DE102004013816A1

DE102004013816A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls und Sensormodul

Info

Publication number: DE102004013816A1
Application number: DE200410013816
Authority: DE
Inventors: Frank Schnell; Frank Fischer; Hartmut Kueppers
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2005-10-06
Also published as: WO2005091359A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls und ein derartiges Sensormodul. DOLLAR A Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind mindestens folgende Schritte vorgesehen: DOLLAR A Strukturieren eines Sensorwafers (3), DOLLAR A Strukturieren eines Kappenwafers (5), DOLLAR A Aufdrucken einer Polymerschicht (16, 17) auf untere Verbindungsflächen (7) des Sensorwafers (3) und/oder obere Verbindungsflächen (14) des Kappenwafers (5) mittels eines Druckkopfes, DOLLAR A Aufsetzen des Kappenwafers (5) auf den Sensorwafer (3), derartig, dass die oberen und unteren Verbindungsflächen (7, 14) der Wafer (3, 5) mit einer dazwischen ausgebildeten Polymer-Bondschicht (19) aufeinander liegen, DOLLAR A Erhitzen des aus dem Sensorwafer (3) und dem aufgesetzten Kappenwafer (5) gebildeten Waferstapels (1), derartig, dass die Polymer-Bondschichten (19) vernetzen, und DOLLAR A Vereinzeln von Sensormodulen (2) aus dem Waferstapel (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist adhäsives Bonden mittels Polymeren auch über komplexeren, tieferen Topographien mikrostrukturierter Bereiche möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls und ein Sensormodul.
Die Herstellung von Sensormodulen, die aus aufeinander gesetzten Chips mit einem eingeschlossenen mikrostrukturierten Bereich gebildet sind, erfolgt im großtechnischen Maßstab oftmals bereits durch eine Strukturierung der Wafer mit einem anschließenden Verbinden bzw. Bonden der Substratwafer zu einem Waferstapel. Der Waferstapel kann anschließend durch z. B. Sägen vereinzelt werden, so dass durch relativ wenige Prozessschritte der Strukturierung und des Bondens der Substratwafer mehrere Sensormodule hergestellt werden können.

In der Mikrosystemtechnik, insbesondere der Mikromechanik auf Silizium- oder Glasbasis, werden Substratwafer zur hermetischen Verkappung von Bauelementstrukturen oder der vertikalen Integration von mehreren Funktionen aufeinander gebondet. Das Bonden erfolgt oftmals über Adhäsion, wobei zwischen den Wafern eine oder mehrere Fügeschichten aufgebracht werden. Bei Verwendung von Polymeren als Adhäsivmittel können geringe Bondtemperaturen unter 250° C bis unter 100° C erreicht werden, weiterhin werden eine Integrierbarkeit in Backend-Prozesse, geringe Partikel- und Topographieeinflüsse, hohe Bondkräfte und geringe Kosten erreicht. Als Fügematerial wird z. B. BCB (BenzocycloButen) eingesetzt, da dieses Polymer eine geringe Wasseraufnahme, sehr geringe Ausgasung, hohe chemische Resistenz, geringe Schichtspannung und ein hohes Isolationsvermögen besitzt.

Das Polymer wird auf die Wafer durch ein Spin-on-Coating-Verfahren aufgetragen, wobei das Polymer-Material aufgeschleudert wird und sich radial über den gesamten Wafer verteilt. Nachteilhaft an einem derartigen Verfahren ist jedoch, dass nur Wafer mit geringen Topographien beschichtet werden können, da tiefe Strukturen zu starken Schichtdickeninhomogenitäten im Polymer-Material führen. Nach dem Spin-on bzw. Aufschleudern wird das Polymer fotolithographisch strukturiert, so dass sich auf den zu bondenden Substratwafern einander entsprechende Polymerschichten ausbilden. Zum Bonden der Substratwafer werden zwei Polymer-Flächen, z. B. eine Polymer-Fläche auf einem Sensorwafer und eine weitere auf dem aufzusetzenden Kappenwafer, miteinander in Kontakt gebracht und in einem anschließenden Erhitzungsschritt (hard bake) miteinander durch Polymerisation vernetzt.

Da das Bonden von Substratwafern mit Polymeren wie z. B. BCB bei Wafern mit größeren Topographien, insbesondere tieferen Strukturen, problematisch ist, erfolgt das Bonden hierbei oftmals mittels anderer Fügematerialen, insbesondere Sealglas-Materialien aus niedrig schmelzendem bleihaltigen Glas, die mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden. Derartige Bondtechniken sind jedoch kostspieliger und aufwendiger.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls und das erfindungsgemäße Sensormodul weisen demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass ein adhäsives Bonden mittels Polymeren auch über komplexere, tieferen Topographien der mikrostrukturierten Bereiche möglich ist.

Erfindungsgemäß werden Polymerschichten auf die Verbindungsflächen durch eine Drucktechnik mittels eines Druckkopfes aufgedruckt. Somit ist eine lithographische Strukturierung der Polymerschichten nicht erforderlich, was zu einer Prozessvereinfachung führt. Somit können insbesondere auch freibewegliche Oberflächenmikromechanik-Strukturen mittels Polymer- Bondschichten verkappt werden.

