DE102006011545B4

DE102006011545B4 - Mikromechanisches Kombi-Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102006011545B4
Application number: DE102006011545.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Reichenbach; Frank Fischer; Christoph Schelling; Arnim Höchst; Stefan Weiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: DE102006011545A1; SE0700501L; KR101056612B1; JP2007259439A; KR20070093837A

Abstract

Mikromechanisches Kombi-Bauelement mit: einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS; RS'); einer auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) gebildeten ersten Sensoreinrichtung (46a–d) vom Inertialtyp mit mindestens einem Biegebalken (46a–d); einer auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) gebildeten zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) vom Membrantyp mit mindestens einer Membran (25) und mindestens einer Gegenelektrode (47a, 47b; 47'a, 47'b; 47a, 47b 47'a, 47'b); und wobei die erste Sensoreinrichtung (46a–d) und die zweite Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) durch einen auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) angebrachten gemeinsamen vorstrukturierten (Seite 6, Zeile 31) Kappenwafer (7; 7'; 7'') verkappt sind, wobei die Kappeneinrichtung (7; 7'; 7'') eine erste Kaverne (71; 71'), welche sich über ersten Sensoreinrichtung (46a–d) befindet, und eine zweite Kaverne (72; 72') aufweist, welche sich über der zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) befindet, und daß die erste Kaverne (71; 71') und die zweite Kaverne (72; 72') nicht miteinander in Fluidverbindung stehen. (A4)

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Kombi-Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Obwohl prinzipiell auch auf zahlreiche andere mikromechanische Kombi-Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von kapazitiven Siliziummikrofonen bzw. anhand von kapazitiven Drucksensoren erläutert.
Aus der US 6 522 762 B1 und der US 6 088 463 A sind kapazitive Mikrofone bekannt, die mit Prozessen der Mikromechanik auf Siliziumsubstraten hergestellt werden können. Für die akustische Funktion eines derartigen kapazitiven Mikrofons wird ein Rückvolumen benötigt, das durch Bonden eines zusätzlichen strukturierten Wafers realisiert werden kann. Allgemein werden Mikrofone im Bereich der Consumer-Elektronik, wie z. B. Handys, Hifi-Geräte o. ä., und zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich, z. B. zur Spracheingabe, in extrem hohen Stückzahlen benötigt (ca. 1,3–1,5 Mrd. Stück/Jahr).
Die bisher bekannten Herstellungsprozesse für derartige Festkörper-Mikrofone sind allerdings recht aufwändig. Der grundsätzliche Aufbau eines Festkörper-Mikrofons sieht eine Perforation von der Waferrückseite unter einer freitragenden Membran der Wafervorderseite vor, wobei diese Perforation zum einen Gasdämpfungsmechanismen bereitstellt. Zum anderen gestattet die Perforation beispielsweise bei Face-down-Montage auf einer Platine oder einem Hybrid mittels Flip-Chip-Verbindungstechniken auch einen Schalldurchtritt im Falle einer Beschallung von der Waferrückseite her.
Bei einem kapazitiven Mikrofon dient die Gegenplatte unter der Membran bzw. der Bulk-Wafer als elektrische Gegenelektrode zur Membran, d. h. Veränderungen der Kapazität über den aus der Membran und der Gegenelektrode gebildeten Luftspalt-Kondensator werden in geeigneter Weise detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt, das die Membranauslenkung und damit den aufgenommenen Schallpegel wiedergibt.
Aus der DE 199 38 206 A1 und der DE 197 19 601 A1 sind ein mikromechanischer Beschleunigungssensor bzw. Drehbeschleunigungssensor bekannt, die in einem Siliziumsubstrat mit Prozessen der Oberflächenmikromechanik hergestellt werden. In der Literatur werden derartige Strukturen auch als Inertialsensoren bezeichnet. Die fragilen Komponenten derartiger Strukturen, insbesondere die waagrecht bezüglich der Oberfläche des Substrats auslenkbaren kapazitiven Messfinger werden üblicherweise durch Sealglasbonden von strukturierten Kappenwafern vor Beschädigung und Verschmutzung geschützt.
