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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solches mikromechanisches Bauteil weist ein erstes Element und ein zweites Element auf, wobei das erste Element ein erstes Substrat umfasst, wobei das zweite Element ein zweites Substrat umfasst, und wobei auf einer Oberseite des ersten Substrats leitfähige Strukturen ausgebildet sind. Die Unterseite des zweiten Elements ist auf der Oberseite des ersten Elements befestigt. Das mikromechanische Bauteil ist beispielsweise ein Inertialsensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor. Die leitfähigen Strukturen bilden eine seismische Masse und Federn, an denen die seismische Masse aufgehängt ist. Das zweite Substrat dient als Kappe zum Schutz der seismischen Masse und der Federn. Zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils wird zunächst eine leitfähige Schicht auf der Oberseite des ersten Substrats aufgebracht. Dann werden die Strukturen in die leitfähige Schicht geätzt. Um die Strukturen später elektrisch zu kontaktieren, werden in das zweite Element durchgehende Aussparungen geätzt. Die Unterseite des zweiten Elements wird dann auf der Oberseite des ersten Elements befestigt. Die Strukturen werden nun durch die Aussparungen hindurch über vergrabene Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Dabei werden gleichzeitig mehrere Sensoren auf einem Wafer hergestellt, welcher das erste Substrat umfasst. Ein zweiter Wafer umfasst das zweite Substrat. Jeder der Sensoren muss mehrfach kontaktiert werden, so dass der zweite Wafer viele Aussparungen aufweist. Der zweite Wafer soll außerdem möglichst dünn sein, damit das Ätzen der Aussparungen durch Trockenätzen wenig Zeit erfordert.
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Ein Nachteil liegt darin, dass dünne Wafer leicht brechen, insbesondere dann wenn zusätzlich noch viele Aussparungen vorgesehen sind. Mit zunehmender Wafergröße erhöht sich diese Gefahr. Außerdem kann der zweite Wafer aufgrund der vielen durchgehenden Aussparungen nur schwer gehandhabt werden. Wenn statt anisotropen Trockenätzens Nassätzen in KOH verwendet wird, gibt es zudem eine Limitierung für die minimal herstellbaren Abmessungen bzw. Strukturen aufgrund des kristallorientierungsabhängigen Ätzverhaltens der KOH.
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Aus
DE 102 32 190 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit tiefliegenden Anschlussflächen bekannt. Zum Freilegen einer tiefliegenden bondbaren Anschlussfläche in einem zumindest zwei miteinander verbundenen Substrate umfassenden Bauelement wird vorgeschlagen, vor dem Verbinden der beiden Substrate auf der Verbindungsoberfläche des zweiten Substrats Gräben relativ geringer Tiefe vorzusehen. Nach dem Verbinden der beiden Substrate werden den Gräben gegenüberliegende, die Gräben von der Rückseite her öffnende Einschnitte erzeugt. Zwischen zwei Gräben werden die zu entfernenden Ausschnitte definiert.
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In
DE 196 16 014 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen, insbesondere zum Anordnen von mikromechanischen Strukturen auf der Oberfläche eines integrierte Schaltungen aufweisenden Wafers beschrieben. Es ist vorgesehen, dass die mikromechanischen Strukturen in einem eigenen Wafer erzeugt werden und dieser Wafer unter Zwischenschaltung eines Verbindungselements auf den die integrierte Schaltungen aufweisenden Wafer justiert aufgebracht wird.
