Alojamiento micromecánico con al menos dos cavidades con presión interior diferente y/o composición gaseosa diferente y procedimiento para su fabricación.

Componente utilizable en la tecnología de microsistemas con un sustrato y una estructura de tapa, que están conectados entre sí de modo que rodean al menos una primera y una segunda cavidad, que están selladas una respecto a otra y frente al entorno exterior,

estando dispuesto al menos en la primera cámara

(5) un sensor de velocidad de rotación, sensor de aceleración, actuador, resonador, pantalla, microespejo digital, bolómetro y/o conmutador de RF,

caracterizado porque

la primera de las dos cavidades está provista de un material getter y debido a este material getter presenta otra presión interior y/o otra composición gaseosa que la segunda cavidad

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2007/053342.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: MERZ, PETER, DR., REINERT,WOLFGANG, OLDSEN,MARTEN, SCHWARZELBACH,OLIVER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS > DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej.... > B81B7/00 (Sistemas de microestructura)

PDF original: ES-2500147_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Alojamiento micromecánico con al menos dos cavidades con presión interior diferente y/o composición gaseosa diferente y procedimiento para su fabricación

La presente invención se dirige a un procedimiento que es apropiado para el alojamiento combinado, realizado preferentemente a nivel de obleas de sistemas micromecánicos que necesitan una respectiva presión de funcionamiento diferente. El procedimiento permite el llenado selectivo de una cavidad 1 con una presión de gas P1 definida y una cavidad 2 con una presión de gas P2 en la misma etapa de trabajo, pudiéndose seleccionar P1 y P2 de forma independiente una de otra. Con el procedimiento se pueden combinar diferentes sistemas micromecánicos en un componente. De este modo se puede aumentar considerablemente el grado de integración de sistemas semejantes. Además, la invención comprende sistemas micromecánicos con al menos dos cavidades que presentan presiones interiores y/o composiciones de gases diferentes.

Los componentes fabricados con la ayuda de la tecnología de microsistemas (MEMS) están establecidos desde hace tiempo para la fabricación miniaturizada y económica de sensores y actuadores. La tecnología de microsistemas (MST) es una rama de la tecnología relativamente joven que en gran parte se apropia de los procesos de producción eficientes de la industria de semiconductores, a fin de transmitir sistemas de tecnología macroscópica al micromundo con estos procedimientos microtécnicos a medida del material base silicio, y así favorecer la miniaturización constante y aumento de rendimiento de los productos técnicos. Los productos fabricados mediante MST se usan en diversos sectores en la microelectrónica, la automatización industrial, la tecnología de la comunicación y medicina, en la industria automovilística o también en productos de Ciencias de la Vida (Ufe Science). En este caso la miniaturización progresiva y el aumento continuo de la densidad de integración tecnológica de microsistemas requieren un desarrollo inventivo y mejora constante de los procesos de producción.

En el sector automovilístico, pero también en la construcción de máquinas existe la necesidad de componentes de microsistemas complejos, construidos de forma integrada, que realicen múltiples funciones de medida y regulación de forma autónoma y con baja demanda de energía. Los diferentes sistemas sensores requieren según el diseño una presión de trabajo correspondiente. Entonces los sistemas resonantes necesitan con frecuencia una calidad elevada. Por ello se debe minimizar la amortiguación mecánica por gas ambiente mediante una presión de trabajo baja correspondiente en la cavidad en la que se sitúa el sistema sensor correspondiente. Los sensores de velocidad de rotación resonantes, por ejemplo, se hacen funcionar típicamente con una presión de trabajo de un microbar hasta algunos milibares. Por el contrario, los sensores de aceleración se deben amortiguar de forma parcialmente intensa, de modo que aquí la presión de funcionamiento se sitúa en general en algunos cientos de milibares. La tabla siguiente muestra la respectiva presión de funcionamiento típica para distintos microsistemas:

Sensor/tipo de componente

Presión de funcionamiento

Sensor de aceleración

3 - 7 mbar

Sensor de presión absoluta

1-1 mbar

Sensor resonante (p. ej. sensor de velocidad de rotación)

,1 mbar

Bolo metro

< ,1 mbar

Conmutador de RF

< ,1 mbar

En la flg. 2 está representada una estructura típica de un sensor inercial resonante, fabricado con la tecnología de microsistemas (P. Merz, W. Reinert, K. Reimer, B. Wagner, "PSM-X2: Polyslllcon surface micromachining process platform for vacuum-packaged sensors", Konferenzband Mlkrosystemtechnlk-Kongress 25, D/Freiburg, VDE Verlag, pág. 467-47). El sensor micromecánico superficial situado debajo contiene la estructura sensora activa (MEMS Active Layer). Mediante una etapa de grabado específica, en la que se retira una capa de sacrificio, se pueden fabricar estructuras autoportantes. Para la detección capacitiva de los movimientos fuera del plano se implementan contraelectrodos a una distancia de 1,5 pm. La dirección de movimiento de los sistemas micromecánicos está limitada no sólo a movimientos en el plano (in-plane), sino que también se pueden excitar y detectar movimientos fuera del plano (out-of plañe). En el chip de cubierta superior (Cap) se introduce a través de la estructura de sensor una cavidad con profundidad de 6 pm, en la que se deposita el material getter para la absorción y fijación química de las moléculas de gas. La conexión fija de la oblea de tapa y sensor sobre el plano de oblea, el así denominado encapsulado en nivel oblea (Wafer Level Packaging) se produce aquí mediante un eutéctlco de oro - silicio. El marco de unión de oro - silicio proporciona un encapsulado hermético, de modo que se mantiene la presión ajustada en el proceso de conexión

eutéctico. Mediante la capa de getter introducida en la cavidad se garantiza que se pueda ajustar una presión interior mínima de la cavidad de hasta 1 E-6 bares y mantener durante toda la vida útil del componente.