Aus der Schrift JP 2002-209299 A ist ein Vibrationssensorelement in Halbleitertechnik bekannt, welches zwei voneinander getrennte Sensorelemente aufweist. Dabei weist das erste Sensorelement einen Biegebalken und das zweite Sensorelement eine Membran auf. Die Durchbiegung der Membran wird dabei mittels der Erfassung der Änderung eines Piezowiderstands erfasst. Um den Biegebalken zu schützen, wird eine Kappe mit einer einzelnen Ausnehmung derart auf die Sensorvorrichtung aufgebracht, dass beide Sensorelement in dieser Ausnehmung liegen.
Aus der DE 100 50 364 A1 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem ein Sensorsubstrat und ein Signalverarbeitungssubstrat auf einem TAB-Substrat aufgebracht werden. Während das Sensorsubstrat ein bewegliches Teil aufweist, dient das Signalverarbeitungssubstrat lediglich zur Signalverarbeitung. Bei der anschließenden Verpackung mit einem Formharz ist daher sicherzustellen, dass das bewegliche Teil weiterhin bewegt werden kann. Dies wird durch die spezielle Bauform des Sensorsubstrats sowie eines Abdichtharzes erreicht, welches zusätzlich verwendet wird.
Aus der Schrift US 2005/0172717 A1 ist ein mikroelektromechanisches Kombi-Bauelement bekannt, bei dem ein Beschleunigungssensor und ein Drucksensor gemeinsam auf einem einzelnen Chip integriert werden. Hierzu wird in ein Halbleitersubstrat eine Ausnehmung eingebracht, die von einer Drucksensormembran mit piezoresistiven Sensorelement überdeckt wird. Neben diesem Drucksensor wird räumlich getrennt für den Beschleunigungssensor ebenfalls eine Ausnehmung erzeugt, die von einem Biegebalken und einer Kappe abgedeckt wird.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße mikromechanische Kombi-Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 weisen den Vorteil auf, dass sich mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Kombi-Bauelement mehrere physikalische Größen gleichzeitig messen, insbesondere Schall, Druck, Beschleunigung in drei Richtungen, Drehrate, etc. lassen.
Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Multifunktionalität verbunden mit geringem Flächenbedarf und einfacher Prozessierung. Eine geringe Bauhöhe und damit verbundene Verpackungsvorteile bzw. Montagevorteile lassen sich durch Rückschleifen erzielen. Eine Chip-Scale-Verpackung macht eine Umverpackung unnötig. Für die Realisierung der unterschiedlichen Funktionalitäten lässt sich auf eine große Anzahl identischer, bereits etablierter Prozesssequenzen zurückgreifen. Ein leitfähiges Substrat, eine leitfähige Kappe und ein damit verbundener ASIC bewirken einen integrierten EMV-Schutz. Die Verwendung einer einzigen Kappe, vorzugsweise eines Kappenwafers, für Beschleunigungssensor und Mikrofon bewirkt einen Flächenvorteil und die Möglichkeit eines vergrößerten Rückvolumens.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in der Schaffung eines mikromechanischen Kombi-Bauelements, bei dem eine Inertialsensorstruktur und eine Membransensorstruktur, insbesondere ein Mikrofon, auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat integriert und durch eine gemeinsame Verpackung geschützt sind. Dabei weist die Kappeneinrichtung eine erste Kaverne, welche sich über ersten Sensoreinrichtung befindet, und eine zweite Kaverne auf, welche sich über der zweiten Sensoreinrichtung befindet, wobei die erste Kaverne und die zweite Kaverne nicht miteinander in Fluidverbindung stehen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement auf der einen Seite verkappt und kann auf der anderen Seite mit einem ASIC durch Flip-Chip-Montage verbunden werden. Die elektrische Kontaktierung wird zweckmäßigerweise mit lateralen Leiterbahnen aus dem Sensorbereich/ASIC herausgeführt oder erfolgt vertikal durch das Sensorsubstrat. Eine besonders vorteilhafte Anwendung eines derartigen mikromechanischen Bauelements liegt in einem Mobiltelefon und besteht in einer automatischen Nachführung der Display-Anzeige in Abhängigkeit von der räumlichen Lage des Mobiltelefons.