用于制造组合微机电器件的方法和对应组合微机电器件与流程

1.本公开涉及一种用于制造组合微机电(“mems”)器件的方法以及一种对应组合微机电器件。背景技术：2.组合mems器件是已知的并且可以在相同衬底上包括两个微机电结构。已知的组合mems器件的微机电结构可能依赖于不同操作条件，特别是关于相应结构内的不同压力值。例如，一个结构中的压力可能大于另一结构中的压力。3.上述需要在组合mems器件中的相应结构内限定不同压力值给制造过程带来了一些实现问题。4.在这点上，第一已知解决方案提供了使用吸气剂区域，该吸气剂区域被引入上述结构中的一个结构中，以便以期望方式调节相同结构内的压力。5.第二已知解决方案(在例如us 10,017,380b1或us 9,919,919 b2中描述)提供了对穿过在需要调节压力的位置处的结构的“烟囱(chimney)”或进入通道的限定。6.然而，上述两种已知解决方案都存在缺点，并且具有与控制过程扩展和压力设定点的难度以及制造过程的复杂性相关联的共同问题。7.具体地，在第一解决方案的情况下，形成有吸气剂区域的位置处的最终压力值受一系列因素的影响，包括其他腔中的压力设定点的公差、工艺气体的成分和浓度、吸气剂的活化和降低腔内的压力的能力。8.此外，将吸气剂区域集成到制造过程流程中增加了器件的制造复杂性。9.在第二解决方案的情况下，为了保持压力而气密地封闭进入通道需要复杂的附加操作，特别是关于激光熔化，这需要增加制造过程的成本和时间。技术实现要素：10.根据本公开的一种组合mems器件可以包括布置在相同半导体材料管芯中的至少第一微机电结构和第二微机电结构，例如限定第一传感器和第二传感器的第一检测结构和第二检测结构。使用这些组合mems器件是特别有利的，例如在电连接的面积占用和优化方面。11.具体地，组合mems器件可以限定惯性测量单元，即，所谓的imu，该惯性测量单元包括在相同半导体材料管芯中的多个不同传感器并且具有多个感测轴，例如至少一个加速度计和一个陀螺仪，两者都是三轴的，以便提供它们所应用于的物体或对象的加速度和角速度信息。12.例如，这些器件广泛用于移动或可穿戴设备(诸如智能手机、平板电脑、智能手表等)或汽车或工业应用中。13.加速度计和陀螺仪包括相应可移动结构，该可移动结构关于形成在半导体材料管芯中的公共衬底弹性地悬置并且容纳在相应密闭腔中，该腔典型地通过将盖结合到相同衬底来限定。14.在一个或多个实施例中，提供了一种用于制造组合微机电器件的方法，该方法克服了常规组合mems器件的先前突出的问题。附图说明15.为了更好地理解本解决方案，现仅以非限制性示例的方式并且参考附图描述其优选实施例，在附图中：16.图1a-图1e是根据本公开的组合微机电器件的制造过程的实施例中的连续步骤的示意性截面图；17.图2是由根据本公开的制造过程产生的组合微机电器件的实施例的示意性截面图；以及18.图3是包括本公开的组合微机电器件的电子装置的实施例的示意性框图。具体实施方式19.如图1a所示，用于制造组合微机电(mems)器件的过程最初提供在半导体材料、特别是硅的管芯1中形成第一微机电结构2a和第二微机电结构2b。20.第一微机电结构2a和第二微机电结构2b分别形成在管芯1的第一部分1'和第二部分1”中，彼此不同并且由分离部分3分离。在非限制性示例中，分离部分3通常可以位于管芯1的中心，但是分离部分3的位置可以基于mems结构2a、2b的尺寸来选择。21.在图1a中示意性示出的实施例中，其中组合mems器件限定惯性测量单元，第一微机电结构2a是限定例如三轴型的电容陀螺仪的检测结构；而第二微机电结构2b是限定例如也是三轴型的电容加速度计的检测结构。22.具体地，管芯1包括具有顶面4a的衬底4，顶面4a上形成有介电层5；前述的第一微机电结构2a和第二微机电结构2b形成在衬底4的顶面4a上方。23.