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Aus
DE 10 2007 027 127 A1 ist ein Sensor für eine physikalische Größe bekannt. Der Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe beinhaltet ein erstes Substrat, das ein erstes Element zum Erfassen einer physikalischen Größe aufweist, ein zweites Substrat, das ein zweites Element zum Erfassen einer physikalischen Größe aufweist, wobei das zweite Substrat das erste Substrat kontaktiert, und einen Unterbringungsraum, der zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist. Das erste Element zum Erfassen einer physikalischen Größe ist in dem Unterbringungsraum angeordnet. Das erste Element zum Erfassen einer physikalischen Größe ist mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat geschützt, da das erste Element zum Erfassen einer physikalischen Größe in dem Unterbringungsraum verkapselt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils und ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils, wobei eine der Strukturen als Kontaktsäule ausgebildet wird, wobei die Kontaktstelle auf der Kontaktsäule vorgesehen wird, und wobei das zweite Substrat über der Kontaktstelle nach dem Befestigen entfernt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Befestigen auf einer Unterseite des zweiten Substrats eine Aussparung erzeugt. Beim Befestigen des zweiten Substrats wird dadurch erreicht, dass in senkrechter Richtung ausreichend Platz für die Kontaktstelle vorhanden ist und die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse sichergestellt ist. Nach dem Befestigen wird der Bereich auf der Oberseite des zweiten Substrats über der Aussparung entfernt.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform werden die Strukturen nach dem Entfernen des zweiten Substrats geätzt. Das Ätzen der Strukturen schließt sich direkt an das Entfernen an, so dass beide Ätzvorgänge einen gemeinsamen Ätzvorgang bilden können. Die Strukturen können ohne Versatz an der Aussparung ausgerichtet werden.
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In einer Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform werden die Kontaktstellen und Metallbänder als Ätzmasken für das Strukturieren der leitfähigen Schicht verwendet. Die Verwendung von Fotolack ist nicht möglich, da sich in den Vertiefungen, die durch das Entfernen des zweiten Substrats entstanden sind, Fotolack ansammeln würde.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform werden die Strukturen vor dem Entfernen des zweiten Substrats geätzt. Dies ermöglicht es, Strukturen zu erzeugen, die von der Form der Aussparung beliebig abweichen.
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In einer Weiterbildung der alternativen bevorzugten Ausführungsform weist eine der Strukturen am Rand einen Graben auf. Am Rand heißt in diesem Zusammenhang im Abstand von weniger als 100 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 20 Mikrometer. Der Graben begrenzt den Fluss von Glaslot beim Befestigen des zweiten Elements auf dem ersten Element wirkungsvoll.
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In noch einer Weiterbildung der alternativen bevorzugten Ausführungsform wird auf der Unterseite des zweiten Substrats ein Graben geätzt. Der Graben ist derart ausgebildet, dass er entlang des Rands einer der Strukturen verläuft, sobald die Unterseite des zweiten Elements auf der Oberseite des ersten Elements befestigt ist.
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In noch einer Weiterbildung der alternativen bevorzugten Ausführungsform wird zum Erzeugen der Kontaktstelle eine Metallschicht auf der leitfähigen Schicht aufgebracht, wird die Kontaktstelle aus der Metallschicht geätzt, wird zusätzlich ein Metallband aus der Metallschicht geätzt, und wird beim Ätzen von Strukturen in die leitfähige Schicht eine Struktur der Strukturen so geätzt, dass deren Rand entlang des Metallbands verläuft. Das Metallband begrenzt den Fluss von Glaslot beim Befestigen des zweiten Elements auf dem ersten Element ebenfalls wirkungsvoll.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform wird die Vorderseite des zweiten Substrats zurückgeschliffen. Das Zurückschleifen wird durchgeführt, nach dem die Rückseite des zweiten Substrats auf der Vorderseite des ersten Substrats befestigt wurde. Dies ermöglicht es, aus Gründen der Stabilität, zu Beginn mit einem dicken zweiten Wafer zu starten und die Zeit für das Entfernen des zweiten Substrats über den Kontaktstellen zu minimieren.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rückseite des ersten Substrats zurückgeschliffen. Dies ermöglicht es, das mikromechanische Bauelement mit möglichst geringer Höhe und kompakt auszubilden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1A bis 1G Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils, die für alle Ausführungsformen gemeinsam sind;
- 2A bis 2C weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3A bis 3D weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4A bis 4D weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 5A bis 5C weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform.
