能够通过在连接区域中的露出的MEMS层结构12实现垂直应力去耦，该垂直应力去耦有利地补充通过MEMS衬底中的沟道结构317和319的水平应力去耦。

如上所述，为了制造MEMS构件和元器件，首先将应力去耦结构的沟道置入到MEMS衬底的正面中。有利地，在挖沟过程中借助于蚀刻掩模实现衬底正面的结构化，该蚀刻掩模在要产生沟道的区域中具有栅格结构。该栅格结构在挖沟过程中被完全蚀刻掉，使得产生连续的沟道，该沟道被蚀刻掩模的栅格结构覆盖。在结构化过程后，在加有掩模的衬底表面上产生封闭的层结构，现在与衬底中的沟道结构无关地在该层结构中构造微机械传感器结构。

如上所述，应力去耦结构在MEMS衬底中的走向优选是修圆并且环绕地封闭。那么传感器结构施加在层结构中的封闭的区域内。在优选的实施方式中，借助于沟道在MEMS衬底中构造应力去耦隔片。为此可以产生双沟道结构，如在MEMS构件210中的情况中那样。但是外部的沟道也可以一直延伸至芯片边缘，使得它不再被看作沟道，如同在MEMS构件310的情况中那样。在这种情况下，MEMS衬底的侧面突出部也可以方便地去掉，例如通过锯过程。

上述元器件100、200和300的根据本发明的MEMS构件与ASIC构件之间的连接以导电的键合方法建立，例如通过共晶的铝锗键合。由此MEMS构件和ASIC构件不仅机械地而且电地连接。此外，传感器结构可以气密密封地包围在MEMS衬底与ASIC构件之间的空腔中。

有利地，在MEMS与ASIC构件之间的连接区域和在MEMS衬底中的应力去耦结构相互错开地布置。在这种情况下，结构化的MEMS层结构在连接区域与应力去耦结构之间附加地起到弹性元件的作用并由此起到应力去耦元件的作用。由此主要可以接收垂直的弯曲，而在MEMS衬底中的应力去耦结构更多地接收水平的弯曲。