在所示实施例中，第一微机电结构2a和第二微机电结构2b包括限定在衬底4上方的相同结构层6中的相应悬置元件，悬置元件用7来示意性地指示(例如，惯性质量、检测电极和/或致动电极、弹性元件)；这些悬置元件7耦合到相应锚定元件8，锚定元件8关于衬底4是一体的，也从相同结构层6开始限定。24.此外，例如多晶硅的导电层9被布置并且适当地成形在介电层5上，以便在第一微机电结构2a和第二微机电结构2b与接触垫之间限定合适的电连接，接触垫从组合微机电器件外部可访问(以此处未说明的方式)，例如用于相同结构的偏置和对应检测信号的获取。25.在所示示例中，管芯1的前述分离部分3包括结构层6的一部分，该部分插入在第一微机电结构2a与第二微机电结构2b的相应锚定元件8之间。在图1a中，分离部分3可以对应于定位在第一微机电结构2a与第二微机电结构2b之间的锚定元件8的中央部分。26.如图1b所示，制造过程还提供了盖10在管芯1的结构层6上方的结合。27.对该盖10进行处理，以便在相同盖10的面向管芯1的结构层6的表面11中限定第一凹部12a和第二凹部12b。表面11在本文中也可以称为盖10的接合面11。28.具体地，第一凹部12a放置在第一检测结构2a处，而第二凹部12b放置在第二检测结构2b处。29.用于确保气密性结合的合适材料(尤其是玻璃料(glass frit)材料)的结合区域14(在本文中也可以称为粘合剂14)结合到盖10的接合面11以将盖10耦合到结构层6。30.具体地，该结合区域14包括分别关于第一检测结构2a和第二检测结构2b在外部并且接近于第一检测结构2a和第二检测结构2b被布置的第一结合部分14a和第二结合部分14b(在本文中也可以称为第一粘合剂部分14a和第二粘合剂部分14b)(分别类似于管芯1的第一部分1'和第二部分1”)；以及布置在相同管芯1的上述分离部3处的第三结合部分14c(在本文中也可以称为第三粘合剂部分14c)。第三结合部分14c沿着包含接合面11的水平面xy的第一水平轴x插入在第一结合部分14a与第二结合部分14b之间。31.在一个实施例中，结合区域14可以在水平面xy中限定围绕第一凹部12a和第二凹部12b的环，在这种情况下，第一结合部分14a和第三结合部分14c以及第二结合部分14b和第三结合部分14c彼此连接(以图1b中未示出的方式)。32.结合区域14沿着垂直轴z具有第一或初始高度h1，垂直轴z垂直于位于水平面xy中的盖10的接合面11。如图1b所示，在一些实施例中，第一高度h1在结构层6与盖10的接合面11之间。33.如图1b所示，间隔件或止动元件(所谓的“止动件”)16可以耦合到盖10的相同接合面11，例如接近于结合区域14的第一结合部分14a，第一结合部分14a相对于接合面11具有小于前述初始高度h1的第二或分离高度hs。34.止动元件16可以与盖10成一体并且在限定上述第一凹部12a和第二凹部12b的同时被限定。止动元件16在本文中也可以称为从盖的接合面11延伸分离高度hs的突起16或突出部16。35.如前述图1b和参考图1c所示，当盖10被放置为与管芯1接触时，结合区域14与相同管芯1的结构层6接触，限定有插入在相同结构层6与盖10的接合面11之间的以下各项：第一腔20a，布置在第一微机电结构2a处，由结合区域14的第一结合部分14a和第三结合部分14c横向界定(在上述第一水平轴x的方向上)，并且包括盖10的第一凹部12a；以及第二腔20b，布置在第二微机电结构2b处，由相同结合区域14的第二结合部分14b和第三结合部分14c横向界定，并且包括前述盖10的第二凹部12b。36.如图1c所示，然后执行第一结合阶段(通过热压)，其中处理环境在具有第一值p1的受控压力下，第一值p1例如对应于第二微机电结构2b的期望操作压力(在该实施例中，适合于加速度计的操作的较高压力，例如几十mbar的数量级，例如等于100mbar)。37.