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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Sensoreinheiten sind allgemein bekannt. Es ist beispielsweise bekannt, zwei Halbleiterbauelemente, die aus unterschiedlichen Wafern gebildet sind, in einem Waferbondprozess zu einer Sensoreinheit zusammenzufügen. Beispielsweise umfasst das eine Halbleiterbauelement eine Sensorstruktur und das andere Halbleiterbauelement einen integrierten Schaltkreis. Bei solchen bekannten Sensoreinheiten wird eine Detektion jedoch vergleichsweise stark durch äußere Störungen beeinflusst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinheit vorzuschlagen, bei welcher der Einfluss von externen Störeinflüssen – zum Beispiel thermomechanische und/oder mechanische Spannungen – auf eine Sensorstruktur der Sensoreinheit reduziert wird.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Sensoreinheit bereitgestellt wird, bei der eine Übertragung von thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen vom zweiten Halbleiterbauelement auf die Sensorstruktur so reduziert wird, dass die Detektionseigenschaften der Sensoreinheit verbessert werden. Insbesondere ist die Sensorstruktur bezüglich thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen von dem zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt. Insbesondere werden dabei die über die durch den Waferbondprozess hergestellte Waferverbindung zwischen den beiden Halbleiterbauelementen übertragenen Störungen reduziert. Erfindungsgemäß ist die Entkopplungsstruktur derart konfiguriert, dass die Sensorstruktur thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt ist. Entkopplung bedeutet insbesondere, dass mechanische und/oder thermomechanische Spannungen – beispielsweise auf Grund von Temperaturänderungen oder Verformungen des zweiten Halbleiterbauelements – auf die Sensorstruktur nicht übertragen werden oder nur in vernachlässigbarer Weise – d.h. im Hinblick auf eine Detektion durch die Sensoreinheit – übertragen werden. Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit ein über eine Bauelementverbindung mit dem ersten oder zweiten Halbleiterbauelement verbundenes drittes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Leiterplatte, wobei die Entkopplungsstruktur in diesem Fall derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur thermisch und/oder mechanisch auch von dem dritten Halbleiterbauelement entkoppelt ist.
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Insbesondere ist die Sensoreinheit in einem Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) – d.h. einer Verpackung für Halbleiterbauelemente, insbesondere Sensoren – integriert – d.h. in einem Chipgehäuse von der Größenordnung eines aus einem Wafer – beispielsweise durch Sägen oder Brechen – abgetrennten Halbleiter-Chips (Die). In vorteilhafter Weise wird die Stressempfindlichkeit – d.h. die Empfindlichkeit der Sensoreinheit gegenüber äußeren Störungen wie beispielsweise thermische und/oder mechanische Spannungen – bei erfindungsgemäßen WLCSP reduziert.
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Insbesondere ist die Sensoreinheit eine Inertialsensoreinheit und/oder eine Drucksensoreinheit. Beispielsweise ist die Sensoreinheit ein Barometer, Altimeter, ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor oder eine Kombination davon zur Verwendung in mobilen Telekommunikationsendgeräten, Smartphones, Tablet-PCs.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Entkopplungsstruktur eine Grabenstruktur aufweist, wobei sich die Grabenstruktur entlang einer zur Haupterstreckungsebene des ersten Substrats senkrechten Normalrichtung in das erste Substrat hinein – d.h. insbesondere nicht vollständig hindurch – oder vollständig durch das erste Substrat hindurch erstreckt.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Entkopplung in besonders effizienter Weise dadurch erreicht wird, dass die Steifigkeit des ersten Substrats durch Anpassung einer Grabenhöhe und/oder Grabentiefe gezielt einstellbar, um – im Hinblick auf die äußeren Störungen – die Entkopplung der Sensorstruktur von dem zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelement zu erreichen. Besonders bevorzugt weist die Entkopplungsstruktur eine Grabenstruktur auf, welche ein oder mehrere die Sensorstruktur umlaufende Gräben im ersten Substrat enthält. Bevorzugt weist die Sensoreinheit ein mikroelektromechanisches System (MEMS) auf, insbesondere ist die Sensorstruktur eine MEMS-Sensorstruktur mit einem MEMS-Sensorelement (MEMS-Kern). Die dabei entstehenden dünneren Bereiche – d.h. Bereiche geringerer Erstreckung des ersten Substrats (MEMS-Substrat) entlang der Normalrichtung – können die Verformung des zweiten Halbleiterbauelementes – welches beispielsweise einen Integrierten Schaltkreis (ASIC) aufweist – und/oder des dritten Halbleiterbauelements – welches beispielsweise eine Applikationsleiterplatte aufweist – aufnehmen bzw. absorbieren, während das Sensorelement der Sensorstruktur aufgrund seiner vergleichsweise großen Dicke und hohen Steifigkeit nahezu unverformt bleibt. Damit wird die Stabilität von Offset, Empfindlichkeit und weiteren (MEMS)-Sensorparametern gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Entkopplungsstruktur Koppelelemente zur Kopplung der Sensorstruktur an eine Festlandstruktur des ersten Substrats aufweist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur an die Festlandstruktur – insbesondere ausschließlich mittelbar – über Koppelelemente anzubinden, sodass die Entkopplung erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich die Grabenstruktur hauptsächlich parallel zur Haupterstreckungsebene des ersten Substrats erstreckt, wobei die Grabenstruktur die Sensorstruktur umgibt, wobei insbesondere die Grabenstruktur mäanderförmig oder rahmenförmig, insbesondere ringförmig, ist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass eine effiziente Entkopplung der Sensorstruktur erreicht wird. Insbesondere weist die Entkopplungsstruktur zusätzlich eine weitere Grabenstruktur auf. Insbesondere umschließt die weitere Grabenstruktur oder gemäß einer alternativen Ausführungsform die Grabenstruktur – bezüglich einer zur Normalrichtung parallelen Projektionsrichtung – einen Kontaktbereich der Waferverbindung und/oder einen weiteren Kontaktbereich der Bauelementverbindung. Insbesondere ist die weitere Grabenstruktur mäanderförmig. Insbesondere sind die Kontaktbereiche Lotbumps oder Bondpads.
