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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem mikromechanischen Sensorelement, das auf einen Glasträger gebondet ist, wobei die Oberseite des Glasträgers als Verbindungsfläche für das Sensorelement fungiert, wobei die der Oberseite gegenüberliegende Rückseite des Glasträgers als Montagefläche für das Bauelement dient, und der Glasträger Seitenflächen aufweist, die die Oberseite und die Rückseite verbinden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und Möglichkeiten zur Realisierung eines Bauelements mit einem mikromechanischen Sensorelement, das mit einem Träger verbunden ist.
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In der Praxis werden beispielsweise zur Druckmessung Bauelemente der eingangs genannten Art eingesetzt. Dazu ist im Sensorelement eine druckempfindliche Membran ausgebildet, die eine Kaverne überspannt. Diese Kaverne wird in der Regel durch anisotropes Ätzen in die Rückseite des Sensorelements eingebracht, im Falle eines Silizium-Sensorelements durch KOH-Ätzen oder Trench-Ätzen. Dient das Bauelement zur Absolutdruckmessung, so wird die Kaverne mit Hilfe des Glasträgers hermetisch verschlossen, so dass in der Kaverne ein definierter Referenzdruck herrscht, üblicherweise Vakuum. Der Messdruck wirkt hier lediglich auf die Vorderseite der Membran ein. Im Unterschied dazu sind Bauelemente zur Differenzdruckerfassung zusätzlich mit einem rückwärtigen Druckanschluss in Form einer Durchgangsöffnung im Glasträger ausgestattet.
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Bei dem bekannten Bauelementaufbau dient der Glasträger nicht nur zum Abschluss der Kaverne, sondern auch zur Reduzierung von mechanischen Spannungen, die bedingt durch die Aufbau- und Verbindungstechnik bei der Montage des Bauelements auftreten können, z. B. beim Chiplöten, Kleben, etc..
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Es ist bekannt, dass auch bereits der Glas-Siliziumverbund derartiger Bauelemente nicht frei von inneren mechanischen Spannungen ist. Diese inneren Spannungen entstehen aufgrund der nicht exakt aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums und des Glases. Dies wird zusammen mit der Druckempfindlichkeit, dem Offset sowie thermischen Einflüssen bei einem elektrischen Abgleich berücksichtigt, der nach dem Aufbau und der elektrischen Verbindung des Sensors vorgenommen wird.
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Änderungen des mechanischen Spannungszustandes des Sensors, die nach diesem Abgleich auftreten, resultieren in einer Drift der Sensorkennlinie. So wirkt sich eine Änderung des inneren mechanischen Spannungszustandes auf die Membraneinspannung aus und damit auf die Durchbiegung der Membran und auf deren Steifigkeit, was zu einer Offsetverschiebung und einer Empfindlichkeitsänderung führt. Eine derartige Drift der Sensorkennlinie ist über die gesamte Lebensdauer des Bauteils für die Genauigkeit des Ausgangssignals von entscheidender Bedeutung.
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Nach Hochtemperaturlagerung sowie nach Lagerung bei hoher Luftfeuchte und erhöhter Temperatur, wie z. B. bei 85°C und 85% relativer Feuchte, treten bei Sensor-Bauelementen, die aus einem Silizium-Glas-Verbund bestehen, hohe Driften auf, die mit großer Wahrscheinlichkeit auf eine Veränderung des inneren mechanischen Spannungszustandes des Bauteils zurückzuführen sind. Diese Veränderung des inneren mechanischen Spannungszustandes ist durch Risswachstum im Glas erklärbar. So ist bekannt, dass Mikrorisse bei niedrigen Spannungsintensitäten wachsen, was als unterkritisches Risswachstum bezeichnet wird. Dieses Risswachstum hängt wesentlich von der Luftfeuchte, von mechanischen Spannungen und auch der Risslänge ab. Bei den hier in Rede stehenden Bauelementen weisen die freiliegenden Glasoberflächen insbesondere an der Seitenwandung meist Mikrorisse auf, was auf den Einsatz von abrasiven Verfahren zur Vereinzelung der Bauelemente zurückzuführen ist. Auch andere durch abrasive Verfahren, wie z. B. Polierläppen, hergestellte Oberflächen weisen Mikrorisse auf.
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Aus der Schrift
DE 199 56 654 A1 ist ein Verfahren zur Verbindung eines eine strukturierte Oberfläche aufweisenden Halbleitersubstrats mit einer Oberfläche eines glasartigen Substrats bekannt.
