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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung.
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MEMS-Bauelemente (Micro Electro Mechanical System) werden für Sensoren und Aktoren eingesetzt und müssen vor schädlichen äußeren Umwelteinflüssen wie z.B. Feuchte oder aggressive Medien sowie vor mechanischer Berührung bzw. Zerstörung geschützt werden. Bei der Herstellung der Sensoren ist ein Schutz bei einem Vereinzeln aus einem Waferverbund in Chips durch Sägen erforderlich. In den vergangenen Jahren hat sich zum Schutz der Sensoren die Verkapselung von MEMS-Bauelementen mit einem Kappenwafer, der Kavitäten und Durchgangslöcher aufweist, im Waferverbund etabliert. Dazu wird ein Kappenwafer zum Wafer mit den MEMS-Strukturen justiert und mit ihm gefügt. Das Fügen kann beispielsweise für eine Verbindung zwischen Glas und Silizium sowohl fügemittelfrei über das anodische Bonden, über eutektische Fügeschichten sowie über Glaslote oder Kleber erfolgen. Unter den Kavitäten des Kappenwafers liegt üblicherweise ein MEMS-Bauelement. Elektrische Bondanschlussflächen zum Anschluss des Bauteils mit dünnen Drähten sind über ein Durchgangsloch im Kappenwafer zugänglich.
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Für optische MEMS (MOEMS = Micro Opto Electro Mechanical System) wie z.B. für Mikrospiegel ist sowohl der zuvor beschriebene Schutz, das Durchgangsloch für die elektrische Verbindung, als auch ein optisches Fenster über der Kavität mit hoher optischer Güte und ggf. auch mit speziellen optischen Beschichtungen erforderlich. Geeignete Kappen können unter anderem durch folgende Verfahren hergestellt werden:
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Doppelseitiges Ätzen eines ebenen Glaswafers. Von einer Seite werden eine Ätzung der Kavität sowie des Durchgangslochs etwa bis zu einer Tiefe, die etwa der halben Waferdicke entspricht, durchgeführt. Von der anderen Waferseite wird nur an der Stelle des Durchgangslochs ebenfalls eine Ätzung bis zu etwa der Wafermitte durchgeführt und ergibt an dieser Stelle somit ein durchgängiges Loch. Die optische Güte des Austrittsfensters ist bestimmt durch die Oberflächenrauhigkeit sowie durch die Ebenheit des geätzten Kavitätenbodens.
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Strukturieren zweier Glaswafer mit anschließendem Fügen. Der eine Wafer wird z.B. durch Ätzen, Sandstrahlen, oder mechanisches Bohren, so strukturiert, dass er an den Stellen der Kavität und der Durchgangslöcher Öffnungen aufweist. Der zweite Wafer hat Öffnungen nur an den Stellen der Durchgangslöcher. Beide Wafer werden zueinander justiert und miteinander gefügt. Die optische Güte des Austrittsfensters entspricht der unbearbeiteten Oberfläche des ersten Glaswafers. Die Strukturierung und das justierte Fügen zweier Wafer sind sehr kostenintensiv.
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Heißprägen (Vakuum-Tiefziehen). Dabei wird die Negativform der Kavität und der Durchgangslöcher in einem Prägewerkzeug angelegt. Ein ebener Glaswafer wird über dem Werkzeug erhitzt und erweicht dabei. Durch Evakuierung des Raumes zwischen dem Glaswafer und dem Werkzeug wird das Glas auf die Werkzeugoberfläche gezogen und die Form des Werkzeugs prägt sich in das Glas ein. Nach Entformung werden der Waferrand und die Oberflächen des Wafers durch Schleifen, Polieren, Läppen nachbearbeitet. Die optische Güte des Kavitätenbodens wird durch die Werkzeugoberfläche bestimmt. Das Verfahren ist für große Wafer schwer beherrschbar.