Die erfindungsgemäße Aufbringung des Polymers erfolgt vorteilhafterweise, indem der Druckkopf einzelne Tröpfchen aus dem Polymer-Material überlappend aneinander druckt, wodurch eine geschlossene Fläche entsteht. Die Polymerschichten können hierbei auf dem Sensorwafer und/oder auf dem Kappenwafer aufgebracht werden. Bevorzugt werden die Polymerschichten auf beiden Wafern aufgebracht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden weitere Vorteile erreicht: es wird eine lokale Deposition auch ohne Haftvermittler und ohne zusätzliche Strukturierung ermöglicht, weiterhin werden kurze Prozesszeiten und eine hohe Strukturgenauigkeit und Auflösung für das adhäsive Bonden erreicht. Auch ist eine Abscheidung über hohen Topographien, z. B. eine Beschichtung über kavernengeätzten Kappenwafern möglich. Weiterhin ist eine Planarisierung von Topographien im Bereich der Bond-Dichtfläche möglich, wobei z. B. dicke Leiterbahnen überbondet werden können. Eine Abscheidung der Polymerschichten ist auch über freibeweglichen Strukturen möglich, wobei keine Nasschemie erforderlich ist. Hierbei können auch opferschichtgeätzte Oberflächenmikromechanik-Sensoren verkappt werden.

Vorteilhafterweise wird weiterhin ein geringer Medienverbrauch erreicht, da die Polymertröpfchen positionsgenau aufgebracht werden ohne eine nachträgliche Strukturierung und Entfernung nicht erforderlicher Bereiche. Es ist weiterhin eine Selbstreinigung der Druckanlage möglich. Die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Druckverfahrens ist hoch.

Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Schichtdickenvariabilität, da ggf. unterschiedlich dicke Polymerbondschichten in verschiedenen Verbindungsbereichen oder auch eine Variabilität der Schichtdicke innerhalb einer Verbindungsfläche gezielt ausgebildet werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen gebondeten Waferstapel vor dem Vereinzeln;

2a eine Draufsicht auf den Sensorchip;

2b eine Druntersicht auf den Kappen-Chip;

3 einen Prozessschritt vor dem Aufsetzen der Wafer.

