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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein hybrid integriertes Bauteil, das mindestens ein ASIC-Bauelement, ein MEMS-Bauelement mit mindestens einer mikromechanischen Strukturkomponente und einen Kappenwafer mit mindestens einem Durchkontakt zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils umfasst. Das MEMS-Bauelement ist so auf dem ASIC-Bauelement montiert, dass zwischen der mikromechanischen Strukturkomponente und dem ASIC-Bauelement ein Spalt besteht. Der Kappenwafer ist druckdicht über dem MEMS-Bauelements montiert, so dass die mikromechanische Strukturkomponente in einem abgeschlossenen Hohlraum zwischen ASIC-Bauelement und Kappenwafer angeordnet ist. Der Durchkontakt im Kappenwafer ist seitlich neben dem Hohlraum angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Dicke des Kappenwafers.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils.
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In der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2012 208 031.7 (14.5.2012) wird ein Aufbaukonzept für ein vertikal integriertes Bauteil der hier in Rede stehenden Art vorgeschlagen. Dieses Aufbaukonzept sieht vor, zunächst auf der prozessierten Vorderseite des ASIC-Substrats und dann auf dessen Rückseite jeweils ein MEMS-Substrat zu montieren, zu strukturieren und zu verkappen. Die externe elektrische Kontaktierung eines solchen 5-fach-Stacks erfolgt über Durchkontakte in mindestens einem der beiden Kappenwafer. Das in der
deutschen Patentanmeldung 10 2012 208 031.7 (14.5.2012) beschriebene Aufbaukonzept ermöglicht die Realisierung von Bauteilen mit zwei voneinander unabhängigen mikromechanischen Strukturkomponenten und einem gemeinsamen Auswerte- und/oder Ansteuer-ASIC.
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Eine wichtige Anwendung hierfür sind sogenannte IMUs (Inertial Measurement Units). Dabei handelt es sich um Bauteile, die sowohl eine Drehratensensorkomponente als auch eine Beschleunigungssensorkomponente umfassen. Üblicherweise werden Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren bei unterschiedlichen Innendrücken betrieben. Da bei Drehratensensoren ein Teil der Sensorstruktur resonant angetrieben wird, wird im Hohlraum eines Drehratensensorelements ein möglichst niedriger Innendruck von ca. 1mbar eingestellt, um die Dämpfung der Sensorstruktur möglichst gering zu halten. Der Drehratensensor kann dann schon mit einer relativ kleinen Anregungsspannung betrieben werden. Im Unterschied dazu soll die Sensorstruktur eines Beschleunigungssensors möglichst nicht zu Schwingungen angeregt werden. Beschleunigungssensoren werden deshalb bei einem deutlich höheren Innendruck von typischerweise 500mbar betrieben. Die Realisierung von derart unterschiedlichen Druckverhältnissen für die einzelnen Sensorkomponenten innerhalb eines Bauteils erweist sich in der Praxis als aufwendig.
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So wird im Fall des in der
deutschen Patentanmeldung 10 2012 208 031.7 (14.5.2012) beschriebenen Bauteils der Innendruck für die mikromechanischen Strukturkomponenten der beiden MEMS-Substarte jeweils durch die Druckverhältnisse bei der Montage der Kappenwafer bestimmt. Dabei können unterschiedliche Druckverhältnisse für die beiden mikromechanischen Strukturkomponenten realisiert werden, da die Montage der beiden Kappenwafer unabhängig voneinander und nacheinander erfolgt. Allerdings sind hierfür zwei Kappenwafer und mindestens vier Montageschritte erforderlich, was insgesamt relativ aufwendig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Realisierung von hybrid integrierten Bauteilen der eingangs genannten Art vorgeschlagen, durch die sich der Innendruck im Hohlraum unter dem Kappenwafer definiert vorgeben lässt, und zwar unabhängig von dessen Montage über der mikromechanischen Strukturkomponente des MEMS-Bauelements.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Verfahrensschritte zum Herstellen eines Durchkontakts im montierten Kappenwafer auch dazu genutzt werden, mindestens einen Druckanschlusskanal zu dem Hohlraum zwischen ASIC-Substrat und Kappenwafer zu öffnen und danach unter vorgebbaren definierten Druckverhältnissen wieder zu verschließen.