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Sensoreinrichtung von der Rückseite des Substrats durch eine Kaverne mit Druck beaufschlagbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Sensoreinrichtung von der Vorderseite des Substrats durch eine Durchgangsöffnung in der Kappeneinrichtung mit Druck beaufschlagbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind auf dem Substrat eine erste strukturierte nicht-leitfähige Opferschicht, eine darauf befindliche erste strukturierte leitfähige Schicht, eine darauf befindliche zweite strukturierte nicht leitfähige Opferschicht und eine darauf befindliche zweite strukturierte leitfähige Schicht vorgesehen, wobei der Biegebalken aus der zweiten leitfähigen Schicht strukturiert ist, und wobei die Membran aus der ersten leitfähigen Schicht strukturiert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind innerhalb der ersten nicht-leitfähigen Opferschicht leitfähige Kontaktbereiche gebildet, die jeweilige Bereiche der ersten strukturierten leitfähigen Schicht mit dem Substrat verbinden, wobei das Substrat durch Trenngräben isolierte Kontaktstöpsel aufweist, welche die leitfähigen Kontaktbereiche elektrisch mit der Rückseite des Substrats verbinden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Auswerte-IC über Kontaktflächen auf die Kontaktstöpsel gebondet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Gegenelektrode aus dem Substrat strukturiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Gegenelektrode aus der zweiten leitfähigen Schicht strukturiert.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1a–e zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a–d zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Kombi-Bauelements einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1a–e zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumwafersubstrat, welches eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS aufweist. Auf der Vorderseite VS des Siliziumwafersubstrats 1 ist eine Opferschicht 21 aus Siliziumoxid aufgebracht, welche beim vorliegenden Beispiel eine Dicke von 4 μm aufweist. Oberhalb der Opferschicht 21 wird eine 5 μm dicke leitfähige Schicht 31 aufgebracht und strukturiert. Die leitfähige Schicht 31 weist einen ersten Bereich 31a auf, welcher der späteren Inertialsensorstruktur zugeordnet ist, sowie einen zweiten Bereich 31b, welcher der späteren Membransensorstruktur (hier ein kapazitives Mikrofon) zugeordnet ist. Wie aus 1a erkennbar, weist der zweite Bereich 31b der leitfähigen Schicht 31 ein Durchgangsloch 36 auf, welches bei der Membran des späteren Mikrofons für einen Druckausgleich sorgt. Besonders bevorzugt als leitfähige Schicht 31 ist dotiertes Polysilizium.
Bei einer (nicht dargestellten) weiteren Ausführungsform kann die leitfähige Schicht 31 aus einem Schichtstapel bestehen, beispielsweise Polysilizium eingebettet in weitere dielektrische Schichten, was bewirkt, dass der Stress innerhalb des Schichtstapels vorzugsweise auf einen geringen Zugstress einstellbar ist. Alternativ kann die Opferschicht beispielsweise aus SiGe realisiert werden, oder es können mit Schutzoxiden umgebene Siliziumschichten als leitfähige Schicht bzw. leitfähige Schichten verwendet werden, wie z. B. aus der DE 198 47 455 A1 oder der DE 100 65 013 A1 bekannt.
Weiter mit Bezug auf 1b wird eine weitere Opferschicht 22 aus Siliziumoxid oberhalb der ersten Opferschicht 21 und der strukturierten leitfähigen Schicht 31 abgeschieden und ebenfalls strukturiert. Beim vorliegenden Beispiel weist die zweite Opferschicht 22 eine Dicke von 10 μm auf. Die zweite Opferschicht 22 weist oberhalb des ersten Bereichs 31a der leitfähigen Schicht 31 drei Durchgangslöcher 37a, 37b, 37c auf und oberhalb des zweiten Bereichs 31b der leitfähigen Schicht 31 ein weiteres Durchgangsloch 37d. Im weiteren Prozessverlauf wird eine weitere leitfähige Schicht 4 aus Polysilizium über der Struktur abgeschieden und dotiert. Beim vorliegenden Beispiel weist die weitere leitfähige Schicht 4 eine Dicke von mehreren 10 μm, z. B. 30 μm, auf. Über die Durchgangslöcher 37a, 37b, 37c, 37d ist die weitere leitfähige Schicht 4 mechanisch und elektrisch an den ersten Bereich 31a bzw. den zweiten Bereich 31b der leitfähigen Schicht 31 angeschlossen. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt das Aufbringen und Strukturieren metallischer Bondflächen 5a, 5b, welche sich später entweder als Bondlands für Drahtbonden oder als UnderBump-Metallisierung und/oder für eutektisches Bonden den Kappe in Form eines Kappenwafers eignen. Dementsprechend sind die metallischen Bondflächen vorzugsweise aus Aluminium oder Platin bzw. anderen Standard-Metallschichtfolgen für eine UnderBump-Metallisierung, wie beispielsweise Al/Ti/Ni/Au.