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1A bis 1G zeigen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils, die allen drei folgenden Ausführungsformen gemeinsam sind. Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um einen Beschleunigungssensor. Es wird nur ein Ausschnitt dargestellt, welcher die Herstellung elektrischer Kontakte zeigt. Die Maskierungsschritte, die erforderlich sind, um Schichten durch Ätzen zu strukturieren, sind für den Fachmann selbstverständlich und werden im Folgenden nicht erwähnt. Im Schritt S1 (1A) wird zunächst ein Siliziumoxid 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 abgeschieden oder thermisch durch Oxidation erzeugt. Das Siliziumoxid 2 dient zur elektrischen Isolation. Im Schritt S2 (1B) wird eine dünne dotierte Polysiliziumschicht 3, d.h. vorzugsweise einige hundert Nanometer dick, auf dem Siliziumoxid 2 abgeschieden. Im Schritt S3 (1C) wird die Polysiliziumschicht 3 stellenweise geätzt, um Strukturen, die als elektrische Leitungen dienen, in der Polysiliziumschicht 3 zu definieren. Im Schritt S4 (1D) wird eine weitere Oxidschicht 2 auf der Polysiliziumschicht 3 abgeschieden oder durch Oxidation thermisch erzeugt. Im Schritt S5 (1E) werden Kontaktfenster 11 in die Oxidschicht 2 über den elektrischen Leitungen 3 geätzt. Im Schritt S6 (1F) wird eine dicke dotierte Polysiliziumschicht 4, d.h. vorzugsweise einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer dick, auf der Oberseite der Oxidschicht 2 abgeschieden. In den Kontaktfenstern kontaktiert die dicke Polysiliziumschicht 4 die dünne Polysiliziumschicht 3, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der dicken Polysiliziumschicht 4 und den elektrischen Leitungen 3 besteht. Im Schritt S7 (1G) wird eine Metallschicht 5 auf der dicken Polysiliziumschicht 4 abgeschieden, unter der sich eine Zwischenschicht als Diffusionsbarriere befinden kann.
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Im Folgenden werden weitere Schritte von drei unterschiedlichen Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gezeigt, die sich jeweils an den Schritt S7 anschließen.
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2A bis 2C zeigen weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform. Im Schritt S8 (2A) wird die Metallschicht 5 strukturiert, um Kontaktstellen 6 auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4 zu schaffen. Im Schritt S9 (2B) wird die Unterseite eines Siliziumsubstrats 7 mit Glaslot 8 auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4 befestigt. Im Schritt S10 (2C) wird in das Siliziumsubstrat 7 über den Kontaktstellen 6 eine Aussparung 9 geätzt. Bei diesem Ätzvorgang wird weiter durch die dicke Polysiliziumschicht 4 geätzt, und wird der Ätzvorgang oben auf dem Siliziumoxid 2 gestoppt. Die Kontaktstellen 6 der Metallschicht wirken dabei für das darunterliegende Polysilizium 4 als Ätzmaske, so dass die Kontaktsäulen 10 entstehen. Die Kontakte 6 sind elektrisch voneinander getrennt, mit unterschiedlichen elektrischen Leitungen 3 verbunden und liegen offen, so dass an sie Leitungsdrähte angebondet werden können. Vor dem Ätzen kann das Siliziumsubstrat 7 zurückgeschliffen werden. Die mikromechanischen Bauteile werden schließlich entlang der gestrichelten Linie durch Sägen vereinzelt.
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Im Folgenden werden für dieselben Elemente identische Bezugszahlen gefolgt von einem Kleinbuchstaben verwendet.