Ein Waferstapel 1 weist vor dem Vereinzeln in mehrere identische Sensormodule 2 – in 1 sind beispielhaft zwei nebeneinander ausgebildete Sensormodule 2 gezeigt – einen als Sensorsubstrat dienenden, mikrostrukturierten Sensorwafer 3 und einen auf den Sensorwafer 3 in Verbindungsbereichen 4 befestigten Kappenwafer 5 auf.
In dem Sensorwafer 3 sind bei dieser Ausführungsform mikromechanische Strukturen 6, z. B. Interdigitalstrukturen eines Beschleunigungssensors, ausgebildet, um die herum jeweils untere Verbindungsflächen 7 ausgebildet sind. Weiterhin sind vergrabene Leiterbahnen 9 ausgebildet, die die mikromechanischen Strukturen 6 mit auf der Oberfläche des Sensorwafers 3 ausgebildeten Bondpads 10 verbinden. Die Leiterbahnen 9 können alternativ hierzu auch auf der Oberfläche des Sensorwafers 3 durch die unteren Verbindungsflächen verlaufen. Die mikromechanischen Strukturen 6 sind hierbei in üblicher Weise z. B. durch Ätzen des Sensorwafers 3 ausgebildet.
Der Kappenwafer 5 weist geätzte Kavernen 12 und diese jeweils umgebende obere Verbindungsflächen 14 auf. Kappenwaferbereiche 15 zwischen den Sensormodulen werden beim späteren Vereinzeln entfernt, so dass die Bondpads 10 nach oben freiliegen.
Zur Herstellung des Waferstapels 1 wird gemäß 3 zunächst ein Polymer, z. B. BCB (BenzocycloButen) mittels eines Druckkopfes als untere Polymerschicht 16 auf die unteren Verbindungsflächen 7 und/oder als obere Polymerschicht 17 auf die oberen Verbindungsflächen 14 aufgebracht. Vorteilhaferweise erfolgt eine Aufbringung der Polymersschichten sowohl auf die Unterverbindungsfläche 7 als auch die obere Verbindungsfläche 14; grundsätzlich ist jedoch auch eine einseitige Aufbringung des Polymers möglich.
Nachfolgend wird der Kappenwafer 5 mit der die Kaverne 12 aufweisenden Seite nach unten auf die strukturierte Oberseite des Sensorwafers 3 derartig gesetzt, dass jeweils eine Kaverne 12 oberhalb einer mikromechanischen Struktur 6 angeordnet ist und die Verbindungsbereiche 4 durch die oberen Verbindungsflächen 14, unteren Verbindungsflächen 7 und eine dazwischen angeordnete Polymerbondschicht 19 gebildet wird, die entsprechend aus der oberen und/oder unteren Polymerschicht 16, 17 besteht. Vorteilhafterweise vereinigen sich die Polymerschichten 16, 17 zu der gemeinsamen Polymerbondschicht 19. Die Polymerbondschicht 19 wird in einem nachfolgenden Hard-Bake-Prozessschritt vernetzt und gewährleistet eine vakuumdichte Abdichtung der Kaverne 12 und des mikrostrukturierten Bereichs 6 gegenüber dem Außenraum. Falls die Leiterbahnen 9 auf der Oberfläche des Sensorwafers 3 verlaufen, werden sie von dem Polymermaterial bedeickt.
Nachfolgend wird der in 1 gezeigte Waferstapel 1 durch Sägen derartig vereinzelt, dass mehrere Sensormodule 2 ausgebildet werden, die jeweils den in 2a gezeigten Sensor-Chip 19 mit der unteren Verbindungsfläche 7, der mikromechanischen Struktur 6 und den Bondpads 10 aufweist, und einem Kappen-Chip 20, der die obere Verbindungsfläche 14 und die Kaverne 12 aufweist.
Die Verbindungsflächen 7 und 14 oder zumindest eine der Verbindungsflächen 7 und 14 wird erfindungsgemäß durch einen Druckkopf mit kleinen Tröpfchen des Polymers bedruckt. Hierbei werden die Tröpfchen überlappend nebeneinander gedruckt, so dass eine durchgängig mit dem Polymer bedruckte Verbindungsfläche 7 und/oder 14 ausgebildet wird. Die Verbindungsflächen 7 sparen hierbei den Bereich der mikromechanischen Struktur 6 und den Bereich der metallischen Bondpads 10 bzw. Metallkontakte aus. Der Kappenwafer 5 kann grundsätzlich ganzflächig bedruckt sein; bevorzugt werden jedoch zumindest die Kavernen 12, vorteilhafterweise auch die Kappenwaferbereiche 15 nicht bedruckt.
Das Polymer kann erfindungsgemäß derartig dick aufgedruckt sein, dass keine Kaverne 12 im Kappenwafer 5 ausgebildet wird, wobei ein Zwischenraum 22 bzw. Abstand zwischen dem Kappenwafer 5 und dem Sensorwafer 3 durch die Dicke der Polymer-Bondschicht 19 eingestellt wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls (2), mit mindestens folgenden Schritten: Strukturieren eines Sensorwafers (3), Strukturieren eines Kappenwafers (5), Aufdrucken einer Polymerschicht (16, 17) auf untere Verbindungsflächen (7) des Sensorwafers (3) und/oder obere Verbindungsflächen (14) des Kappenwafers (5) mittels eines Druckkopfes, Aufsetzen des Kappenwafers (5) auf den Sensorwafer (3) derartig, dass die oberen und unteren Verbindungsflächen (7, 14) der Wafer (3, 5) mit einer dazwischen ausgebildeten Polymer-Bondschicht (19) aufeinander liegen, Erhitzen des aus dem Sensorwafer (3) und dem aufgesetzten Kappenwafer (5) gebildeten Waferstapels (1) derartig, dass die Polymer-Bondschichten (19) vernetzen, und Vereinzeln von Sensormodulen (2) aus dem Waferstapel (1).
Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschichten (16, 17) auf die Verbindungsflächen (7, 14) als sich überlappende Tröpfchen gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerschichten (16) auf unteren Verbindungsflächen (7) um mikromechanische Strukturen (6) des Sensorwafers (3) herum aufgedruckt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschichten (17) auf obere Verbindungsflächen (14) aufgetragen werden, die jeweils eine in dem Kappenwafer (5) ausgebildete Kaverne (12) umgeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kappenwafer (5) oberhalb der mikrostrukturierten Bereiche (6) keine Kavernen (12) ausgebildet sind und ein Zwischenraum (22) zwischen dem Kappenwafer (5) und den mikrostrukturierten Bereichen (6) durch die Dicke der Polymer-Bondschichten (19) festgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Verbindungsflächen (7) und/oder die oberen Verbindungsflächen (14) uneben sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den unteren Verbindungsflächen (7) und/oder den oberen Verbindungsflächen (14) Leiterbahnen verlaufen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Polymer-Bondschicht (19) entlang der Verbindungsflächen (7, 14) variiert.
Sensormodul, das mindestens aufweist: einen Sensor-Chip (19) mit einem mikrostrukturierten Bereich (6), einer den mikrostrukturierten Bereich (6) umgebenden unteren Verbindungsfläche (7) und Kontaktpads (10) für eine Kontaktierung, einen Kappen-Chip (20) mit einer oberen Verbindungsfläche (14) und einer zwischen der unteren Verbindungsfläche (7) und der oberen Verbindungsfläche (14) ausgebildeten Polymer-Bondschicht (19) aus einem vernetzten Polymer.
Sensormodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kappen-Chip (20) frei von einer Kaverne (12) ist.
Sensormodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kappen-Chip (20) innerhalb der oberen Verbindungsfläche (14) eine Kaverne (12) ausgebildet ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von der oberen Verbindungsfläche (14) umgebene Bereich des Kappen-Chips (20) frei von einem Polymer-Material ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (9) durch die untere Verbindungsfläche (7) verlaufen.