Weiter mit Bezug auf 1c erfolgt dann ein so genanntes Trenchätzen (oder kurz Trenchen) der leitfähigen Schicht 4 unter Verwendung einer Standard-Lithographietechnik. Durch das Trenchen entstehen Trenngräben 43 zum Isolieren der metallischen Bondflächen 5a, 5b und darunter befindlicher entsprechender Kontaktstöpsel 45a bzw. 45b. Über die Kontaktstöpsel 45a, 45b werden die metallischen Bondflächen 5a bzw. 5b mit dem entsprechenden darunter liegenden Bereich 31a bzw. 31b der leitfähigen Schicht 31 elektrisch verbunden.
Des Weiteren entstehen Trenngräben 41, welche Balken 46a, 46b, 46c, 46d der späteren Inertialsensorstruktur festlegen. Die Balken 46a, 46d sind dabei feststehende Balken der Inertialsensorstruktur, wohin die Balken 46b, 46c parallel zur Vorderseite VS des Substrats 1 auslenkbare Balken der Inertialsensorstruktur sind. Zudem entstehen Trenngräben 42, welche Gegenlektroden 47a, 47b der späteren Membransensorstruktur also die Mikrofondämpfung und somit dessen akustische Funktion festlegen. Schließlich wird nachfolgend das Siliziumwafersubstrat 1 von der Rückseite RS her derart strukturiert, dass eine Kaverne 10 an der Rückseite der Membransensorstruktur entsteht.
Wie in 1d dargestellt, werden anschließend die Opferschichten 21, 22 vorzugsweise mit einem gasförmigen HF-Ätzprozess, für SiGe und Si beispielsweise mit ClF₃, XeF₂ etc., geätzt. Durch diesen HF-Ätzprozess wird die Inertialsensorstruktur unterätzt und werden die waagrecht zur Vorderseite VS auslenkbaren Balken 46b, 46c erzeugt, welche zusammen mit den feststehenden Balken 46a, 46d als Kondensatoren wirken, deren Kapazität abhängig von Lage bzw. Beschleunigung veränderlich ist. Im Bereich der Membransensorstruktur wird eine freitragende Membran 25 durch den Ätzprozess erzeugt, welche senkrecht zur Vorderseite VS auslenkbar ist und welche es ermöglicht, Schallsignale zu erfassen. Wie gesagt, dient das Durchgangsloch 36 dabei zum Druckausgleich zwischen Kavernendruck und Umgebungsdruck. Wird dieses Durchgangsloch 36 nicht vorgesehen, so kann die Membransensorstruktur als kapazitiver Drucksensor dienen.
Wie in 1e dargestellt, wird dann zum Schutz der Inertialsensorstruktur und der Membransensorstruktur ein vorstrukturierter Kappenwafer 7 mit einer ersten Kaverne 71 und einer zweiten Kaverne 72 mit Sealglasbereichen 6 auf die leitfähige Schicht 4 gebondet. Dabei können die Strukturierung des Kappenwafers 7 und Bondung derart erfolgen, dass die erste Kaverne 71 hermetisch abgeschlossen ist und in ihr ein Referenzkammer(unter)druck eingestellt wird. Im Bereich der Membransensorstruktur dient die Kaverne 72 als Rückvolumen des Mikrofons. Zum Schutz vor Verschmutzung, Feuchte, etc. kann auf die Rückseite RS des Siliziumwafersubstrats 1 eine Folie 19 aufgebracht werden, die gegebenenfalls auch strukturiert werden kann.
Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform können die Kavernen 71, 72 zu einer einzelnen Kaverne zusammengefasst sein. Der Kappenwafer 7 kann zudem mit aus dem Stand der Technik bekannten hier nicht gezeigten z-Anschlägen ausgelegt werden. Das derart hergestellte mikromechanische Bauelement kann auf einer Platine mit akustischer Öffnung befestigt werden und über die metallischen Bondflächen 5a, 5b elektrisch kontaktiert werden.
2a–d zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Kombi-Bauelements einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 2a haben die Bereiche 31a, 31b der leitfähigen Schicht 31 elektrischen und mechanischen Kontakt zum Siliziumwafersubstrat 1 über leitfähige Bereiche 31'a, 31'b, welche aus einer weiteren leitfähigen Schicht 31' herausstrukturiert und in die erste Opferschicht 21 eingebettet sind. Des Weiteren hat die leitfähige Schicht 4' elektrischen und mechanischen Kontakt zum Halbleitersubstrat 1, indem sie einen Kontaktstöpsel 45' aufweist, der durch die zweite Opferschicht 22 verläuft und auf einen weiteren leitfähigen Bereich 31'c der leitfähigen Schicht 31' trifft. Die Opferschicht 22 wird hier vor der Opferschicht 21 von der Vorderseite VS her geätzt, wonach die Verkappung erfolgt. Der Kappenwafer 7' hat bei dieser zweiten Ausführungsform einen größeren Flächenüberlapp mit dem Siliziumwafersubstrat 1, im gezeigten Fall einen vollständigen Überlapp.
Weiter mit Bezug auf 2b wird die Rückseite RS des Siliziumwafersubstrats 1 abgedünnt, so dass ihre endgültige Dicke unter 200 μm, vorzugsweise unter 100 μm liegt. Anschließend werden auf der so entstandenen abgedünnten Rückseite RS' metallische Bondflächen 5'a, 5'b, 5'c, 5'd auf der Rückseite RS' abgeschieden und strukturiert.
Weiter mit Bezug auf 2c erfolgt dann ein rückseitiges Trenchätzen mit üblicher Lithographietechnik, um die Kaverne 10' und Trenngräben 43' von der Rückseite RS' des Siliziumwafersubstrats 1 her zu strukturieren. Im Anschluss daran erfolgt das Ätzen der Opferschicht 21 von der Rückseite her, um die Membran 25 freizulegen. Die Trenngräben 43' definieren Kontaktstöpsel 45d, 45e, 45f, welche die metallischen Bondflächen 5'a, 5'b, 5'c mit den leitfähigen Bereichen 31'a, 31'c, 31'b verbinden.
Gemäß 2d wird dann im umgedrehten Zustand in Flip-Chip-Technik ein Auswerte-IC (ASIC) 8 auf die Rückseite RS' des Siliziumwafersubstrats 1 aufgebracht, wobei der elektrische und mechanische Kontakt über die metallischen Bondflächen 5'a, 5'b, 5'c realisiert wird. Die metallische Bondfläche 5'd dient dem (nicht näher erläuterten) elektrischen Kontakt des Gesamtbauelements.