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Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass im Kappenwafer zumindest ein Abschnitt mindestens eines Druckanschlusskanals ausgebildet ist, der in den Hohlraum mündet, dass der Druckanschlusskanal beim Prozessieren des mindestens einen Durchkontakts geöffnet und auch wieder verschlossen wurde, und zwar unter vorgebbaren definierten Druckverhältnissen, so dass im Hohlraum ein definierter Innendruck herrscht.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht vor, dass im montierten Kappenwafer mindestens ein Durchkontakt zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils erzeugt wird, wozu der Kappenwafer zunächst strukturiert wird, dass bei dieser Strukturierung des Kappenwafers mindestens ein Druckanschlusskanal zu mindestens einem Hohlraum zwischen ASIC-Substrat und Kappenwafer geöffnet wird, und dass dieser Druckanschlusskanal bei der Herstellung des Durchkontakts, d.h. beim Verschließen der entsprechenden Öffnung im Kappenwafer, unter vorgebbaren definierten Druckverhältnissen wieder geschlossen wird.
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Grundsätzlich kann der Druckanschlusskanal an einer beliebigen Stelle des Kappenwafers ausgebildet werden, d.h. auch räumlich unabhängig von dem mindestens einen Durchkontakt, solange der Druckanschlusskanal in den Hohlraum zwischen Kappenwafer und ASIC-Bauelement mündet und solange er mit Verfahrensschritten erzeugt wird, die auch zur Ausbildung des Durchkontakts im Kappenwafer genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druckanschlusskanal nicht nur mit denselben Verfahrensschritten, parallel zu dem mindestens einen Durchkontakt erzeugt. Vielmehr wird hier die für die Realisierung des Durchkontakts erforderliche Öffnung im Kappenwafer selbst als Druckanschlusskanal oder zumindest als Abschnitt des Druckanschlusskanals genutzt. Verschlossen wird der Druckanschlusskanal in diesem Fall einfach, wenn diese Öffnung im Kappenwafer im Zuge der Herstellung des Durchkontakts wieder verschlossen wird. Da die Druckverhältnisse dabei von der Prozessführung abhängen und in einem größeren Druckbereich variabel gewählt werden können, kann der Innendruck im Hohlraum zwischen dem Kappenwafer und dem ASIC-Bauelement auf diese Weise relativ einfach definiert eingestellt werden.
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Ein Durchkontakt im Kappenwafer eines hier in Rede stehenden Bauteils kann beispielsweise in Form einer verfüllten Durchkontaktöffnung realisiert werden. In diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Durchkontaktöffnung über einen Kanalabschnitt im Schichtaufbau des Bauteils an den Hohlraum zwischen Kappenwafer und ASIC-Bauelement angeschlossen ist, so dass diese Durchkontaktöffnung zusammen mit dem Kanalabschnitt einen Druckanschlusskanal bildet.
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Insbesondere wenn der Kappenwafer aus einem hochdotierten Substratmaterial besteht, kann ein Durchkontakt auch einfach in Form eines Stempels aus dem hochdotierten Substratmaterial des Kappenwafers realisiert werden, der durch einen umlaufenden Isolationsgraben gegen das angrenzende Substratmaterial elektrisch isoliert ist. In diesem Fall kann der Isolationsgraben vorteilhaft als Abschnitt eines Druckanschlusskanals genutzt werden, wenn er über mindestens einen Kanalabschnitt im Schichtaufbau des Bauteils an den Hohlraum zwischen Kappenwafer und ASIC-Bauelement angeschlossen ist. Der Druckanschlusskanal kann dann entweder beim Verfüllen des Isolationsgrabens mit einem elektrisch isolierenden Material wieder verschlossen werden oder auch erst beim Erzeugen eines Schichtaufbaus auf dem Kappenwafer, wenn die Luft im Isolationsgraben als elektrischer Isolator genutzt wird. In einem derartigen Schichtaufbau werden vorteilhafterweise die Anschlusspads zur externen Bauteilkontaktierung und ggf. auch Umverdrahtungsebenen realisiert.