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Aus der Schrift
US 5 891 751 A ist ein Aufbau eines Sensorbauelements bekannt, bei dem ein Sensorelement mit einer Boss-Membran auf einen mit einer Öffnung unterhalb der Membran versehenen Glaswafer gebondet wird.
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Aus der Schrift
US 2006/0213275 A1 ist ein Drucksensorelement aus einem Kunststoff bekannt, welcher auf einen Glasswafer gebondet ist. Dabei kann der Glasswafer auf die gewünschte Dicke abgedünnt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die sich eine Mikrorissbildung und ein Risswachstum im Träger eines Verbundbauelements mit einem mikromechanischen Sensorelement und deren Auswirkungen auf das Bauelement reduzieren bzw. vermeiden lassen.
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Bei einem Bauelement der eingangs genannten Art wird dazu erfindungsgemäß als Glasträger ein Segment eines Glaswafers verwendet, in den zumindest die Konturen des Glasträgers eingeprägt waren, so dass die so erzeugten Bereiche der Seitenflächen des Glasträgers und die Rückseite des Glasträgers eine weitgehend geschlossene, mikrorissfreie Oberfläche aufweisen.
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Derartige Bauelemente lassen sich einfach in Massen herstellen. Erfindungsgemäß wird dazu eine Vielzahl von Sensorelementstrukturen in einem Halbleiterwafer erzeugt. Unabhängig davon wird ein Glaswafer in einem Heißprägeverfahren vorstrukturiert, wobei zumindest die Konturen von Glasträgern entsprechend der Anordnung und Dimensionierung der Sensorelementstrukturen im Halbleiterwafer in die Rückseite des Glaswafers eingeprägt werden. Der strukturierte Halbleiterwafer wird dann auf die Vorderseite des vorstrukturierten Glaswafers gebondet, wobei auf eine exakte Justierung entsprechend den Bauelementkonturen geachtet werden muss. Erst danach werden die Bauelemente vereinzelt.
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Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass Mikrorisse vorwiegend in Oberflächenbereichen des Glasträgers auftreten, die mit abrasiven Verfahren bearbeitet worden sind und frei liegen, was insbesondere auf die Seitenflächen zutrifft, die durch den Vereinzelungsprozess entstanden sind. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorstrukturierung des Glaswafers erweist sich in zweierlei Hinsicht als vorteilhaft. Zum einen wird in einem Heißprägeverfahren eine geschlossene weitestgehend mikrorissfreie strukturierte Glasoberfläche erzeugt, deren Grabenbereiche zumindest einen Teil der kritischen Seitenflächen bilden. Zum anderen wird durch diese Grabenbereiche die beim Vereinzelungsprozess entstehende Bruch- bzw. Sägefläche verkleinert, in der vermehrt Mikrorisse auftreten können.
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Die in die Rückseite des Glaswafers eingeprägten Konturen bilden vorteilhafterweise Sollbruchstellen bzw. Sägestraßen für den Vereinzelungsprozess. Erfolgt die Vereinzelung durch Sägen, so verkürzt sich dieser Prozess, je dünner die noch zu durchtrennende Glasschicht ist, was letztlich auch zur Einsparung von Herstellungskosten beiträgt.
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Wie bereits eingangs erwähnt eignet sich das erfindungsgemäße Bauelement besonders zur Druckerfassung. In diesem Fall ist in der Vorderseite des Sensorelements eine Membran ausgebildet, die eine Kaverne in der Rückseite des Sensorelements überspannt. Der Glasträger ist gegen die Rückseite des Sensorelements gebondet, so dass eine druckfeste Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Glasträger besteht. Soll das Bauelement zur Absolutdruckmessung eingesetzt werden, so muss der Glasträger die Kaverne hermetisch abschließen. Ist das Bauelement für Differenzdruckmessungen bestimmt, so ist in der Regel im Glasträger mindestens eine als Druckanschluss fungierende Durchgangsöffnung ausgebildet. Dazu werden vorteilhafterweise im Rahmen der Vorstrukturierung des Glaswafers auch die Durchgangsöffnungen erzeugt. Die Seitenwandungen derart in den Glaswafer eingeprägter Durchgangsöffnungen sind nämlich ebenfalls weitgehend geschlossen und mikrorissfrei.