由于在第一压力p1下的结合材料、特别是玻璃料的回流，该第一结合阶段需要结合区域14的变形，特别是平坦化或“挤压”(高度减小并且加宽)；因此，结合区域14呈现小于初始高度h1的中间或第三高度h2。38.在所示实施例中，该中间高度h2对应于止动元件16的分离高度hs，在这种情况下，它实际上限定了在上述第一结合阶段结束时盖10与管芯1的结构层6之间的分离距离。换言之，压力p1使分离元件16与结构层6接触，如图1c所示，从而使结合区域14的高度从图1b中的初始高度h1减小并且加宽到分离高度hs。39.如图1d所示，制造过程提供了从与接合面11相对的外表面11'开始使盖10可能变薄。随后，从外表面11'(可能由减薄操作或由单独并且不同的操作产生)开始并且接近于结合区域14的第一结合部分14a，关于第一凹部12a的布置在内部，对相同盖10执行蚀刻。可以对第一结合区域14a与第一凹部12a之间的盖10执行蚀刻。40.该蚀刻导致进入通道22的限定，进入通道22完全延伸穿过盖10(从外表面11'到接合面11)，以便与第一腔20a流体连通。在一个实施例中，进入通道22可以延伸穿过盖10与第二腔20b而非第一腔20a流体连通，其中器件的对应方面(即，锚8等)适于在第二腔20b附近容纳进入通道22。在这样的实施例中，制造过程和最终组合微机电器件30通常可以与本文中描述的过程和器件相同，不同之处在于，在器件30的由第二粘合剂部分14b密封的另一侧形成进入通道22。41.在先前已经形成止动元件16的情况下，在该止动元件16处执行该蚀刻，使得相同止动元件16在蚀刻之后被完全去除。42.如前述图1d所示，蚀刻可能会继续通过管芯1的结构层6的表面部分，以防如在所示示例中那样，先前没有形成蚀刻停止层，从而导致在上述通道22处垂直地形成凹痕25。43.然后通过进入通道22以合适的方式调节第一腔20a内的压力，例如通过具有期望压力的气体流动。第二腔20b由第二结合区域14b和第三结合区域14c以及组合mems器件的附加结构气密地密封，使得第二腔20b维持来自先前制造步骤的较高压力并且不受通过进入通道22对第一腔20a中的压力的调节的影响。44.如图1e所示，然后在具有第二值p2的受控压力下执行第二结合阶段，第二值p2例如对应于第一微机电结构2a的期望操作压力。在一个实施例中，第二值p2小于第一值p1并且对应于适合于陀螺仪操作的较低压力，例如几mbar的数量级，例如等于1mbar。然而，在一些实施例中，第二压力p2等于或大于第一压力p1，具体取决于微机电结构2a、2b的期望操作条件。45.由于结合材料的回流，该第二结合阶段需要进一步变形，特别是通过结合区域14的平坦化或挤压(高度减小并且加宽)。由于图1e中的第二结合阶段，结合区域14在盖10与管芯1的结构层6之间呈现第四或最终高度h3，该第四或最终高度h3小于中间高度h2。最终高度h3小于中间高度h2，因为止动元件16在先前的处理步骤中被去除并且不再阻止盖10移动到比分离高度hs更靠近结构层6。尽管使结合区域14变形，但是第二结合阶段不影响第二腔20b中的压力，第二腔20b在第二结合阶段期间保持气密地密封。在一些实施例中，经由结合区域14的平坦化从第二结合阶段减小第二腔20b的体积可以在第二腔20b中产生可忽略不计的压力增加，尽管预计任何增加都不会影响组合mems器件的操作。46.具体地，根据本解决方案的特定方面，结合区域14(更具体地，对应的第一结合部分14a)在进入通道22下方横向延伸并且超出相同进入通道22朝向第一腔20a延伸，从而在底部处封闭进入通道22并且在第二压力p2下关于外部环境气密地密封相同第一腔20a。因此，在第二结合阶段，相同第一结合区域14a被回流以延伸超出并且密封进入通道22。在一个实施例中，第一结合区域14a在到达第一腔20a之前终止以防止第一结合区域14a干扰第一微机电结构2a的操作。