Beim vorliegenden Beispiel setzt sich die Gesamthöhe des 3-Chip-Stapels aus folgenden Einzelhöhen zusammen: Dicke des Kappenwafers 7' ungefähr 380 μm, Dicke des rückgedünnten Siliziumwafersubstrats 1 ungefähr 120 μm, Dicke des Auswerte-IC-Chips 8 (einschließlich Lotflächen) kleiner 500 μm. Daraus zeigt sich, dass eine Gesamtdicke von weniger als 1000 μm erzielbar ist.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 erfolgt die Kontaktierung des Auswerte-IC 8' seitlich versetzt hinsichtlich des rückgedünnten Siliziumwafersubstrats 1, was einen lateralen Überstand D bewirkt. Auf der dem Siliziumwafersubstrat 1 zugewandten Seite des Auswerte-IC 8' befindet sich eine weitere metallische Bondfläche 5'e, welche zum Anschluss durch Drahtbonden dienen kann.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 überdeckt der Auswerte-IC 8'' die gesamte Rückseite RS' des abgedünnten Siliziumwafersubstrats 1. Der Kappenwafer 7'' ist mit einer Durchgangsöffnung 73 versehen, die als akustische Öffnung für die Membransensorstruktur dient. Eine weitere Öffnung 74 des Kappenwafers 7'' ermöglicht eine Kontaktierung der metallischen Bondfläche 5a' auf der leitfähigen Schicht 4.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellung der fünften Ausführungsform gemäß 5 entspricht der Darstellung gemäß 1d. Im Unterschied zu 1d sind bei 5 Elektroden 47'a, 47'b nicht in der leitfähigen Schicht 4 vorgesehen, sondern herausstrukturiert aus dem Siliziumwafersubstrat 1. Dies ist durch eine entsprechende Maskierung beim Ätzen der Kaverne 10 möglich.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Kombi-Bauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die sechste Ausführungsform gemäß 6 kann als Kombination der ersten Ausführungsform gemäß 1d und der fünften Ausführungsform gemäß 5 verstanden werden, denn sie weist beiderseits der Membran 25 Elektroden 47a, 47b und 47'a und 47'b auf. Somit ist eine differentielle Auswertung der Membranauslenkung möglich.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere können einzelne Prozessschritte auch untereinander in ihrer Reihenfolge vertauscht werden, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen. So kann z. B. die Waferrückseitenprozessierung vor der Wafervorderseitenprozessierung erfolgen oder in sich abgeschlossen werden oder die Wafervorderseitenprozessierung kann zuerst erfolgen oder in sich abgeschlossen werden und danach die Waferrückseitenprozessierung stattfinden. Es können aber auch einzelne Verfahrensschritte auf der Wafervorderseite und auf der Waferrückseite einander im Gesamtprozessablauf sukzessive abwechseln, also einmal wird die Wafervorderseite prozessiert und dann wieder die Waferrückseite usw., und zwar jeweils über einen oder mehrere Schritte hinweg. Die oben erläuterten Prozessflüsse sind in vieler Hinsicht als vorteilhaft anzusehen, sind aber nicht die einzig möglichen Prozessabläufe im Sinne der vorliegenden Erfindung. Insbesondere können Prozessteile bzw. Strukturteile der verschiedenen Ausführungsformen miteinander vertauscht werden.

Claims

Mikromechanisches Kombi-Bauelement mit: einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS; RS'); einer auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) gebildeten ersten Sensoreinrichtung (46a–d) vom Inertialtyp mit mindestens einem Biegebalken (46a–d); einer auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) gebildeten zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) vom Membrantyp mit mindestens einer Membran (25) und mindestens einer Gegenelektrode (47a, 47b; 47'a, 47'b; 47a, 47b 47'a, 47'b); und wobei die erste Sensoreinrichtung (46a–d) und die zweite Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) durch einen auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1) angebrachten gemeinsamen vorstrukturierten (Seite 6, Zeile 31) Kappenwafer (7; 7'; 7'') verkappt sind, wobei die Kappeneinrichtung (7; 7'; 7'') eine erste Kaverne (71; 71'), welche sich über ersten Sensoreinrichtung (46a–d) befindet, und eine zweite Kaverne (72; 72') aufweist, welche sich über der zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) befindet, und daß die erste Kaverne (71; 71') und die zweite Kaverne (72; 72') nicht miteinander in Fluidverbindung stehen. (A4)
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) von der Rückseite (RS; RS') des Substrats (1) durch eine Kaverne (10; 10') mit Druck beaufschlagbar ist.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) von der Vorderseite (VS) des Substrats (1) durch eine Durchgangsöffnung (73) in der Kappeneinrichtung (7; 7'; 7'') mit Druck beaufschlagbar ist.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste Kaverne (71) hermetisch abgeschlossen ist und in ihr ein Referenzkammer(unter)druck eingestellt ist.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) eine erste strukturierte nicht-leitfähige Opferschicht (21), eine darauf befindliche erste strukturierte leitfähige Schicht (31), eine darauf befindliche zweite strukturierte nicht leitfähige Opferschicht (22) und eine darauf befindliche zweite strukturierte leitfähige Schicht (4) vorgesehen sind, daß der Biegebalken (46a–d) aus der zweiten leitfähigen Schicht (4) strukturiert ist, und daß die Membran (25) aus der ersten leitfähigen Schicht (31) strukturiert ist.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten nicht-leitfähigen Opferschicht (21) leitfähige Kontaktbereiche (31'a–31'c; 31'a–31'd) gebildet sind, die jeweilige Bereiche (31a, 31b) der ersten strukturierten leitfähigen Schicht (31) mit dem Substrat (1) verbinden, und daß das Substrat (1) durch Trenngräben (43') isolierte Kontaktstöpsel (45d–f; 45d–g) aufweist, welche die leitfähigen Kontaktbereiche (31'a–31'c; 31'a–31'd) elektrisch mit der Rückseite (RS') des Substrats (1) verbinden.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswerte-IC über Kontaktflächen (5'a–5'c) auf die Kontaktstöpsel (45d–f; 45d–g) gebondet ist.