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Heißprägen (Vakuum-Tiefziehen) mit Silizium als Einmal-Formwerkzeug. Ein Siliziumwafer wird über Trenchätzen mit der Negativform der gewünschten Geometrien strukturiert. Der Siliziumwafer dient als Formwerkzeug und seine Geometrie sowie die Oberfläche hoher Güte werden über Heißprägen in den Glaswafer übertragen. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Verfahren werden der Glaswafer und der Siliziumwafer nach dem Prägen nicht entformt, sondern gemeinsam einer Oberflächenbearbeitung durch Schleifen, Polieren, Läppen unterzogen. Anschließend wird das Silizium aus dem Glas herausgeätzt. Durch dieses Verfahren sind sehr feine Geometrien und hohe Oberflächengüten der Glastrukturen erzielbar, jedoch sind die Herstellkosten sehr hoch.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Kavitäten hat den Vorteil niedriger Herstellkosten, da eine aufwendige Strukturierung eines Glaswafers entfällt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch Trockenätzen beliebig geformte Strukturen mit hoher Auflösung erzielbar sind. Vorteilhaft ist auch, dass für bewegliche mikromechanische Strukturen als Überlastschutz ein mechanischer Anschlag integriert werden kann. Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass ein Kappenwafer ein optisches Fenster mit hoher Güte aufweist, wobei die Dicke und die optische Güte des Glasfensters durch geeignete Wahl der Glasseite variierbar sind. Die Tiefe der Ausnehmungen ist durch die Dicke der Siliziumseite unabhängig von der Gesamt-Kappendicke einstellbar. Der Kappenwafer ist hermetisch dicht herstellbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist, dass nach dem Freistellen der Bondanschlussflächen durch Sägen nur der Glasseite er Wafer im Verbund verbleibt und elektrisch vorgemessen werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach Schritt e) eine elektrische Messung der MEMS-Strukturen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen:
- 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kappenwafers, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, zeigt;
- 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Sensors / Aktors zeigt;
- 3 eine schematische Darstellung eines Sensors / Aktors in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung gemäß der Erfindung zeigt;
- 4 eine Aufsicht eines Wafers mit Sägeschnitten zur Freilegung von Bondanschlussflächen zeigt;
- 5 eine schematische Darstellung eines Kappenwafers in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 6 eine schematische Darstellung eines Kappenwafers in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung, welche nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, zeigt;
- 7 eine schematische Darstellung eines Kappenwafers in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung, welche nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, zeigt; und
- 8 eine schematische Darstellung eines Sensors / Aktors, welcher nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, zeigt.
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Die Erfindung wird nun anhand von Flussdiagrammen in 1 für das Verfahren zur Herstellung eines Kappenwafers und in 2 für das Verfahrens zur Herstellung eines Sensors / Aktors jeweils in Verbindung mit den weiteren Zeichnungen, insbesondere 3, erläutert, die den Sensor / Aktor in den verschiedenen Herstellungsstadien zeigen.
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In 1 zeigt Flussdiagramm 10 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kappenwafers für einen Sensor / Aktor, der in 3 in verschiedenen Verfahrensstadien gezeigt ist, und zur Verbindung mit einem MEMS-Wafer, mit den Verfahrensschritten b11) Fügen von einem Glaswafer 12 und einem Siliziumwafer 11 zu dem Kappenwafer 13 mit einer Siliziumseite 14 und einer Glasseite15;
b22) Bilden von Ausnehmungen 18 auf dem Kappenwafer auf der Siliziumseite 14.
Dazu werden unter Bezugnahme auf 3 gemäß 3a der unstrukturierte Siliziumwafer 11 und der unstrukturierte Glaswafer 12 z.B. aus Borsilikatglas über anodisches Bonden zusammengefügt zu einem Kappenwafer 13. Der Kappenwafer hat nun eine Siliziumseite 14 und eine Glasseite 15. Gemäß 3b wird auf die Silizium-Seite eine geeignete Ätzmaskierung 16 aufgebracht. Diese Maske besteht hier aus photolithographisch strukturiertem Lack. Durch einen Trenchprozess Trockenätzen werden die auf der Maske offenen Siliziumflächen 17 zu Ausnehmungen 18 mit nahezu senkrechten Flanken geätzt, 3c. Bei Erreichen der Glasoberfläche stoppt der Trenchprozess, da Glas gegenüber Silizium nur sehr geringfügig geätzt wird. Die Lackmaske wird nach dem Trockenätzen entfernt, 3d. Die Glasflächen des Kappenwafers werden hier einseitig mit einer optisch wirksamen Schicht, hier einer Anti-Reflex-Schicht 19, versehen, 3e. Der Kappenwafer 13 ist nun fertig.