第一结合区域14a在结合阶段的延伸可以根据各种因素来控制，包括但不限于结合材料的量和类型、每个结合阶段期间的压力、以及每个结合阶段的时间长度。47.总之，在上述第二结合阶段结束时，由此获取了如图2所示的最终组合mems器件(combo mems)30(应当注意，在该图2中，作为示例，未示出凹痕25)。48.因此，在这个组合mems器件30中，有利地提供了第一微机电结构2a和第二微机电结构2b，相应的第一腔20a和第二腔20b气密地封闭并且分别设置为第一压力p1和第二压力p2，具有针对相同的第一微机电结构2a和第二微机电结构2b的相应操作而优化的不同值。49.具体地，在组合mems器件30中，进入通道22穿过盖10来提供，关于第一微机电结构2a横向地布置在外部，第一端22a对组合mems器件30的外部开放，并且沿着垂直轴z的与第一端22a相对的第二端22b由结合区域14的第一结合部分14a封闭，第一结合部分14a将盖10结合到管芯1，其中相同的第一微机电结构2a和第二微机电结构2b被形成。50.换言之，结合区域14的前述第一结合部分14a因此在盖10下方延伸，以超出前述进入通道22，朝向第一腔20a延伸。51.本解决方案的优点从前面的描述中很清楚。52.在任何情况下，需要强调的是，本解决方案制造成本低廉，因为它不使用附加的复杂并且昂贵的工艺步骤来在组合mems器件的微机电结构的不同压力下获取密闭腔。53.如先前详细讨论的，本解决方案提供了分为两个不同阶段的结合过程(特别是通过玻璃料结合)。结合过程的第一阶段提供结合盖和传感器管芯，在其间具有受控的最终厚度的结合区域(可以通过控制结合材料的量和/或结合压力和/或使用止动元件来获取)。结合过程的第二阶段是在腔中的一个腔(例如，陀螺仪中的一个)处限定进入通道之后执行的，以允许控制该腔中的压力，并且在相同第二阶段结束时提供使用相同结合材料(由于其平坦化，在底部处封闭了进入通道的开口)对进入通道的气密性封闭。54.因此，需要强调的是，该过程使用单一结合过程(分为两个不同阶段)，因此不需要与常规组合mems器件相关联的特殊或附加处理。55.所讨论的解决方案有利地应用于电子装置，例如便携式类型的电子装置(诸如智能手机、平板电脑、智能手表)，如图3示意性所示。56.用40表示的电子装置因此包括：组合mems器件30，组合mems器件30例如用作惯性测量单元；以及控制单元42，控制单元42可操作地耦合到组合mems器件30并且被配置为接收由相同组合mems器件30提供的检测信号以用于控制电子装置40的一般操作。57.最后，很明显，可以对所描述和说明的内容进行修改和变化，而不由此脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。58.特别强调的是，所讨论的解决方案可以在具有至少两个结构的所有mems器件中找到有利应用，这些结构具有相应不同密闭腔，其中不同压力值是有利的(例如，在包括两个加速度计或两个陀螺仪或任何其他密闭腔结构的组合mems器件的情况下，例如麦克风或压力传感器)。59.此外，在一个可能的实施例中，第一结合阶段中的受控压力的第一值p1可以备选地大于第二结合阶段中的受控压力的第二值p2(在第一腔20a内的压力应当低于第二腔20b内的压力的情况下)。60.如前所述，再次强调，在制造过程中可能不使用止动元件16，例如，在结合区域14的厚度仅通过控制材料的量和/或结合压力来控制的情况下。61.此外，用于形成接入通道22的蚀刻可能不会导致凹痕25的限定(因此其不会出现在最终mems器件中，如图2的示例中另一方面所示)，例如在结构层6的面向盖10的表面上限定蚀刻停止层的先前情况下，在相同进入通道22下方。62.