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Wie bereits erwähnt, ist die Entkopplungsstruktur der erfindungsgemäßen Sensoreinheit so konfiguriert, dass die Sensorstruktur thermomechanisch und/oder mechanisch vom zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt ist. Eine derartige Entkopplung erweist sich nicht nur für die mikromechanische Sensorfunktion des ersten Halbleiterbauelements als vorteilhaft, sondern auch für die Funktion des zweiten Halbleiterbauelements, insbesondere, wenn es sich dabei um ein ASIC-Bauelement handelt. Die Waferverbindung zwischen den Halbleiterbauelementen einer Sensoreinheit der hier in Rede stehenden Art wird bevorzugt durch Silizium-Direktbonden oder eutektisches Bonden hergestellt. Bei diesen Bondverfahren werden die beiden zu verbindenden Wafer bei erhöhter Temperatur gegeneinander gepresst. Dabei werden Waferbows und Oberflächenrauhigkeiten durch einen relativ hohen Anpressdruck ausgeglichen. Da dieser Anpressdruck nur über die Bondkontaktstellen in die zu verbindenden Bauelemente eingeleitet wird, führt der Bondprozess zu einer ungleichmäßigen Druckbelastung der einzelnen Chipbereiche. Dies erweist sich insbesondere für ein ASIC-Bauelement als problematisch. Bei der ASIC-Prozessierung wird nämlich das Material der dielektrischen Isolationsschichten des ASIC-Schichtaufbaus im Hinblick auf eine möglichst niedrige Dielektrizitätszahl optimiert, um RC-Delays in den Leiterbahnen der Verdrahtungsebenen zu minimieren. Da die Dielektrizitätszahl umso kleiner ist, je poröser das dielektrische Material ist, werden zunehmend mechanisch fragile Materialien für die Isolationsschichten des ASIC-Schichtaufbaus verwendet. Deshalb besteht die Gefahr, dass die Funktionselemente des ASIC-Bauelements aufgrund der geringen mechanischen Stabilität der einzelnen Schichten des ASIC-Schichtaufbaus beim Bondprozess Schaden nehmen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Entkopplungsstruktur deshalb mindestens ein Membranelement, das eine Kaverne im Schichtaufbau des ersten Halbleiterbauelements überspannt und im Bereich über der Waferverbindung ausgebildet ist. Die Kaverne unter dem Membranelement kann abgeschlossen sein, sie kann aber auch über Druckausgleichsöffnungen an die Umgebung angeschlossen sein. Mit Hilfe eines solchen Membranelements über einer Kaverne im Schichtaufbau des MEMS-Halbleiterbauelements kann der für Bondprozesse notwendige hohe Anpressdruck lokal auf den Bondrahmen, d.h. den Verbindungsbereich, begrenzt werden, ohne dass die empfindlichen Schaltungselemente eines ASIC-Bauelements dadurch beschädigt werden. Die Auslenkung bzw. Deformation des Membranelements während des Bondprozesses verhindert nämlich, dass der Anpressdruck auf die Umgebung des Bondrahmens übertragen wird. Auf diese Weise tragen Membranelement und Kaverne zur mechanischen Entkopplung des Verbindungsbereichs von angrenzenden Chipbereichen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit bei. Die Membranelemente im Verbindungsbereich ermöglichen zudem eine gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks während des Bondprozesses und sorgen für einen Topographieausgleich, so dass das Auftreten von lokalen Kraftüberhöhungen vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur ein von dem ersten Substrat umfasstes Strukturelement und ein von einer Funktionsschicht des ersten Halbleiterbauelements umfasstes Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement über die Kopplungselemente mit dem ersten Substrat ausschließlich mittelbar verbunden ist, wobei insbesondere die Kopplungselemente aus dem ersten Substrat und/oder aus der Funktionsschicht gebildet sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine Kavität und/oder eine separate weitere Kavität aufweist, wobei die Kavität und/oder weitere Kavität zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbauelement angeordnet ist, wobei die Waferverbindung eine die Kavität und/oder weitere Kavität umschließende Bondrahmenstruktur aufweist, die derart konfiguriert ist, dass die Kavität und/oder die separate weitere Kavität hermetisch abdichtbar oder abgedichtet sind, wobei sich insbesondere ein Belüftungskanal durch das erste Substrat bis in die Kavität oder weitere Kavität erstreckt.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich eine Sensorstruktur mit einem in einer Kavität angeordneten Sensorelement von äußeren Störungen zu entkoppeln. Insbesondere ist es auch möglich, in besonders effizienter Weise zwei entkoppelte Sensorstrukturen in der Sensoreinheit zu realisieren, wobei jeweils eine Sensorstruktur einer Kavität zugeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur eine Drucksensorstruktur ist, wobei in dem ersten Substrat ein Drucksensorkanal angeordnet ist, wobei sich der Drucksensorkanal in die Sensoreinheit hinein bis zu einer Membran der Drucksensorstruktur erstreckt.