Mikromechanisches Kombi-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kappenwafer aus einem leitfähigem Material besteht.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Kombi-Bauelement mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS; RS'); Bilden einer gebildeten ersten Sensoreinrichtung (46a–d) vom Inertialtyp mit mindestens einem Biegebalken (46a–d) auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1); Bilden einer zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) vom Membrantyp mit mindestens einer Membran (25) und mindestens einer Gegenelektrode (47a, 47b; 47'a, 47'b; 47a, 47b 47'a, 47'b) auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1); und Verkappen der ersten Sensoreinrichtung (46a–d) und der zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) durch Anbringen eines gemeinsamen vorstrukturierten Kappenwafers; (7; 7'; 7'') auf der Vorderseite (VS) des Substrats (1), wobei die Kappeneinrichtung (7; 7'; 7'') eine erste Kaverne (71; 71'), welche sich über ersten Sensoreinrichtung (46a–d) befindet, und eine zweite Kaverne (72; 72') aufweist, welche sich über der zweiten Sensoreinrichtung (25, 47a, 47b; 25, 47'a, 47'b; 25, 47a, 47b, 47'a, 47'b) befindet, und daß die erste Kaverne (71; 71') und die zweite Kaverne (72; 72') nicht miteinander in Fluidverbindung stehen. (A4)
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) eine erste strukturierte nicht-leitfähige Opferschicht (21), eine darauf befindliche erste strukturierte leitfähige Schicht (31), eine darauf befindliche zweite strukturierte nicht leitfähige Opferschicht (22) und eine darauf befindliche zweite strukturierte leitfähige Schicht (4) vorgesehen werden, daß der Biegebalken (46a–d) aus der zweiten leitfähigen Schicht (4) durch Grabenätzen der zweiten leitfähigen Schicht (4) und Opferschichtätzen der zweiten nicht leitfähigen Opferschicht (22) strukturiert wird, und daß die Membran (25) durch Grabenätzen der zweiten leitfähigen Schicht (4) und Opferschichtätzen der ersten nicht leitfähigen Opferschicht (21) und zweiten nicht leitfähigen Opferschicht (22) aus der ersten leitfähigen Schicht (31) strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten nicht-leitfähigen Opferschicht (21) leitfähige Kontaktbereiche (31'a–31'c; 31'a–31'd) gebildet werden, die jeweilige Bereiche (31a, 31b) der ersten strukturierten leitfähigen Schicht (31) mit dem Substrat (1) verbinden, und daß im Substrat (1) durch Trenngräben (43') isolierte Kontaktstöpsel (45d–f; 45d–g) durch Grabenätzen gebildet werden, welche die leitfähigen Kontaktbereiche (31'a–31'c; 31'a–31'd) elektrisch mit der Rückseite (RS') des Substrats (1) verbinden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswerte-IC über Kontaktflächen (5'a–5'c) auf die Kontaktstöpsel (45d–f; 45d–g) gebondet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kappenwafer aus einem leitfähigem Material besteht.
Verwendung eines mikromechanischen Kombi-Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 als Mikrofon und Intertialsensor in einem Mobiltelefon zur Aufnahme des Schalls und einer lageabhängigen Anzeigesteuerung.