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Alternativ zu einem durch Heißprägen vorstrukturierten Glaswafer kann auch ein abgedünnter Glaswafer oder ein Glas-Halbleiter-Kompositwafer als Trägermaterial für ein Bauelement zur Druckerfassung verwendet werden. Ein abgedünnter Glasträger lässt sich genauso wie die Glasschicht eines Kompositwafers ebenfalls einfach durch anodisches Bonden druckfest mit einem mikromechanischen Sensorelement verbinden, in dem eine Membran über einer rückwärtigen Kaverne ausgebildet ist. In beiden Fällen ist die für Mikrorisse anfällige Glasoberfläche reduziert.
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In einer dritten Variante wird gänzlich auf die Verwendung eines Glasträgers verzichtet. In diesem Fall wird ein Halbleiterwafer als Trägermaterial für die Vorder- und/oder für die Rückseite verwendet, in dem keine Mikrorisse auftreten. Die druckfeste Verbindung zwischen Sensorelement und Träger wird hier mit Hilfe von Glaslot hergestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Verbund aus strukturiertem Halbleiterwafer und Glaswafer gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäß vorstrukturierte Rückseite eines Glaswafers zusammen mit einer Detailansicht;
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Verbund aus strukturiertem Halbleiterwafer und Kompositwafer vor dem Vereinzeln der Drucksensor-Bauelemente; und
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Verbund aus einem Halbleiterwafer mit Drucksensorelementstrukturen, einem Kappenwafer und einem als Träger fungierenden Wafer.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 veranschaulicht die Herstellung von Drucksensorelementen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dazu wird in einem Siliziumwafer 10 eine Vielzahl von Sensorelementstrukturen mit elektronischen Schaltungselementen zum Erfassen und Auswerten von Sensorsignalen erzeugt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Sensorelemente mit einer Membran 11 zur Druckerfassung. Die Membranen 11 wurden in einem von der Rückseite des Siliziumwafers 10 ausgehenden anisotropen oder isotropen Ätzschritt freigelegt, beispielsweise mit KOH oder TMAH oder auch durch Trenchätzen. Der so konfigurierte Siliziumwafer 10 wird dann auf einen Glaswafer 20 gebondet. Dadurch werden die Kavernen 12 unterhalb der Membranen 11 hermetisch abgeschlossen, so dass innerhalb der Kavernen 12 ein Referenzdruck herrscht. Nach dem anodischen Bonden wird der Waferverbund elektrisch gemessen und durch Sägen vereinzelt, was durch die Sägeschnitte 21 im Glaswafer 20 angedeutet ist.
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Die Seitenflächen der so entstehenden Glasträger 22 weisen infolge des Sägeprozesses Mikrorisse auf. Auch in der Vorder- und Rückseite des Glaswafers treten Mikrorisse auf, wenn diese Oberflächen durch Schleif-, Polier- oder Läppverfahren bearbeitet worden sind. Von Risswachstum sind aber in der Regel nur Mikrorisse in freiliegenden, den Umwelteinflüssen ausgesetzten Oberflächen betroffen. Ein solches Risswachstum führt meist zu einer Veränderung des inneren mechanischen Spannungszustandes des Bauelementverbunds, was einen Drift des Sensorsignals zur Folge haben kann.
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Sollen die Bauelemente zur Relativdruckerfassung eingesetzt werden, so werden im Bereich der Kavernen 12 Bohrungen 23 als Druckanschlussöffnungen in den Glaswafer 20 eingebracht. Dazu werden ebenfalls abrasive Verfahren verwendet, wie beispielsweise Ultraschallbohren, Sandstrahlen mit Hilfe von Schattenmasken oder Bohren mit Mikroschleifstiften. Die so entstehenden Bohrungswandungen haben eine raue Oberfläche, die ebenfalls Mikrorisse aufweist. Deren Wachstum beeinflusst nicht nur den inneren mechanischen Spannungszustand des Bauelements. Mikrorisse in der Wandung einer Durchgangsöffnung können auch die Berstfestigkeit bei hoher Druckbelastung stark herabsetzen.
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Deshalb sollten die Oberflächen des Glasträgers, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, insbesondere die Seitenflächen und die Wandung von Druckanschlussöffnungen, möglichst frei von Mikrorissen oder zumindest mikrorissarm sein.