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, wobei die Sensorstruktur des Drucksensors von mechanischen und/oder thermomechanischen Spannungen des zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelements entkoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine in dem ersten Substrat ausgebildete Durchkontaktierung, insbesondere Siliziumdurchkontaktierung, zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements der Sensorstruktur aufweist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine vergleichsweise kompakte Sensoreinheit bereitzustellen, bei welcher dennoch der Einfluss thermischer und/oder mechanischer Spannungen auf die Detektion vergleichsweise gering ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Entkopplungsstruktur eine mit einem Verfüllungsmaterial verfüllte Grabenstruktur ist, wobei das Verfüllungsmaterial insbesondere ein Polymermaterial, ist, wobei das Verfüllungsmaterial ein um wenigstens eine Größenordnung kleineres Schubmodul aufweist als ein Substratmaterial, insbesondere Siliziummaterial, des ersten Substrats.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur vor Verunreinigungen zu schützen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt
- – die Entkopplungsstruktur und/oder
- – ein Drucksensorkanal und/oder
- – ein Durchkontaktierungsloch und/oder
- – ein Belüftungskanal und/oder
- – eine Isolationsstruktur
durch zeitgesteuertes Ätzen, insbesondere durch reaktives Ionentiefätzen, und/oder mittels eines Laserstrahls in dem ersten Halbleiterbauelement, insbesondere dem ersten Substrat strukturiert werden.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auf vergleichsweise einfache Art und Weise die Entkopplungsstruktur und/oder den Drucksensorkanal und/oder das Durchkontaktierungsloch und/oder den Belüftungskanal und/oder die Isolationsstruktur in dem ersten Substrat auszubilden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt in dem ersten Halbleiterbauelement, insbesondere dem ersten Substrat,
- – die Entkopplungsstruktur und/oder
- – der Drucksensorkanal und/oder
- – das Durchkontaktierungsloch und/oder
- – der Belüftungskanal und/oder
- – die Isolationsstruktur
gleichzeitig gebildet werden.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensoreinheit mit entkoppelter Sensorstruktur unter vergleichsweise geringem Mehraufwand herzustellen. Durch die gleichzeitige Ausbildung verschiedener Strukturen der unterschiedlichen Anordnungen wird eine Verbesserung der Stressempfindlichkeit nahezu ohne zusätzliche Prozesskosten erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinheit zur Druckmessung konfiguriert, wobei die Sensorstruktur eine Drucksensorstruktur ist und das zweite Halbleiterbauelement eine, insbesondere als integrierten Schaltkreis (ASIC) ausgebildete, Auswertestruktur aufweist. Insbesondere wird das erste Halbleiterbauelement (Sensorchip) mittels der Flip-Chip(FC)-Technik auf dem zweiten Halbleiterbauelement (Auswerte-ASIC) montiert. Insbesondere wird das mit dem ersten Halbleiterbauelement verbundene zweite Halbleiterbauelement mittels FC-Technik auf das dritte Halbleiterbauelement (Leiterplatte) montiert. Bevorzugt weist die Entkopplungsstruktur eine Grabenstruktur ein oder mehrere Gräben auf, welche beispielsweise Nuten zur Spannungsentkopplung sind. Zusätzlich weist die Entkopplungsstruktur insbesondere Doppelbrückenelemente und/oder Membranelemente, insbesondere PorSi-Membranelemente, auf. Insbesondere sind die Membranelemente entlang einer zur Normalrichtung des ersten Substrats parallelen Projektionsrichtung unter den Kontaktbereichen angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen die 1 bis 22 Sensoreinheiten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Sensoreinheit 1 dargestellt, die als Drucksensor ausgebildet ist, wobei die Sensoreinheit 1 ein erstes Halbleiterbauelement 10 aufweist, welches mittels Flip Chip-Technik auf einem zweiten Halbleiterbauelement 20 befestigt ist. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 eine Sensorstruktur 12 und das zweite Halbleiterbauelement 20 eine Auswertestruktur 22, insbesondere einen integrierten Schaltkreis (ASIC) auf. Hier sind das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 mechanisch und elektrisch leitfähig über einen Kontaktbereich 41 miteinander verbunden. Hier weist die Auswertestruktur 22 eine Durchkontaktierung 23 auf, welche auch als Durchkontakt oder Siliziumdurchkontakt bezeichnet wird. Insbesondere ist die Durchkontaktierung 23 derart konfiguriert, dass ein Ausgangssignal der Sensorstruktur 12 auf eine Rückseite (in der Zeichnung die Unterseite) der Sensoreinheit 1 geführt wird. Über einen weiteren Kontaktbereich 41‘ kann das mit dem ersten Halbleiterbauelement 10 verbundene zweite Halbleiterbauelement 20 auf einem dritten Halbleiterbauelement 30 (beispielsweise auf eine Leiterplatte einer Schaltung wie in 3 dargestellt) gelötet werden.