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3A bis 3D zeigen weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Schritt S8' (3A) wird die Metallschicht 5' strukturiert, um Kontaktstellen 6' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4' zu schaffen. Im Schritt S9' (3B) werden Gräben 16' und Aussparungen 12' und 14' in die dicke Polysiliziumschicht 4' geätzt, so dass die Kontaktsäulen 10' entstehen. Die Kontaktstellen 6' sind elektrisch voneinander getrennt und mit unterschiedlichen elektrischen Leitungen 3' verbunden. Im Schritt S10' (3C) wird ein Siliziumsubstrat 7' mit Glaslot 8' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4' verbunden. Die Gräben 16' verhindern dabei, dass Glaslot 8' bis zu den Aussparungen 14' gelangt. Im Schritt S11' (3D) wird in das Siliziumsubstrat 7' über den Kontaktstellen 6' eine Aussparung 9' geätzt, um diese freizulegen, so dass an sie Leitungsdrähte angebondet werden können. Die Aussparung ist dabei aufgrund von Ausrichtungsfehlern anders als dargestellt nicht perfekt an der darunterliegenden Polysiliziumstruktur, die an den Graben 16' grenzt ausgerichtet. Dies gilt auch für die folgende dritte Ausführungsform. Die mikromechanischen Bauteile werden schließlich entlang der gestrichelten Linie durch Sägen vereinzelt.
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4A bis 4D zeigen weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform. Im Schritt S8" (4A) wird die Metallschicht strukturiert, um Kontaktstellen 6'' und Metallbänder 15'' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4'' zu schaffen. Die Metallbänder 15'' erstrecken sich senkrecht zu der Papierebene im Gegensatz zu den Kontaktstellen 6'' weit. Im Schritt S9" (4B) werden Aussparungen 12'' und 14'' in die dicke Polysiliziumschicht 4'' geätzt, so dass die Kontaktsäulen 10'' entstehen. Die Kontaktstellen 6'' sind elektrisch voneinander getrennt und mit unterschiedlichen elektrischen Leitungen 3'' verbunden. Im Schritt S10'' ( 4C) wird ein Siliziumsubstrat 7'' mittels Glaslot 8'' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4'' angebondet. Die Metallbänder 15'' verhindern dabei, dass Glaslot 8'' bis zu den Aussparungen 14'' gelangt. In die Unterseite des Siliziumsubstrats 7'' wurde zuvor eine Aussparung 13'' geätzt. Die Aussparung 13'' stellt nach dem Bonden sicher, dass ein ausreichender Abstand zwischen den Kontakten 6'' und dem Substrat 7'' vorhanden ist. Im Schritt S11'' (4D) wird in das Siliziumsubstrat 7'' über den Kontaktstellen 6'' und der Aussparung 13'' eine Aussparung 9'' geätzt, um die Kontaktstellen 6'' freizulegen, so dass an sie Leitungsdrähte angebondet werden können. Die mikromechanischen Bauteile werden schließlich entlang der gestrichelten Linie durch Sägen vereinzelt.
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5A bis 5C zeigen weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform. Im Schritt S8''' (5A) wird die Metallschicht strukturiert, um Kontaktstellen 6''' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4''' zu schaffen. Im Schritt S9''' (5B) wird ein Siliziumsubstrat 7''' mittels Glaslot 8''' auf der Oberseite der dicken Polysiliziumschicht 4''' angebondet. In die Unterseite des Siliziumsubstrats 7''' wurden zuvor eine Aussparung 13''' und Gräben 17''' geätzt. Die Gräben 17''' verhindern dabei, dass Glaslot 8''' bis zu der Aussparung 13''' gelangt. Die Aussparung 13''' stellt nach dem Bonden sicher, dass ein ausreichender Abstand zwischen den Kontakten 6''' und dem Substrat 7''' vorhanden ist. Im Schritt S10''' (5C) wird in das Siliziumsubstrat 7''' über den Kontaktstellen 6''' und der Aussparung 13''' eine Aussparung 9''' geätzt. Bei diesem Ätzvorgang wird weiter durch die dicke Polysiliziumschicht 4''' geätzt, und wird der Ätzvorgang oben auf dem Siliziumoxid 2''' gestoppt. Die Kontaktstellen 6''' der Metallschicht wirken dabei für das darunterliegende Polysilizium 4''' als Ätzmaske, so dass die Kontaktsäulen 10''' entstehen. Die Kontakte 6''' sind elektrisch voneinander getrennt, mit unterschiedlichen elektrischen Leitungen 3''' verbunden und liegen offen, so dass an sie Leitungsdrähte angebondet werden können. Die mikromechanischen Bauteile werden schließlich entlang der gestrichelten Linie durch Sägen vereinzelt.