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Diese Ausführungsformen erweisen sich in der Praxis als besonders vorteilhaft, da die Druckanschlusskanäle hier weder beim Öffnen noch beim Verschließen gesondert behandelt werden müssen. Lediglich die Positionen der Durchkontakte müssen in geeigneter Weise gewählt werden. Dies muss zwar beim Masken-Layout berücksichtigt werden, hat aber ansonsten weder Einfluss auf die einzelnen Prozessschritte noch auf den Verfahrensablauf insgesamt.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen stellt die Realisierung von Bauteilen dar, in deren MEMS-Bauelement mindestens zwei unterschiedliche mikromechanische Strukturkomponenten ausgebildet sind, wie z.B. eine Drehratensensorstruktur und eine Beschleunigungssensorstruktur. Vorteilhafterweise ist in diesem Fall für jede mikromechanische Strukturkomponente eine eigene Kaverne in der MEMS-seitigen Oberfläche des Kappenwafers ausgebildet, so dass jede mikromechanische Strukturkomponente nach der Montage des Kappenwafers in einem eigenen abgeschlossenen Hohlraum angeordnet ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann auch noch nach der Montage des Kappenwafers ein definierter Innendruck in einem solchen Hohlraum eingestellt werden, und zwar so, dass in einem Hohlraum mit Druckanschlusskanal ein definierter anderer Innendruck herrscht als in einem Hohlraum ohne Druckanschlusskanal. Auf diese Weise lässt sich z.B. im Hohlraum der Drehratensensorstruktur ein deutlich geringerer Innendruck einstellen, als im Hohlraum der Beschleunigungssensorstruktur, dessen relativ hoher Innendruck bereits bei der Montage des Kappenwafers auf dem ASIC-MEMS-Stack erzeugt worden ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine mikromechanische Strukturkomponente des MEMS-Bauelements durch Gräben weitgehend aus dem Verbund des MEMS-Bauelements herausgelöst und mechanisch im Wesentlichen nur an das ASIC-Bauelement gekoppelt. Auf diese Weise wird montagebedingter Stress möglichst direkt vom Kappenwafer in das ASIC-Substrat eingeleitet, ohne die Funktion der mikromechanischen Strukturkomponente zu beeinträchtigen.
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Das erfindungsgemäße Bauteilkonzept ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion von robusten Bauteilen mit mindestens einer mikromechanischen Funktion und der dazugehörigen Signalverarbeitungsschaltung im äußerst platzsparenden Bare-Die-Aufbau. Die einzelnen Bauteilkomponenten – ASIC-Bauelement, MEMS-Bauelement und Kappe – können einfach im Waferverbund hergestellt und montiert werden. Ebenfalls noch auf Waferebene können die MEMS-Funktionen und die ASIC-Funktionen getestet werden, und sogar der Abgleich der einzelnen Bauteile kann noch vor der Vereinzelung auf Waferebene vorgenommen werden. Auch die Durchkontakte im Kappenwafer zum externen Kontaktieren der einzelnen Bauteile werden vorteilhafterweise im Waferverbund erzeugt. Erfindungsgemäß wird dabei zudem der Innendruck für einzelne MEMS-Funktionen gezielt eingestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a–1d veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung eines ersten Sensor-Bauteils 100 entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteilkonzept,
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2a, 2b veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung eines zweiten Sensor-Bauteils 200 entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteilkonzept, und
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3a–3c veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung eines dritten Sensor-Bauteils 300 entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteilkonzept.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der in 1a dargestellte Aufbau eines hybrid integrierten Sensor-Bauteils 100 umfasst drei Chip-Komponenten, die in einem Stack zusammengefasst sind: ein ASIC-Bauelement 10 mit integrierten Schaltungsfunktionen 11 und einem Schichtaufbau 12 mit Verdrahtungsebenen 13 für die Schaltungsfunktionen 11, ein MEMS-Bauelement 20 mit zwei mikromechanischen Sensorkomponenten 21 und 22 und einen Kappenwafer 30.
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Bei den Schaltungsfunktionen 11 des ASIC-Bauelements 10 handelt es sich vorteilhafterweise um Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerte- bzw. Ansteuerschaltung für die mikromechanischen Sensorkomponenten 21 und 22 des MEMS-Bauelements 20. Das ASIC-Bauelement 10 kann aber auch MEMS-unabhängige Schaltungsfunktionen umfassen.