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In 2 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht insbesondere im Wesentlichen der in 1 dargestellten Ausführungsform. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 zur Spannungsentkopplung zusätzlich eine erfindungsgemäße Entkopplungsstruktur 50 auf. Hier ist weist die Entkopplungsstruktur 50 eine Grabenstruktur 51 – insbesondere eine Nut – auf. Hier umgibt die Grabenstruktur 51 die Sensorstruktur 12 in einer Ebene, die parallel zur Haupterstreckungsebene 100 eines ersten Substrats 11 des ersten Halbleiterbauelements 10 ist. Eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen erste Richtung 101 wird hier als X-Richtung bezeichnet, eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele und zur X-Richtung senkrechte zweite Richtung 102 wird hier als Y-Richtung bezeichnet. Insbesondere ist die Entkopplungsstruktur 50 hier so konfiguriert, dass thermomechanische und/oder mechanische Oberflächenspannungen – welche beispielsweise über die weiteren Kontaktbereiche 41‘ von dem dritten Halbleiterbauelement 30 (siehe 3) auf das zweite Halbleiterbauelement 20 und/oder über die Kontaktbereiche 41 von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 auf das erste Halbleiterbauelement 10 übertragen werden – nicht direkt bis zur Sensorstruktur 12 übertragen. Das bedeutet, dass die Sensorstruktur 12 vom zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelement 20, 30 bezüglich der thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen weitgehend entkoppelt ist. Optional erstrecken sich die Nuten der Grabenstruktur 51 entlang der Normalrichtung 103 in das erste Halbleiterbauelement 10 hinein – d.h. nicht vollständig hindurch – oder vollständig durch das erste Substrat 11 und/oder eine Funktionsschicht 13 des ersten Halbleiterbauelements 10 hindurch.
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In 3 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das zweite Halbleiterbauelement 20 auf dem dritten Halbleiterbauelement 30, insbesondere eine Leiterplatte 30, befestigt ist. Insbesondere weist die Leiterplatte 30 hier einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der – insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen – größer ist als ein Temperaturausdehnungskoeffizient von Silizium. Durch Temperaturänderung können beispielsweise Schubkräfte (siehe Pfeile 200) an den weiteren Kontaktbereichen 41‘ – hier Bondpads – erzeugt werden, die zu mechanischen Spannungen im ersten und/oder zweiten Halbleiterbauelement 10, 20 führen. Ein Graben der Grabenstruktur 51, welcher insbesondere auch als Spannungsentkopplungsgraben 51 bezeichnet wird, erstreckt sich hier durch das gesamte erste Halbleiterbauelement 10 hindurch. In 5 und 6 sind entsprechende Ausführungsformen dieser Sensoreinheit 1 beispielhaft in einer Draufsicht dargestellt.
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In 4 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei die Entkopplungsstruktur 50 der Sensoreinheit 1 hier zusätzliche Membranelemente 55, insbesondere aus porösem Silizium (PorSi) bestehende Membranen, aufweist. Insbesondere überlappen die Membranelemente 55 – teilweise oder vollständig – entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung mit den Kontaktbereichen 41 und/oder weiteren Kontaktbereichen 41‘, so dass die thermisch und/oder mechanisch induzierten Spannungen außerhalb der Sensorstruktur 12, insbesondere außerhalb einer Drucksensormembran 123 der Sensorstruktur 12, relaxieren können. Insbesondere ragen die Membranelemente 55 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 des ersten Substrats 11 parallelen ersten Richtung 101 über eine Erstreckung der Kontaktbereiche 41 hinaus.