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In 2 ist die Rückseite eines vorstrukturierten Glaswafers 30 dargestellt, der erfindungsgemäß alternativ zu dem in 1 dargestellten Glaswafer 20 verwendet werden soll. In die Rückseite des Glaswafers 30 ist ein Raster 31 eingeprägt, dessen Maschenform, -größe und -anordnung auf die Anordnung und Auslegung der Sensorelementstrukturen auf dem Siliziumwafer 10 abgestimmt ist. Dementsprechend stellt jede Masche dieses Rasters 31 die Konturen des Glasträgers eines Bauelements dar. Die Strukturierung des Glaswafers 30 erfolgte in einem Heißprägeverfahren in Vakuum-Tiefziehtechnik. Dabei entsteht eine geschlossene mikrorissfreie Glasoberfläche. Außerdem können mit dieser Technik in einem Prägeschritt sowohl Vertiefungen, wie das Raster 31, in der Glasoberfläche erzeugt werden als auch Durchgangsöffnungen 32.
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Ansonsten wird der Glaswafer 30 genauso prozessiert wie auch der in 1 dargestellte Glaswafer 20. So kann die unstrukturierte Vorderseite des Glaswafers 30 nach dem Prägeschritt mit Schleif- und Polier- oder Läppverfahren bearbeitet werden, um eine für das anodische Bonden geeignete Oberflächengüte zu erzielen. Beim Vereinzelungsprozess wird der heißgeprägte Glaswafer 30 in den abgedünnten Bereichen des Rasters 31 durchtrennt, so dass nur an den Flanken dieser abgedünnten Bereiche Mikrorisse entstehen können. Meist erfolgt die Vereinzelung durch Sägen. In diesem Fall dienen die Vertiefungen des Rasters 31 als Sägestraßen. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Variante, benötigt dieser Sägeprozess weniger Zeit, da die zu durchtrennende Glasschicht dünner ist und daher auch die Sägebreite reduziert werden kann. Die strukturierte Rückseite des Glaswafers 30 ist frei von Mikrorissen, da nach dem Heißprägen keine abrasive Bearbeitung mehr erfolgt.
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Alternativ zu dem in Verbindung mit 2 beschriebenen vorstrukturierten Glaswafer 30 könnte auch ein insgesamt abgedünnter Glaswafer als Träger verwendet werden. In diesem Fall sind die beim Vereinzelungsprozess entstehenden Seitenflächen ebenfalls vergleichsweise klein. Je nach Anwendung bzw. Einsatzort der hier beschriebenen Drucksensor-Bauelemente ist die Verwendung eines Glas-Halbleiter-Kompositwafers mit abgedünnter Glasschicht als Trägermaterial vorzuziehen. Diese Variante ist in 3 dargestellt. Der Kompositwafer 40 besteht hier aus einem Glaswafer 41, der anodisch gegen einen Siliziumwafer 42 gebondet wurde. Danach wurde die Glasschicht 41 mit bekannten Verfahren, wie z. B. Schleifen, Polieren oder Läppen, bis auf eine sehr geringe Schichtdicke abgedünnt, wobei die Glasoberfläche für das anodische Aufbonden des strukturierten Siliziumwafers 10 vorbereitet wurde. Dies sowie das Vereinzeln der Bauelemente erfolgt dann analog zum voranstehend beschriebenen Prozess.
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Bei den hier beschriebenen Drucksensor-Bauelementen ist der Träger Bestandteil der Sensorstruktur, indem er die Kaverne unterhalb der Membran hermetisch abschließt und so ein Referenzvolumen für Absolutdruckmessungen geschaffen wird. In Kombination mit Silizium-Sensorelementen ist die Verwendung von Glasträgern besonders vorteilhaft, da sich in diesem Fall einfach durch anodisches Bonden eine druckdichte Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Träger herstellen lässt. Ein solcher Verbund kann alternativ auch mit Hilfe einer Glaslotschicht erzeugt werden. In diesem Fall können auch andere Trägermaterialien verwendet werden, wie z. B. ein Siliziumwafer, was in 4 dargestellt ist. Dieser Aufbau umfasst einen strukturierten Siliziumwafer 10 mit Sensorelementstrukturen und elektronischen Schaltungselementen. Der strukturierte Siliziumwafer 10 ist sandwichartig zwischen einem als Träger fungierenden Siliziumwafer 50 und einem als Kappenwafer dienenden und entsprechend strukturierten Siliziumwafer 60 angeordnet. Der Verbund zwischen den jeweils aneinandergrenzenden Oberflächen wurde jeweils über eine Glaslotschicht 70 hergestellt. Die Druckbeaufschlagung einer Sensormembran 11 erfolgt hier je nach Anwendung über eine Druckanschlussöffnung 51, 61 im Träger 50 und/oder im Kappenwafer 60.