一种用于制造组合微机电器件(30)的方法的一个或多个实施例可以概括为包括：在半导体材料的管芯(1)中形成至少第一微机电结构(2a)和第二微机电结构(2b)；通过结合区域(14)将盖(10)结合到管芯(1)，从而分别在上述第一微机电结构和上述第二微机电结构处限定至少第一腔(20a)和第二腔(20b)；形成穿过上述盖(10)的与第一腔(20a)流体连通的进入通道(22)，以便关于上述第二腔(20b)内的相应压力值以不同方式来控制上述第一腔(20a)内的压力值；关于上述进入通道(22)气密地封闭上述第一腔(20a)，结合包括在形成上述进入通道(22)之前在具有第一值(p1)的受控压力下实现第一结合阶段，第一值(p1)是上述第二腔(20b)内的压力值的函数，在形成上述进入通道(22)之后，在具有第二值(p2)的相应受控压力下实现第二结合阶段，第二值(p2)是上述第一腔(20a)内的压力值的函数，其中由于上述第二结合阶段，结合区域(14)变形以关于上述进入通道(22)气密地封闭上述第一腔(20a)。63.该方法还可以包括：第一结合阶段包括挤压结合区域(14)，结合区域(14)呈现中间高度(h2)，该中间高度(h2)小于初始高度(h1)；并且上述第二结合阶段可能需要进一步挤压结合区域(14)，结合区域(14)呈现最终高度(h3)，该最终高度(h3)小于上述中间高度(h2)，并且进一步在进入通道(22)下方横向延伸并且超出进入通道(22)朝向第一腔(20a)延伸，从而在底部处封闭进入通道(22)并且气密地密封上述第一腔(20a)。64.该方法还可以包括：结合区域(14)包括第一结合部分(14a)，第一结合部分(14a)关于第一检测结构(2a)在外部并且接近于第一检测结构(2a)被布置，并且形成穿过上述盖(10)的进入通道(22)可以包括接近于上述第一结合部分(14a)在盖(10)的整个厚度上执行蚀刻；并且上述第二结合阶段需要进一步挤压上述第一结合部分(14a)以气密地封闭上述第一腔(20a)。65.该方法还可以包括：盖(10)包括间隔元件(16)，间隔元件(16)从盖(10)的面向管芯(1)的接合面(11)朝向上述管芯(1)延伸，布置为接近于结合区域(14)的第一结合部分(14a)，并且具有分离高度(hs)；并且，在上述第一结合阶段，上述间隔元件(16)确定上述结合区域(14)的中间高度(h2)，上述中间高度(h2)等于上述分离高度(hs)。66.该方法还可以包括：用于形成上述接入通道(22)的蚀刻完全去除上述间隔元件(16)；蚀刻在上述管芯(1)的面向上述盖(10)的结构层(6)中停止，以在其中形成凹痕(25)；结合区域(14)包括玻璃料材料；第一微机电结构(2a)限定陀螺传感器并且上述第二微机电结构(2b)限定加速度传感器；其中对应于与陀螺传感器相关联的第一腔(20a)中的受控压力的上述第一值(p1)可以低于对应于与加速度传感器相关联的第二腔(20b)中的受控压力的上述第二值(p2)。67.该方法还可以包括：结合区域(14)包括：分别关于第一检测结构(2a)和第二检测结构(2b)在外部并且接近于第一检测结构(2a)和第二检测结构(2b)被布置的第一结合部分(14a)和第二结合部分(14b)；以及布置在管芯(1)的分离部分(3)处的第三结合部分(14c)，分离部分(3)将上述第一检测结构和上述第二检测结构分离；并且其中上述第一腔(20a)可以由结合区域(14)的第一结合部分和第三结合部分(14a、14c)横向界定，并且可以包括从面向上述管芯(1)的接合面(11)开始形成在盖(10)中的第一凹部(12a)；并且上述第二腔(20b)可以由结合区域(14)的第二结合部分和第三结合部分(14b、14c)横向界定，并且可以包括从面向管芯(1)的上述接合面(11)开始形成在盖(10)中的第二凹部(12b)。。68.