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In 2 zeigt Flussdiagramm 20 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors / Aktors mit den Verfahrensschritten
- a) Anordnen der MEMS-Strukturen und Bondanschlussflächen jeweils in Reihen auf dem MEMS-Wafer;
- b) Bilden von Ausnehmungen zu den MEMS-Strukturen und zu den Bondanschlussflächen in dem Kappenwafer - bei der Herstellung des Kappenwafers;
- c) Fügen von MEMS-Wafer und Kappenwafer zu einem Waferverbund;
- d) Sägen des Kappenwafers über den Bondanschlussflächen; und
- e) Sägen des Waferverbunds neben den Bondanschlussflächen.
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In Schritt a) werden MEMS-Wafer und Kappenwafer aufeinander abgestimmt konfiguriert. Die Ausnehmungen für die Schaltkreise bzw. die mikromechanischen Elemente und für die Bondanschlussflächen sind entsprechend zu positionieren.
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In Schritt b) werden mit dem Trockenätzen in 3c Kavitäten, die später über den Sensorelementen liegen, sowie Freistellungen, die später über den Bondanschlussflächen liegen, aus dem Silizium herausgeätzt. Ergänzend können auch die Bereiche herausgeätzt werden, in denen das Silizium während der Vereinzelung beim Sägen ohnehin herausgetragen wird, beispielsweise eine Sägestrasse. Um zu vermeiden, dass während des Freisägens der Bondanschlussflächen Sägeschlamm oder Sägewasser in die Sägegräben, die unter Umständen erst später, nach dem Vormessen gesägt werden sollen, gelangt, können Absperrschotten in die Sägestraßen eingebracht werden. Verfahrensschritt b) weist die weiteren Verfahrensschritte
b1) Fügen von eines Deckwafers und eines Spacerwafers zu dem Kappenwafer mit einer Deckseite und einer Spacerseite;
b2) Bilden der Ausnehmungen in dem Kappenwafer auf der Spacerseite auf. Dies wurde für einen Kappenwafer mit einem Glas-Deckwafer und einem Silizium-Spacerwafer in Verbindung mit 1 erläutert. Andere Materialien werden in Ausführungsformen weiter unten beschrieben. Für die beweglichen mikromechanischen Strukturen ist als Überlastschutz ein mechanischer Anschlag 21, ein so genannter Z-Anschlag, in der Siliziumschicht des Kappenwafers integriert worden, wie in 3e gezeigt.
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Nun erfolgt in Schritt c) die Verbindung von MEMS-Wafer und Kappenwafer. Der MEMS-Wafer ist in diesem Beispiel als Sockelwafer ausgeführt. Zunächst werden gemäß 3f als Fügehilfsschicht per Siebdruck Glaslot als Glaslotschicht 22 auf die Siliziumseite14 des Kappenwafers und als Glaslotschicht 23 auf einen Sockelwafer 24 aufgebracht. Das Fügen des MEMS-, Kappen und ggf. Sockelwafers erfolgt nach ihrer Justage zueinander in einer Bondanlage mit dem Ergebnis gemäß 3g. Der Sockelwafer 24 ist mit einem MEMS-Wafer 25 verbunden, welcher die MEMS Struktur 26 sowie Bondanschlussflächen 27, 28 aufweist. Der Kappenwafer ist gewendet und mit der Siliziumseite auf dem MEMS-Wafer 25 befestigt worden. Eine Kavität 29 befindet sich über der beweglichen MEMS Struktur 26. Freistellung 30 befindet sich über den Bondanschlussflächen 27, 28. Bei dem hermetischen Fügeverfahren mit Glaslot ist ein geeignetes Gas und ein geeigneter Gasdruck eingeschlossen worden. Der als Überlastschutz vorgesehene mechanische Anschlag 21 ist von der beweglichen MEMS Struktur 26 beabstandet.