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Bei den beiden mikromechanischen Sensorkomponenten handelt es sich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Drehratensensorkomponente 21 und eine Beschleunigungssensorkomponente 22, die jeweils über eine Standoff-Struktur 15 auf dem ASIC-Bauelement 10 montiert sind. Die Standoff-Struktur 15 ist hier im Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 ausgebildet. Die elektrische Kontaktierung der beiden Sensorkomponenten 21 und 22 erfolgt über Durchkontakte 23, die jeweils an eine Verdrahtungsebene 13 im Bereich der Standoff-Struktur 15 angeschlossen sind. Auf diese Weise sind die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 sowohl mechanisch als auch elektrisch an den Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 angebunden, jedoch besteht jeweils ein Spalt zwischen der beweglichen Struktur einer Sensorkomponente 21 bzw. 22 und der Oberfläche des ASIC-Bauelements 10. Die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 können mit einer organischen Antihaftschicht versehen werden, was sich insbesondere für die weiche bewegliche Struktur der Beschleunigungssensorkomponente 22 als vorteilhaft erweist.
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In der MEMS-seitigen Oberfläche des Kappenwafers 30 sind zwei Kavernen 31 und 32 für die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 ausgebildet. Bei der Montage auf dem Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 wurden die beiden Kavernen 31 und 32 jeweils über einer Sensorkomponente 21 und 22 positioniert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgte die Montage in einem Bondprozess. Dabei wurde eine elektrisch leitfähige, druckdichte Bondverbindung 17 zwischen dem Kappenwafer 30 und dem ASIC-Bauelement 10 hergestellt. Dementsprechend ist jede der beiden Sensorkomponenten 21 und 22 in einem eigenen Hohlraum 31 und 32 zwischen Kappenwafer 30 und ASIC-Bauelement 10 eingeschlossen, dessen Innendruck den Druckverhältnissen bei der Montage des Kappenwafers 30 entspricht. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein relativ hoher Innendruck von > 20mbar angestrebt. Dieser Innendruck erweist sich für den Betrieb der Beschleunigungssensorkomponente 22 als vorteilhaft, eignet sich aber weniger für den Betrieb der Drehratensensorkomponente 21.
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Die anschließende Prozessierung des Sensor-Bauteils 100 zum Erzeugen eines Durchkontakts im Kappenwafer 30 wird erfindungsgemäß genutzt, um in der Kaverne 31 der Drehratensensorkomponente 21 nachträglich einen definierten deutlich geringeren Innendruck einzustellen. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den 1b bis 1d erläutert.
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In der Regel wird der Kappenwafer 30 nach der Montage zunächst abgedünnt, beispielsweise auf eine Dicke in der Größenordnung < 200µm, was die Herstellung von Durchkontakten zur externen Bauteilkontaktierung vereinfacht. Erst danach wird der Kappenwafer 30 strukturiert, um eine Durchkontaktöffnung 33 zu erzeugen, die sich über die gesamte Dicke des Kappenwafers 30 erstreckt. Durchkontaktöffnungen werden aufgrund des angestrebten hohen Aspektverhältnisses vorteilhafterweise in einem Trenchprozess erzeugt. 1b zeigt, dass die Durchkontaktöffnung 33 seitlich neben der Kaverne 31 über einem Kontaktbereich 14 des ASIC-Bauelements 10 angeordnet ist und in einen Kanalabschnitt 16 mündet, der an den Hohlraum 31 der Drehratensensorkomponente angeschlossen ist. Der Kanalabschnitt 16 wurde im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zusammen mit der Standoff-Struktur 15 im Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 erzeugt.
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Die Durchkontaktöffnung 33 bildet zusammen mit dem Kanalabschnitt 16 einen Druckanschlusskanal, über den nun ein Zieldruck im Hohlraum 31 eingestellt und eingeschlossen werden kann. Falls die Sensorkomponente 21 mit einer organischen Antihaftschicht versehen worden ist, wird diese zunächst in einem Temperaturschritt und/oder einem Plasmaschritt entfernt. Dann wird eine dielektrische Schicht 34 auf der Wandung der Durchkontaktöffnung 33 abgeschieden. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um ein Oxid, da beispielsweise bei einer CVD-TEOS-Abscheidung ein definierter Unterdruck eingestellt werden kann. Diese dielektrische Schicht 34 wird im Kontaktbereich 14 des ASIC-Bauelements 10 geöffnet, bevor die Durchkontaktöffnung 33 mit einem elektrisch leitfähigen Material 35, vorzugsweise mit einem Metall, verfüllt wird, so dass der so erzeugte Durchkontakt 34, 35 an den Kontaktbereich 14 des ASIC-Bauelements 10 und dessen Verdrahtungsebenen 13 angeschlossen ist. 1c veranschaulicht, dass beim Verfüllen der Durchkontaktöffnung 33 auch der Druckanschlusskanal 33, 16 zum Hohlraum 31 wieder hermetisch verschlossen wurde.