En el sector de la tecnología de microsistemas, el alojamiento de microsensores es uno de los campos de la tecnología menos desarrollados, no obstante, al mismo tiempo uno de los más Importantes y desafiantes. Especialmente la facilitación de un alojamiento hermético es una tecnología clave para muchos componentes micromecánlcos. Mediante encapsulado hermético se apantallan los microsensores frente a las Influencias ambientales perjudiciales (polvo, deterioro mecánico o químico) y así alargan decisivamente su funcionamiento y vida útil fiable. Además, los modernos microsensores operados de forma resonante necesitan un gas de trabajo específico o una presión ambiente ajustada de forma definida en la cavidad del alojamiento para satisfacer la funcionalidad requerida.

En el así denominado encapsulado en nivel de oblea (Wafer-Level Packaging, WLP) el encapsulado de los sensores abiertos se realiza en el nivel de oblea. Para ello se elabora una oblea de tapa correspondiente que contiene los elementos funcionales individuales del alojamiento. La oblea de tapa se une con la oblea de sensor, de modo que cada chip sensor se conecta de forma fija con un chip de carcasa correspondiente. Sólo después de esta juntura en el plano de oblea se asila el par de obleas en chips individuales. Mediante el modo de trabajo en paralelo masivo, el alojamiento en nivel de oblea, en comparación a un alojamiento en nivel de chip, tiene enormes ventajas en relación a costes, densidad de integración de componentes y rendimiento.

Para la tecnología WLP están a disposición una serie de procedimientos establecidos, como por ejemplo, unión fritada de vidrio (G/ass Frit Bonden), unión de oblea anódlca, unión directa (Fusión Bonding), unión eutéctlca, unión por termocompreslón, unión adhesiva o pegado (véase R. F. Wolffenbuttel, K. D. Wlse, "Low-temperature silicon-to- waferbondlng uslng gold at eutectlc temperatura" Sensor and Actuators A, 43, 1994, pág. 223-229; M. Madou, "Fundamentáis of Mlcrofabrlcation", CRC Press, Boca Ratón, 22).

En el caso del alojamiento en nivel de oblea, el gas situado en la cámara de proceso y la presión de proceso se encierran en la cavidad. De este modo todos los componentes de la oblea se proveen en el marco de la uniformidad del proceso de la misma presión de cavidad, pudiéndose encerrar en la cavidad tanto una presión atmosférica,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1Componente utilizable en la tecnología de microsistemas con un sustrato y una estructura de tapa, que están conectados entre sí de modo que rodean al menos una primera y una segunda cavidad, que están selladas una respecto a otra y frente al entorno exterior,

estando dispuesto al menos en la primera cámara (5) un sensor de velocidad de rotación, sensor de aceleración, actuador, resonador, pantalla, mlcroespejo digital, bolómetro y/o conmutador de RF,

caracterizado porque

la primera de las dos cavidades está provista de un material getter y debido a este material getter presenta otra presión interior y/o otra composición gaseosa que la segunda cavidad.

2 - Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda de las dos cavidades no contiene un material getter.

3 - Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda de las dos cavidades contiene un segundo material getter cuyas propiedades de absorción de gas se diferencian de las del material getter en la primera cavidad.

4 - Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda de las dos cavidades contiene el mismo material que la primera cavidad, no obstante, en una cantidad o superficie menor, referido al volumen de la cavidad.

- Componente según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el material getter está presente de forma estructurada al menos en zonas parciales.

6 - Componente según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el sustrato y la estructura de tapa están conectados entre sí a través de un marco de unión que cierra herméticamente.

7.- Procedimiento para la fabricación de un componente según se define en una de las reivindicaciones 1 a 6, que

comprende las etapas siguientes:

a) facilitación de un sustrato plano revestido con un primer material getter en las zonas de la primera cavidad o una estructura de tapa semejante, configurada eventualmente de forma plana,

b) ajuste del sustrato plano o de la estructura de tapa respecto a una contrapieza de tapa o sustrato correspondiente,

c) introducción del par de sustrato plano y estructura de tapa configurada eventualmente de forma plana en una cámara de proceso,

d) inundación de la cámara de proceso con un gas de proceso, que contiene uno o se compone de un tipo de gas A, que se puede absorber por el o un primer material getter, y eventualmente un tipo de gas B, que no se puede absorber por este material getter o en una medida sustancialmente menor, estando presente el tipo de gas A con la presión parcial Pa y el tipo de gas B con la presión parcial Pb,

e) puesta en contacto de la estructura de tapa y el sustrato y conexión de estas dos partes con la ayuda de una tecnología de conexión apropiada,

f) activación del primer material getter, de manera que se absorben las moléculas del tipo de gas A.

8.- Procedimiento según la reivindicación 7, en el que la relación de las presiones parciales de los tipos de gas A y B usados en la etapa (d) se sitúa entre 1:99 y 99:1, preferentemente entre 1:95 y 95:1.

9.- Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, en el que el gas de proceso presenta adiclonalmente otro tipo de gas C, que no se puede absorber por un segundo o un tercer material getter o en una medida sustancialmente menor, estando presente el tipo de gas A con la presión parcial Pa, el tipo de gas B con la presión parcial Pb y el tipo de gas C con la presión parcial Pe.