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In 5 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei hier die Grabenstruktur 51 um die Sensorstruktur 12 herum verläuft. Hier ist die Sensorstruktur 12 eine Drucksensorstruktur 12 mit einer Drucksensormembran 18 und einem Piezowiderstand 19. Hier weist die Grabenstruktur 51 eine Mäanderform auf und verläuft insbesondere nicht entlang einer geschlossenen Bahn um die Sensorstruktur 12 herum. Weiterhin weist die Sensoreinheit 1 eine Leiterbahnenstruktur 17‘ auf, welche zur elektrischen Kontaktierung der Sensorstruktur 12 vorgesehen ist. Insbesondere verlaufen Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur 17‘ zwischen den Nuten bzw. Gräben der Grabenstruktur 51. Die Drucksensormembran 18 wird hier insbesondere federelastisch an einer Festlandstruktur 11‘ des ersten Halbleiterbauelements 10 aufgehängt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur 12 gegenüber von außen aufgeprägte mechanische Spannungen zu entkoppeln, sodass kein oder fast keine mechanischen Spannungen auf die Sensorstruktur 12 übertragen werden. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Grabenstruktur 12 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 entlang des gesamten ersten Substrats 11.
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In 6 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei die Sensorstruktur 12 hier nicht mittig, sondern an versetzten Stellen an der Festlandstruktur 11‘ angebunden ist. Auf diese Weise werden hier effektive Befestigungsfedern in dem ersten Substrat 11 erzeugt, auf denen die Leiterbahnen 17‘ herausgeführt werden und die den Montagestress unterdrücken.
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In 7 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei hier die Grabenstruktur 51 die Kontaktbereiche 41 umgibt. Im Bereich der Kontaktbereiche 41 wird dadurch eine federelastische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbauelement 10, 20 erzeugt, sodass die Sensorstruktur 12 entkoppelt ist.
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In 8 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die Sensoreinheit 1 weist ein erstes Halbleiterbauelement 10 und ein zweites Halbleiterbauelement 20 auf. Das erste Halbleiterbauelement 10 umfasst ein erstes Substrat 11 und eine Funktionsschicht 13 – insbesondere eine polykristalline Siliziumfunktionsschicht. Die Funktionsschicht 13 umfasst ein Sensorelement 123, insbesondere ein mikroelektromechanisches Sensorelement 123 (MEMS-Sensorelement oder MEMS-Chip). Das Sensorelement 123 ist über ein Aufhängungselement 121 mit dem ersten Substrat 11 – insbesondere ausschließlich mittelbar – verbunden. Weiterhin ist insbesondere zwischen dem ersten Substrat 11 und der Funktionsschicht 13 eine weitere Schicht 13‘ mit einer Elektrodenstruktur 122 angeordnet, welche beispielsweise zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung einer beweglichen Struktur des Sensorelement 123 konfiguriert ist. Das zweite Halbleiterbauelement 20 umfasst ein zweites Substrat 21. Das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 sind über eine Waferverbindung 40 miteinander verbunden. Die Waferverbindung 40 umfasst einen Kontaktbereich 41 und eine Bondrahmenstruktur 42. Ferner ist das zweite Halbleiterbauelement 20 über weitere Kontaktbereiche 41‘ – insbesondere elektrisch leitfähig – mit einem dritten Halbleiterbauelement 30 – beispielsweise einer Leiterplatte – verbunden. Insbesondere weist das zweite Halbleiterbauelement 20 eine Auswertestruktur 22 – insbesondere einen integrierten elektronischen Schaltkreis – auf. Bevorzugt erstrecken sich durch das zweite Substrat 21 des zweiten Halbleiterbauelements Durchkontaktierungen 23 zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung der Auswertestruktur 22 – hier über die weiteren Kontaktbereiche 41‘ und ein Kontaktelement 23‘.
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Das erste Substrat 11 ist insbesondere ein Silizium-Substrat und weist hier eine Oxidschichtstruktur 13‘ und insbesondere eine in einer Leiterbahnebene angeordnete Elektrodenstruktur 122 auf. Aus der Funktionsschicht 13 ist hier beispielsweise ein Sensorelement 123 mit einer beweglichen MEMS-Struktur – beispielsweise für Beschleunigungs-, Drehraten- oder Magnetsensoren – ausgebildet. Das erste Halbleiterbauelement 10 weist insbesondere weitere Silizium-Funktionsschichten und Oxid-Isolationsschichten auf, welche beispielsweise durch Waferbondverfahren und anschließendes Rückschleifen aufgebracht werden (nicht dargestellt).
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Das zweite Halbleiterbauelement 20 umfasst insbesondere einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS), welcher das zweite Substrat 21 mit dotierten Halbleiterschichten 24 zur Realisierung der elektrischen Schaltkreise und einem Metal-Oxide-Stack mit der Auswertestruktur 22, insbesondere zur Verdrahtung und zur Realisierung von Kapazitäten, umfasst. Das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 werden beispielsweise über ein metallisches Waferbondverfahren miteinander verbunden, insbesondere durch eutektisches Bonden von Aluminium mit Germanium. Dabei wird beispielsweise auf der Auswertestruktur 22 eine oberste Aluminium-Verdrahtungsebene als Bondoberfläche genutzt und Germanium auf dem ersten Halbleiterbauelement 10 als oberste Schicht abgeschieden. Die beiden Wafer werden dann bei Temperaturen oberhalb von 430°C mit hinreichendem Druck zusammen gepresst, so dass eine eutektische flüssige Phase entsteht. Die Waferverbindung 40 umfasst dann eine Aluminium-Germanium-Verbindung, welche bewirkt, dass mittels einer umlaufenden Bondrahmenstruktur 42 eine hermetische Kapselung des Sensorelements 123 realisiert wird und insbesondere ein elektrische leitfähiger Kontaktbereich 41 zwischen erstem und zweitem Halbleiterbauelement 10, 20 ausgebildet wird. Andere metallische Bondverfahren wie Kupfer-Zinn-Bonden oder thermokompressive Verfahren sind in analoger Weise realisierbar.