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1d zeigt das Sensor-Bauteil 100, nachdem der Kappenwafer 30 mit einer Isolationsschicht 37 sowie einer Umverdrahtungsebene 38 und Lötballs 39 für die 2nd-Level-Montage auf einer Leiterplatte versehen worden ist.
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Der Aufbau des in den 2a und 2b dargestellten Sensor-Bauteils 200 unterscheidet sich lediglich in der Realisierung des Durchkontakts im Kappenwafer 30 von dem des Sensor-Bauteils 100. Deshalb beschränken sich die nachfolgenden Erläuterungen auf diesen Aspekt. Hinsichtlich der übrigen Bauteilkomponenten wird auf die Beschreibung der 1a bis 1d verwiesen.
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Auch im Fall des Sensor-Bauteils 200 werden die Verfahrensschritte zum Erzeugen eines Durchkontakts im Kappenwafer 30 genutzt, um in der Kaverne 31 der Drehratensensorkomponente 21 nachträglich einen definierten möglichst geringen Innendruck einzustellen.
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Für den Kappenwafer 30 wurde hier ein hochdotiertes Halbleitersubstrat verwendet, dessen Leitfähigkeit kleiner ist als 10·10–3 Ohm·cm. In diesem Fall bietet es sich an, die Durchkontakte in Form eines Stempels aus Substratmaterial zu realisieren, der durch einen umlaufenden Isolationstrench gegen das angrenzende Substratmaterial elektrisch isoliert ist. Dementsprechend wurde bei der Strukturierung des Kappenwafers 30 keine Durchkontaktöffnung sondern ein Isolationsgraben 233 erzeugt, der sich über die gesamte Dicke des Kappenwafers 30 erstreckt und einen Stempel 235 aus Substratmaterial umgibt. Auch derartige Isolationsgräben werden aufgrund des angestrebten hohen Aspektverhältnisses vorteilhafterweise in einem Trenchprozess erzeugt. 2a zeigt, dass der Isolationsgraben 233 mit dem Substratstempel 235 seitlich neben der Kaverne 31 angeordnet ist, so dass der Substratstempel 235 über die Bondverbindung 17 zwischen Kappenwafer 30 und ASIC-Bauelement 10 mechanisch und elektrisch an den Kontaktbereich 14 des ASIC-Bauelements 10 gekoppelt ist. Der Isolationsgraben 233 mündet in einen Kanalabschnitt 16, der an den Hohlraum 31 der Drehratensensorkomponente angeschlossen ist. Wie im Fall des Sensor-Bauteils 100 wurde auch der Kanalabschnitt 16 des Sensor-Bauteils 200 zusammen mit der Standoff-Struktur 15 im Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 erzeugt.
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Der Isolationsgraben 233 bildet zusammen mit dem Kanalabschnitt 16 einen Druckanschlusskanal, über den nun ein Zieldruck im Hohlraum 31 eingestellt und eingeschlossen werden kann. Dazu kann der Isolationsgraben 233 unter vorgegebenen definierten Druckverhältnissen mit einem dielektrischen Material verfüllt werden, wie z.B. mit einem CVD-TEOS-Oxid oder mit einem Nitrid. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Isolationsgraben 233 allerdings nur oberflächlich mit einer dielektrischen Abschlussschicht 237 hermetisch verschlossen, die unter vorgegebenen definierten Druckverhältnissen auf dem Kappenwafer abgeschieden worden ist. 2b veranschaulicht, dass dabei auch der Druckanschlusskanal 233, 16 zum Hohlraum 31 wieder hermetisch verschlossen worden ist. Die externe Kontaktierung des Substratstempels 235 erfolgt – wie im Fall des Sensor-Bauteils 100 – über eine Umverdrahtungsebene 38 und Lötballs 39 auf der dielektrischen Abschlussschicht 237.