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3g zeigt damit einen erfindungsgemäßen MEMS-Waferverbund 32 mit einem MEMS-Wafer 25, auf dem MEMS-Strukturen 26 und damit verbundene Bondanschlussflächen 27, 28 angeordnet sind, und einem damit verbundenen Kappenwafer 13, der Freistellungen 30 über den Bondanschlussflächen 27, 28 aufweist.
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Zur elektrischen Messung von Chips mit Nadelkontaktierung im Waferverbund ist das Glas über den Bondanschlussflächen 27, 28 gemäß Verfahrenschritt d) wegzusägen. Dies erfolgt in 3h mit einem für Glas geeigneten Sägeblatt 33 mit der erforderlichen Breite. Die Chips sind dafür in Verfahrensschritt a) geeignet auf dem Wafer angeordnet worden. Dieses Beispiel zeigt einen Chip, bei dem die Bondanschlussflächen 27, 28 nur auf einer Seite positioniert sind. Der Wafer dazu ist in 4 in Aufsicht gezeigt. Das Freisägen der Bondanschlussflächen ist auch dann möglich, wenn sie auf zwei, drei oder allen vier Chipseiten angeordnet sind. 3h zeigt weiterhin ein schmaleres Glassägeblatt 34 welches das Glas über einer Freistellung 35 in einer Sägestrasse entfernt. Diese Sägestrasse ist an der Seite der Chips entgegengesetzt zu den nur auf einer Seite positionierten Bondanschlussflächen 27, 28. Das Freisägen der Bondlands mit einem breiten Glassägeblatt und geeigneter Schnitttiefe führt dazu, dass die Zugangsöffnung trichterartige Seiten ergibt, 3i. Das hat für das Drahtbonden einen Vorteil: Auf diese Weise kann der für die konische Drahtbond-Kapillare lateral erforderliche Platz auf dem Kappenwafer und dem MEMS-Wafer minimiert werden, und es passen dadurch mehr Chips auf den Wafer. Im Silizium kann eine entsprechende Trichterform durch einen geeigneten Trockenätzprozess erzielt werden, bei dem die Ätzbreite mit der Ätztiefe zunimmt, siehe Bezugsziffer 38 in 3c. Eine elektrische Messung der MEMS-Strukturen erfolgt mit Prüfkontakten 39. Optional kann vor dem elektrischen Messen das Glas auch an den verbleibenden Chipseiten mit einem schmaleren Sägeblatt weggesägt werden.
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Nach dem elektrischen Messen wird der Wafer in Sensoren 41 vereinzelt, 3j. mit dem Sägen aus Verfahrensschritt e). Die Vereinzelung kann bei bereits entfernter Glasschicht an allen Chipseiten mit einem für Silizium geeigneten, sehr schmalen Sägeblatt 40 mit hoher Schnittgeschwindigkeit kosteneffizient erfolgen. Ein solches Sägeblatt hat zudem eine hohe Schnittqualität mit nur geringen Kantenausbrüchen, „Chipping“. Die für das Sägen auf dem Wafer vorzuhaltende Fläche kann in diesem Fall minimiert werden. In einer nicht gezeigten Alternative, nach der das Glas nur über den Bondanschlussflächen weggesägt ist, erfolgt die Vereinzelung mit einem für Silizium und Glas geeigneten Sägeblatt. Ein solches Sägeblatt ist gegenüber einem Silizium-Sägeblatt in der Regel breiter und kann nur mit einer niedrigeren Vorschubgeschwindigkeit gefahren werden. Es hat zudem eine schlechtere Schnittqualität mit größeren Kantenausbrüchen. Auf dem Wafer sind für die breitere Sägestraße und für das größere Chipping zusätzliche Flächen vorzuhalten. Der zusätzliche Flächenvorhalt reduziert die Anzahl der Chips auf dem Wafer. Demgegenüber verbessert also das im Beispiel dargestellte Verfahren die Waferausnutzung.