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In 9 ist eine Sensoreinheit 1, die keine Entkopplungsstruktur 50 aufweist, verzerrt dargestellt, um eine Verbiegung bzw. Deformation der Sensoreinheit 1 zu illustrieren, die beispielsweise dann entstehen kann, wenn das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 zur Verbindung mit dem dritten Halbleiterbauelement 30 zusammengepresst wird. Die Sensoreinheit 1 wird hier im Bereich eines freitragenden MEMS-Elements des Sensorelements 123 auf andere Weise verformt als in einem Bereich der Elektrodenstruktur 122. Bei einer kapazitiven Auswertung ändert sich somit der Abstand zwischen einem beweglichen MEMS-Element und der Elektrodenstruktur 122. Durch die erfindungsgemäße Entkopplungsstruktur wird in vorteilhafter Weise eine aus einer Verbiegung resultierende Drift – z. B. von Empfindlichkeit, Offset und anderen Detektionsgrößen – durch eine Entkopplung der Sensorstruktur 12 (siehe 10) weitgehend vermieden.
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In 10 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in 8 bis 9 dargestellten Ausführungsformen entspricht. Hier weist das erste Substrat 11 eine Entkopplungsstruktur 50 auf, wobei die Entkopplungsstruktur 50 eine Grabenstruktur 51 umfasst. Die Grabenstruktur 51 erstreckt sich hier entlang einer zu einer Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung vollständig durch das erste Substrat 11 hindurch. Insbesondere erstreckt sich die Grabenstruktur hauptsächliche entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Ebene. Hier weist die Grabenstruktur 51 eine Form eines umlaufenden Rechtecks oder Rings auf (siehe beispielsweise die in 11 dargestellte Draufsicht). Insbesondere umfasst das erste Halbleiterbauelement 10 in der Funktionsschicht 13 Kopplungselemente 52 zur Verbindung der Sensorstruktur 12 mit einer Festlandstruktur 11‘ des ersten Substrats 11. Bevorzugt ist eine Biegesteifigkeit des ersten Substrats 11 im Bereich der Kopplungselemente 52 gegenüber einer Biegesteifigkeit des ersten Substrats 11 im Bereich der Festlandstruktur 11‘ reduziert. Die Entkopplungsstruktur 50 ist insbesondere so konfiguriert, dass eine von außen aufgeprägte Verbiegung oder Deformation der Sensoreinheit 1 weitgehend absorbiert wird und ein von der Grabenstruktur 51 umschlossenes Strukturelement 120 der Sensorstruktur 12 im Wesentlichen nicht verbogen wird – d.h. entkoppelt ist. In 12 ist beispielhaft eine solche Verbiegung dargestellt. Insbesondere wird hierdurch ein Einfluss mechanischer und/oder thermomechanischer Spannungen sowohl auf das Strukturelement als auch auf das Sensorelement 123 – und somit auf die gesamte Sensorstruktur 12 mitsamt Aufhängungselement 121 und die in der Leiterbahnebene angeordnete Elektrodenstruktur 122 so stark reduziert, dass eine Detektion mittels der Sensoreinheit 1 durch externe Störungen nicht oder zumindest sehr viel weniger als beim Stand der Technik gestört wird. In Abhängigkeit von der Grabenbreite eines umlaufenden Grabens der Grabensstruktur 51 und der Breite und/oder Höhe der Kopplungselemente 52 ist eine Steifigkeit der Entkopplungsstruktur gezielt anpassbar bzw. einstellbar.
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In 11 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt. Das erste Substrat 11 weist hier einen die Sensorstruktur 12 in einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Ebene umgebende Grabenstruktur 51 auf. Hier ist die Grabenstruktur innerhalb der Bondrahmenstruktur 42 angeordnet. Insbesondere weist die Bondrahmenstruktur 42 ein eutektisches Material auf. Insbesondere überlappt gemäß der hier dargestellten Ausführungsform die Grabenstruktur 51 mit einem oder mehreren weiteren Kontaktbereichen 41‘ der Bauelementverbindung 40‘.
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In 13 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der in 13 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Grabenstruktur 51 entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung in das erste Substrat 11 des ersten Halbleiterbauelement 10 hinein, aber insbesondere nicht durch das erste Substrat 11 hindurch. Bevorzugt beträgt eine sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckende Grabentiefe der Grabenstruktur 51 zwischen 60% und 100%, besonders bevorzugt zwischen 70% und 90%, ganz besonders bevorzugt ungefähr 80%, einer sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckenden Substratdicke des ersten Substrats 11. In diesem Fall erstrecken sich die Kopplungselemente 52 ausschließlich in dem ersten Substrat 11 – d.h. zusätzliche Koppelemente in einer Funktionsschicht – wie beispielsweise in 10 dargestellt – sind in der hier gezeigten Ausführungsform nicht vorgesehen.