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Auch der Aufbau des in den 3a bis 3d dargestellten vertikal hybrid integrierten Sensor-Bauteils 300 setzt sich aus den drei Chip-Komponenten, ASIC-Bauelement 10, MEMS-Bauelement 320 und Kappenwafer 330 zusammen.
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Wie bei den Sensor-Bauteilen 100 und 200 umfasst das ASIC-Bauelement 10 des Sensor-Bauteils 300 integrierte Schaltungsfunktionen 11 und einen Schichtaufbau 12 mit Verdrahtungsebenen 13 für die Schaltungsfunktionen 11.
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Im MEMS-Bauelement 320 ist eine Drehratensensorkomponente 21 und eine Beschleunigungssensorkomponente 22 ausgebildet, die hier – anders als bei den Sensorbauteilen 100 und 200 – von einer Rahmenstruktur 25 im MEMS-Bauelement 320 umgegeben sind. In der Rahmenstruktur 25 können beispielsweise weitere mikromechanische Funktionen oder auch Schaltungsfunktionen integriert sein, die über Durchkontakte 26 an die Verdrahtungsebenen 13 des ASIC-Bauelements 10 angeschlossen sind. Die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 sind durch relativ breite Gräben 24 von dieser Rahmenstruktur 25 abgekoppelt. Eine mechanische Verbindung zur Rahmenstruktur 25 besteht, wenn überhaupt, nur über sehr schmale und bevorzugt federnd ausgelegte Stege. Das MEMS-Bauelement 320 ist ganzflächig auf dem ASIC-Bauelement 10 montiert, wobei die Beweglichkeit der beiden Sensorkomponenten 21 und 22 über eine Standoff-Struktur 15 im Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 gewährleistet ist. Die elektrische Kontaktierung der beiden Sensorkomponenten 21 und 22 erfolgt über Durchkontakte 23, die jeweils an eine Verdrahtungsebene 13 im Bereich der Standoff-Struktur 15 angeschlossen sind. Auf diese Weise sind die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 sowohl mechanisch als auch elektrisch an den Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 angebunden.
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Der Kappenwafer 330 ist MEMS-seitig strukturiert und weist zwei Kavernen 31 und 32 für die beiden Sensorkomponenten 21 und 22 auf. Bei der Strukturierung des Kappenwafers 330 wurden außerdem mechanische Anschläge 36 für die beiden Sensorstrukturen 21 und 22 ausgebildet, die als Überlastschutz dienen. 3a zeigt den Waferstack des Sensor-Bauteils 300, nachdem der Kappenwafer 330 auf die Rahmenstruktur 25 des MEMS-Bauelements 320 gebondet worden ist und auf seine Zieldicke abgedünnt worden ist. Die Bondverbindung 317 zwischen dem Kappenwafer 330 und dem MEMS-Bauelement 320 ist elektrisch leitfähig und druckdicht. Dementsprechend ist jede der beiden Sensorkomponenten 21 und 22 in einem eigenen Hohlraum 31 und 32 zwischen Kappenwafer 330 und ASIC-Bauelement 10 eingeschlossen, dessen Innendruck den Druckverhältnissen bei der Montage des Kappenwafers 330 entspricht. Die Rahmenstruktur 25 des MEMS-Bauelements und damit auch die Bondverbindung 317 zwischen Kappenwafer 330 und MEMS-Bauelement 320 umgibt sämtliche Durchkontakte 23 und 26 im MEMS-Bauelement 320, so dass diese gegen Umwelteinflüsse geschützt sind.
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Erfindungsgemäß wird der Kappenwafer 330 nach der Montage auf dem ASIC-MEMS-Stack strukturiert, um Durchkontakte für die 2nd-Level-Montage des Sensorbauteils 300 auf einer Leiterplatte zu erzeugen. Außerdem wird dabei in der Kaverne 31 der Drehratensensorkomponente 21 nachträglich ein definierter möglichst geringer Innendruck eingestellt, der sich deutlich von dem im Bondprozess eingestellten, relativ hohen Innendruck im Hohlraum 32 der Beschleunigungssensorkomponente 22 unterscheidet. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den 3b und 3c erläutert.