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Da MEMS Strukturen häufig eine vollständige Kapselung auf Ober- und Unterseite erhalten, wird in den Beispielen ein Sockelwafer eingesetzt, der die Unterseite kapselt.
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4 stellt einen Wafer mit Sägeschnitten zur Freilegung von Bondanschlussflächen dar. Der Wafer 42 entspricht dem MEMS-Waferverbund 32 aus 3h. vor der Freilegung von Bondanschlussflächen 27, 28. Zur Freilegung der Bondanschlussflächen 27, 28 sind breite Sägeschnitte 43 durch Glas erforderlich. Zum Separieren der Chips 44 werden an den Seiten, an denen keine Bondanschlussflächen sind, schmale Sägeschnitte 45, 46 eingesetzt.
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5 zeigt in 5a bis 5e einen Kappenwafer in entsprechenden Prozessstadien zu 3a bis 3e mit dem Unterschied, dass anstelle des anodischen Bondens ein Fügemittel zur Verbindung der Wafer verwendet wird. Entsprechende gleich wirkende Elemente erhalten gestrichene Bezugszeichen. Das Fügemittel 48 kann Glaslot, eine eutektische Schicht oder Kleber sein. Das Fügemittel 48 ist zwischen dem Siliziumwafer 11' und dem Glaswafer 122' dort aufgetragen, wo keine Ausnehmung 18', 49 im Kappenwafer geschaffen wird.
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6 zeigt einen Kappenwafer 50 in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem gestanzten Spacerwafer aus Kunststoff. Der Kappendeckel 51, 6a, besteht aus Glas und hat eine Schutzfolie 55. Die Spacerschicht 52, 6b, besteht aus Kunststoff. In diesem Beispiel besteht die Spacerschicht 52 aus einer Kunststofffolie 56, beispielsweise unter Produktnamen Mylar, Melinex oder Teonex. Diese wird dabei an den Stellen der Ausnehmungen 53, 54 mittels Mikrostanzverfahren strukturiert, 6c. Anschließend wird sie auf den Kappendeckel 51 laminiert, 6d.
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7 stellt einen Kappenwafer 60 in verschiedenen Prozessstadien seiner Fertigung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem photolithographisch strukturierten Spacerwafer aus Kunststoff dar. Der Kappendeckel 61, 7a, besteht aus Glas und hat eine Schutzfolie 65. Die Spacerschicht 62, 7b, besteht aus Kunststoff. Eine unstrukturierte Folie 66 wird als Spacerschicht 62 auf den Kappendeckel 61 laminiert. Die Folie ist photolithographisch strukturierbar, mittels UV-Belichtung und Entwicklung werden Ausnehmungen 63, 64 erzeugt.
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8 stellt nun die Herstellung eines Sensors / Aktors mit einem Kappenwafer gemäß 6 dar. Das Verfahren in Bezug auf einen Kappenwafer gemäß 6 ist gleich. In beiden Fällen wird der Kappenwafer mit einem MEMS-Wafer und einem Sockelwafer verbunden und vereinzelt, hier in 8 dargestellt nur am Beispiel mit dem Kappenwafer 50 aus 6. Kappenwafer 50, MEMS-Wafer 70 und Sockelwafer 71 werden positioniert, 8 a, und verbunden zu Waferverbund 79. MEMS-Wafer 70 weist eine MEMS-Struktur 72 auf und Bondanschlussflächen 73. Anschließend wird die Schutzfolie 55 entfernt und es erfolgt ein Glassägeschnitt mit Sägeblatt 75, das Abschrägungen 76 aufweist. Anschließend erfolgt ein Separationsschnitt mit Sägeblättern 77, 78, 8c, und der Sensor / Aktor 80 ist vereinzelt, 8d.