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In 14 bis 20 sind Sensoreinheiten 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 14 ist eine Sensoreinheit 1 dargestellt, wobei das erste Halbleiterbauelement 10 hier eine Sensorstruktur 12 und eine separate weitere Sensorstruktur 12‘ aufweist, wobei die Entkopplungsstruktur 50 hier eine Teilstruktur 50‘ und eine weitere Teilstruktur 50‘‘ umfasst, wobei die Teilstruktur 50‘ derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur 12 thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 entkoppelt ist, wobei die weitere Teilstruktur 50‘‘ derart konfiguriert ist, dass die weitere Sensorstruktur 12‘ thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 entkoppelt ist.
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Weiterhin umfasst hier die weitere Sensorstruktur 12‘ insbesondere ein weiteres Sensorelement 123‘. Das Sensorelement 123 der Sensorstruktur 12 und das weitere Sensorelement 123‘ der weiteren Sensorstruktur 12‘ sind hier in zwei voneinander hermetisch getrennten Kavernen 60, 60‘ angeordnet, wobei die Sensorstruktur 12 einer Kaverne 60 und die weitere Sensorstruktur 12‘ einer weiteren Kaverne 60‘ der beiden Kavernen 60, 60‘ zugeordnet ist. Beispielsweise ist die Sensorstruktur 12 zur Detektion von Beschleunigungen konfiguriert und die weitere Sensorstruktur 12‘ zur Detektion von Drehraten konfiguriert. Die hermetische Trennung der beiden Kavernen 60, 60‘ wird hier mittels eines Bondstegs 42‘ der Bondrahmenstruktur 42 erreicht (15).
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Insbesondere weisen die beiden Kavernen 60, 60‘ unterschiedliche Innendrücke auf, wobei ein Innendruck der weiteren Kaverne 60‘ mittels eines Reseal-Prozesses eingestellt wird. Zu diesem Zweck weist die weitere Kaverne 60‘ ein sich parallel zur Normalrichtung 103 durch das erste Substrat 11 hindurch erstreckendes Belüftungsloch 16 auf, welches bei einer fertiggestellten Sensoreinheit mittels eines Verschlusses 162 versiegelt ist. Insbesondere ist auf dem Verschluss 162 ein Metallfilm 161 angeordnet. Weiterhin weist die Sensoreinheit einen ersten und zweiten Durchgangsbereich 61, 62 auf. In 15 ist die in 14 dargestellte Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt.
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In 16 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in 10 dargestellten Ausführungsform entspricht. Die Sensoreinheit 1 ist hier als Drucksensoreinheit ausgebildet und weist einen Drucksensorkanal 14 auf. Der Drucksensorkanal 14 erstreckt sich entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung durch das erste Substrat 11 hindurch bis hin zu einem Membran 18 der Sensorstruktur 12.
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In 17 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in 10 dargestellten Ausführungsform entspricht. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 den weiteren Kontaktbereich 41‘ zur Verbindung mit einem dritten Halbleiterbauelement 30 auf. Der weitere Kontaktbereich 41‘ ist hier mit dem ersten Substrat 11 verbunden. Hier ist die Auswertestruktur 22 elektrisch leitfähig – insbesondere über in einer Schicht 23‘‘ angeordnete Kontaktelemente 23‘, eine in einem Durchkontaktierungsloch 15‘ angeordnete Durchkontaktierung 15 und einen Kontaktbereich 41 – mit dem weiteren Kontaktbereich 41‘ verbunden. Hier erstreckt sich das Durchkontaktierungsloch 15‘ durch das erste Substrat 11 hindurch. In 18 ist die Sensoreinheit 1 gemäß 17 dargestellt, wobei die Sensoreinheit 1 hier das erste, zweite und dritte Halbleiterbauelement 10, 20, 30 umfasst. Hier ist das erste Halbleiterbauelement 10 mit dem dritten Halbleiterbauelement 30 elektrisch leitfähig über die weiteren Kontaktbereiche 41‘ verbunden.
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In 19 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den anderen Ausführungsformen, wobei hier das zweite Halbleiterbauelement 20 als Kappe oder Gehäuse der Sensoreinheit 1 ausgebildet ist.
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In 20 ist eine eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den anderen Ausführungsformen, wobei hier die Grabenstruktur 51 der Entkopplungsstruktur 50 ein Verfüllungsmaterial aufweist, wobei das Verfüllungsmaterial 54 insbesondere ein Polymermaterial, ist, wobei das Verfüllungsmaterial 54 ein um wenigstens eine Größenordnung kleineres Elastizitätsmodul aufweist – d.h. weicher ist – als ein Substratmaterial, insbesondere Siliziummaterial, des ersten Substrats 11.