一种组合微机电器件(30)可以概括为包括：至少容纳第一微机电结构(2a)和第二微机电结构(2b)的半导体材料的管芯(1)；通过结合区域(14)结合到管芯(1)并且分别在上述第一微机电结构和上述第二微机电结构处限定至少第一腔(20a)和第二腔(20b)的盖(10)，其中上述第一腔(20a)中具有与上述第二腔(20b)内的相应受控压力值不同的受控压力值；以及接近于上述第一腔(20a)穿过上述盖(10)的进入通道(22)，上述第一腔(20a)关于上述进入通道(22)气密地封闭，上述进入通道(22)具有对组合mems器件(30)外部的环境开放的第一端(22a)和与第一端(22a)相对的第二端(22b)，第二端(22b)由上述结合区域(14)的第一结合部分(14a)封闭。69.该器件还可以包括：结合区域(14)的第一结合部分(14a)在进入通道(22)下方横向延伸并且超出相同进入通道(22)朝向第一腔(20a)延伸，从而在底部处封闭进入通道(22)并且气密地密封上述第一腔(20a)；并且上述结合区域(14)的第一结合部分(14a)关于第一检测结构(2a)在外部并且接近于第一检测结构(2a)被布置；并且上述结合区域(14)还可以包括：关于第二检测结构(2b)在外部并且接近于第二检测结构(2b)被布置的第二结合部分(14b)、以及布置在管芯(1)的分离部分(3)处的第三结合部分(14c)，分离部分(3)将上述第一检测结构和上述第二检测结构分离；并且上述第一腔(20a)可以由结合区域(14)的第一结合部分和第三结合部分(14a、14c)横向界定并且可以包括从面向上述管芯(1)的接合面(11)开始形成在盖(10)中的第一凹部(12a)；并且上述第二腔(20b)可以由结合区域(14)的第二结合部分和第三结合部分(14b、14c)横向界定并且可以包括从面向管芯(1)的上述接合面(11)开始形成在盖(10)中的第二凹部(12b)。70.该器件还可以包括：第一微机电结构(2a)限定陀螺传感器并且上述第二微机电结构(2b)限定加速度传感器；其中与陀螺传感器相关联的第一腔室(20a)中的受控压力具有第一值(p1)，该第一值(p1)低于与加速度传感器相关联的第二腔室(20b)中的受控压力的第二值(p2)；结合区域(14)包括玻璃料材料；并且进入通道(22)关于第一微机电结构(2a)横向地布置在外部。71.一种电子装置(40)的一个或多个实施例可以概括为包括组合微机电器件(30)和可操作地耦合到上述组合微机电器件(30)的控制单元(42)。72.一种组合微机电器件的一个或多个实施例可以概括为包括：在管芯上的第一微机电结构；在管芯上的第二微机电结构；耦合到管芯的盖；在盖与管芯之间的粘合剂，粘合剂包括第一粘合剂部分、第二粘合剂部分和第三粘合剂部分；至少部分由盖、第一粘合剂部分和第三粘合剂部分限定的第一腔，第一腔对应于第一微机电结构并且在第一腔内具有第一压力值；至少部分由盖、第二粘合剂部分和第三粘合剂部分限定的第二腔，第二腔对应于第二微机电结构并且在第二腔内具有与第一压力值不同的第二压力值；以及穿过盖的进入通道，第一腔和第二腔都关于进入通道气密地密封，进入通道具有第一开放端和与第一端相对的第二端，进入通道的第二端由粘合剂的第一粘合剂部分和第二粘合剂部分中的一者密封。73.组合微机电器件还可以包括：进入通道接近于第一腔，其中进入通道的第二端由粘合剂的第一粘合剂部分密封；进入通道的第二端由第一粘合剂部分密封，第一粘合剂部分横向延伸跨越和超出进入通道的第二端并且在第一腔之前终止；第一微机电结构是陀螺仪并且第二微机电结构是加速度计，第一压力值小于第二压力值；以及盖包括在盖的面向管芯的表面中的第一凹部和第二凹部，第一腔至少部分由第一凹部限定并且第二腔至少部分由第二凹部限定。74.可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求有权享有的等同方案的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。