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Wie im Fall des Sensor-Bauteils 200, handelt es sich bei dem Kappenwafer 330 um ein hochdotiertes Halbleitersubstrat. Deshalb werden die Durchkontakte zur externen Bauteilkontaktierung hier ebenfalls in Form eines Stempels 335 aus Substratmaterial realisiert. Dazu wird seitlich neben der Kaverne 31 ein ringförmiger Isolationsgraben 333 in den Kappenwafer 330 geätzt, und zwar über dem Bereich des Durchkontakts 26 in der Rahmenstruktur 25 des MEMS-Bauelements 320. Dieser Isolationsgraben 333 definiert die Lage und Form des Stempels 335 und erstreckt sich über die gesamte Dicke des Kappenwafers 330. Der Trenchprozess für den Isolationsgraben 333 wird dann solange fortgesetzt, bis auch das MEMS-Substrat 320 in seiner gesamten Dicke durchgeätz ist und der Isolationsgraben 333 in einen parallel zu den Substratebenen verlaufenden Kanalabschnitt 16 mündet, was in 3b dargestellt ist. Dieser Kanalabschnitt 16 bildet zusammen mit dem Isolationsgraben 333 einen Druckanschlusskanal für den Hohlraum 31 der Drehratensensorkomponente 21. Über diesen Druckanschlusskanal 333, 16 kann nun ein Zieldruck im Hohlraum 31 eingestellt und eingeschlossen werden. Wie in den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde der Kanalabschnitt 16 auch hier zusammen mit der Standoff-Struktur 15 im Schichtaufbau 12 des ASIC-Bauelements 10 erzeugt. An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass der im Wesentlichen parallel zu den Substratebenen verlaufende Kanalabschnitt auch im MEMS-Substrat ausgebildet werden kann.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Isolationsgraben 333 mit einer dielektrischen Abschlussschicht 337 hermetisch dicht verschlossen, die unter vorgegebenen definierten Druckverhältnissen auf dem Kappenwafer 330 abgeschieden wird. 3c veranschaulicht, dass dabei auch der Druckanschlusskanal 333, 316 zum Hohlraum 31 wieder hermetisch verschlossen wird. Der Substratstempel 335 ist über die Bondverbindung 317 zwischen dem Kappenwafer 330 und dem MEMS-Bauelement 320 sowie den Durchkontakt 26 mechanisch und elektrisch an den Schichtaufbau 12 und die Verdrahtungsebenen 13 des ASIC-Bauelements 10 gekoppelt und die externe Kontaktierung des Substratstempels 335 erfolgt über eine Umverdrahtungsebene 38 und Lötballs 39 auf der dielektrischen Abschlussschicht 337.
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Wie bereits erwähnt, wird der Kappenwafer eines erfindungsgemäßen Bauteils vorteilhafterweise abgedünnt, was die Herstellung von Durchkontakten zur externen Bauteilkontaktierung vereinfacht. Da bei diesem Bauteilkonzept im ASIC-Bauelement keine Durchkontakte ausgebildet werden müssen, kann ein relativ dickes ASIC-Substrat verwendet werden, um einen stabilen Unterbau für die mikromechanischen Strukturkomponenten des MEMS-Bauelements zu schaffen.
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Vorteilhafterweise werden zumindest die beweglichen Strukturkomponenten des MEMS-Bauelements mechanisch nur an das ASIC-Bauelement 10 gekoppelt, so dass Stress, der bedingt durch die 2nd-Level-Montage über den Kappenwafer eingekoppelt wird, weitestgehend in das relativ dicke ASIC-Substrat eingeleitet wird und nicht in die mikromechanischen Strukturkomponenten des MEMS-Bauelements.
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Im Fall des Sensor-Bauteils 300 sind die Sensorstrukturen 21 und 22 durch die Gräben 24 von der Rahmenstruktur 25 und damit vom Verbindungsbereich 317 zwischen MEMS-Bauelement 320 und Kappenwafer 330 entkoppelt. Mechanische Spannungen, die über die Leiterplatte auf den Kappenwafer 330 eingekoppelt werden, werden hier über die Rahmenstruktur 25 an den Sensorstrukturen 21 und 22 vorbei auf das dicke ASIC-Substrat 10 übertragen und dort abgebaut, ohne die Funktion der Sensorstrukturen nennenswert zu beeinträchtigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012208031 [0003, 0003, 0005]