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In 21 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die Sensoreinheit 1 umfasst ein MEMS-Bauelement 10 mit einer Sensorstruktur und ein ASIC-Bauelement 20 mit einer Auswerteschaltung 22 für die Sensorfunktion des MEMS-Bauelements 10. In der Funktionsschicht 13 über dem Substrat 11 des MEMS-Bauelements 10 ist ein auslenkbares Sensorelement 123 ausgebildet, das über ein Aufhängungselement 121 mit dem MEMS-Substrat 11 verbunden ist. Die Auslenkungen des Sensorelements 123 werden kapazitiv erfasst mit Hilfe einer Elektrodenstruktur 122, die in einer weiteren Schicht 13‘ zwischen dem MEMS-Substrat 11 und der Funktionsschicht 13 ausgebildet ist. Das MEMS-Bauelement 10 und das ASIC-Bauelement 20 sind über eine Waferverbindung 40 miteinander verbunden. Die Waferverbindung 40 umfasst einen Kontaktbereich 41 zur elektrischen Kontaktierung der MEMS-Sensorfunktion und eine Bondrahmenstruktur 42. Die elektrischen Signale der ASIC-Auswerteschaltung 22 werden über Durchkontaktierungen 23 im ASIC-Substrat 21 auf die Rückseite des ASIC-Bauelements 20 geführt, wo dieses über Lotballs 41‘ mit einer Leiterplatte 30 verbunden ist.
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Bei der Waferverbindung 40 zwischen dem MEMS-Bauelement 10 und dem ASIC-Bauelement 20 handelt es sich beispielsweise um eine eutektische Bondverbindung von Aluminium mit Germanium. Dazu kann beispielsweise eine oberste Aluminium-Verdrahtungsebene des ASIC-Bauelements 20 als Bondoberfläche genutzt werden und eine Germaniumschicht auf dem MEMS-Bauelement 10 abgeschieden werden. Die beiden Wafer werden dann bei Temperaturen oberhalb von 430°C mit einem relativ hohen Anpressdruck zusammen gepresst, so dass eine eutektische flüssige Phase entsteht. Auf diese Weise wird eine hermetisch dichte Aluminium-Germanium-Verbindung im Bereich der umlaufenden Bondrahmenstruktur 42 erzeugt, so dass das Sensorelement 123 hermetisch verkappt ist. Andere metallische Bondverfahren wie Kupfer-Zinn-Bonden oder thermokompressive Verfahren sind in analoger Weise realisierbar.
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Erfindungsgemäß umfasst die Entkopplungsstruktur der in 21 dargestellten Sensoreinheit ein Membranelement 55, das eine Kaverne 56 im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 überspannt und im Bereich über der Waferverbindung 40, und zwar über dem Bondrahmen 42, ausgebildet ist. Diese Kaverne 56 wurde vor der eigentlichen MEMS-Prozessierung im MEMS-Substrat 11 erzeugt. Zur Definition von Position, Form und Ausdehnung der Kaverne 56 wurde das MEMS-Substrat 11 zunächst mit einer Dotierung 57 versehen, die als Begrenzung für einen APSM-Prozess dient. Mit diesem Prozess wurde dann die Kaverne 56 erzeugt und das Membranelement 55 freigelegt. Auf dem so vorprozessierten MEMS-Substrat 11 wurde schließlich der Schichtaufbau mit der mikromechanischen Sensorstruktur erzeugt. Mit Hilfe des Membranelements 55 bzw. der vergrabenen Kaverne 56 kann der für den Waferbondprozess erforderliche Anpressdruck lokal auf den Bereich des Bondrahmens 42 begrenzt werden, um die empfindlichen Schaltungselemente des ASIC-Bauelements 20 zu schützen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Membran 55 durch den Anpressdruck während des Bondprozesses ausgelenkt wird, bis die Rückstellkraft der anliegenden äußeren Kraft entspricht. Dadurch wird auch eine sehr gute Verteilung des Anpressdrucks über den gesamten Bondbereich erreicht. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Position und Ausdehnung des Membranelements 55 bzw. der Kaverne 56 auch so gewählt werden können, dass die Kaverne 56 beim Vereinzelungsprozess seitlich geöffnet wird und somit ein noch flexiblerer Überhang entsteht. Die Öffnung der Kaverne 56 kann aber auch im Rahmen der Strukturierung des MEMS-Bauelements 10, beispielsweise in einem Trenchprozess erfolgen.
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22 zeigt eine alternative Realisierungsmöglichkeit für ein Membranelement 55, das eine Kaverne 56 im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 überspannt und im Bereich über der Waferverbindung 40, und zwar über dem Bondrahmen 42, ausgebildet ist. Die Kaverne 56 befindet sich hier zwischen dem MEMS-Substrat 11 und der Funktionsschicht 13. Sie wurde in einem Opferschichtätzprozess im Schichtaufbau auf dem MEMS-Substrat 11 angelegt und anschließend in einem Trenchprozess geöffnet, bei dem Druckausgleichsöffnungen 58 in der Funktionsschicht 13 erzeugt wurden.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
