-
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
-
Stand der Technik
-
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen mit Inertialsensoren auf Siliziumbasis erläutert.
-
Der Markt für Inertialsensoren wurde in den letzten zwei Jahrzehnten durch die Einführung von mikrosystemisch gefertigten Sensorvorrichtungen stark verändert. Dadurch konnten Inertialsensoren in einer großen Anzahl kostengünstig gefertigt werden. Heutzutage unterliegen diese Bauteile weiterhin einem starken Kostendruck. Hinzu kommt der Trend, die Inertialsensoren mit weiteren Sensoren, zum Beispiel Magnetfeldsensoren, in einem einzigen Bauteil zu integrieren. Dadurch entstehen sogenannte Multi DOF-Sensoren (Sensoren mit vielen Freiheitsgraden).
-
Heutzutage werden diese Multi DOF-Sensoren durch Stapeln der einzelnen Sensorchips gebildet. Dabei werden die elektrischen Verbindungen der Sensorchips untereinander auf der Basis von Drahtbonds hergestellt.
-
Mikromechanische Sensorvorrichtungen zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind allgemein bekannt. Beschleunigungs- und Drehratensensoren und ebenso Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren werden bereits als Kombi-Sensoren (6d) hergestellt, und darüber hinaus gibt es erste 9d-Module, bei denen jeweils 3-achsige Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren in einer einzigen Sensorvorrichtung kombiniert werden.
-
Es sind Verfahren der so genannten vertikalen Integration oder Hybridintegration oder 3D-Integration bekannt, bei denen mindestens ein MEMS- und ein Auswerte ASIC-Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, beispielsweise aus der
US 7 250 353 B2 oder der
US 7 442 570 B2 . Besonders attraktiv sind diese vertikalen Integrationsverfahren in Kombination mit Silizium-Durchkontaktierungen und Flip-Chip-Technologien, wodurch die externe Kontaktierung als „bare die-Modul“ oder „chip scale package“, also ohne Plastikumverpackung erfolgen kann, wie z. B. aus der
US 2012/0049299 A1 oder der
US 2012/0235251 A1 bekannt. Da jedoch Silizium nicht elektrisch isolierend ist, muss der elektrisch leitende vertikale Kontakt durch geeignete Maßnahmen vom Silizium elektrisch isoliert werden. Dies bedeutet einen zusätzlichen Prozessaufwand.
-
Die
US 2013/0001710 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bilden einer MEMS-Sensorvorrichtung, wobei ein Handlingwafer an einen MEMS-Wafer über eine dielektrische Schicht gebondet wird. Nach Strukturierung des MEMS-Wafers, um die mikromechanische Sensorvorrichtung zu bilden, wird ein CMOS-Wafer auf den MEMS-Wafer mit der Sensorvorrichtung gebondet. Am Ende des Prozesses kann der Handlingwafer durch Ätzen oder Rückschleifen, falls erforderlich, weiter bearbeitet werden.
-
Die
US 8,096,147 B2 offenbart Verfahren zum Herstellen eines photoaktiven Substrats, welches für strukturierte Glasstrukturen geeignet ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, das Sensorsubstrat bzw. die Verkappung aus Glas zu fertigen, wodurch es beispielsweise möglich ist, den Schritt des elektrischen Isolierens von Durchkontaktierungen wegzulassen. Zudem ergeben sich geringere Parasitärkapazitäten, und darüber hinaus lassen sich Glassubstrate kostengünstiger herstellen. Mit modernen Technologien lassen sich Glas-Durchkontaktierungen mit hinreichend kleinem Pitch fertigen.
-
Der Aufbau wird einfacher und kostengünstiger. Zudem ermöglicht der Prozess einen niedrigen Kaverneninnendruck, indem auf ausgasende Schichtabscheidungen verzichtet werden kann, sowie eine größere Designfreiheit, da auf Opferschichtätzen verzichtet werden kann und die heute notwendigen Perforationen der funktionalen mikromechanischen Schicht entfallen können.
-
Glas besitzt zudem eine hohe mechanische Stabilität, um mechanische Einflüsse vom Sensorkern abzuschirmen. Es besteht die Möglichkeit, Bondpads über der aktiven Fläche der Sensorvorrichtung zu platzieren und elektrische Signale durch den gesamten Sensorchip durchzuschleusen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das erste Glassubstrat und/oder das zweite Glassubstrat erste Durchkontaktierungen auf, welche elektrisch mit der mikromechanischen Funktionsschicht verbunden sind. Diese lassen sich einfach, ohne weitere Isolationsmaßnahmen, im Glas herstellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die ersten Durchkontaktierungen aus einem Metall gebildet, wobei sie einen Durchmesser im Bereich 10 bis 50 Mikrometer aufweisen. So lässt sich eine platzsparende Anordnung einfach bilden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mikromechanische Funktionsschicht über eine elektrisch leitfähige Elektrodenschicht mit der ersten Vorderseite des Glassubstrats verbunden. Diese Elektrodenschicht dient vorteilhafterweise zur Umverdrahtung und Verteilung der elektrischen Signale.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Elektrodenschicht aus Polysilizium, Polygermanium, Polysilizium-Polygermanium gebildet. Diese Materialien weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und lassen sich einfach abscheiden und strukturieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mikromechanische Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium oder Germanium gebildet. So lässt sich eine stabile Sensorschicht herstellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht und der Elektrodenschicht eine Isolationsschicht gebildet. Diese ermöglicht eine elektrische Isolation und kann als Bondschicht bei der Herstellung dienen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zweite Durchkontaktierungen in der mikromechanischen Funktionsschicht und der Isolationsschicht gebildet, über die die mikromechanische Funktionsschicht elektrisch mit der Elektrodenschicht verbunden ist. So lässt sich die mikromechanische Funktionsschicht über die Elektrodenschicht und die ersten Durchkontaktierungen elektrisch an die Rückseite des Glassubstrats anschließen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das zweite Glassubstrat ein oder mehrere Vertiefungen an der zweiten Vorderseite auf. Diese ermöglichen einen Bewegungsspielraum für die Sensorstruktur.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
2a)–m) schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Sensorvorrichtung nach 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein erstes elektrisch isolierendes Glassubstrat, welches eine erste Vorderseite V1 und eine Rückseite R1 aufweist. Elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen 1a’, 1b’, 1c’, 1d’, welche beispielsweise aus einem Metall bestehen, vorzugsweise Kupfer, verlaufen durch das erste Glassubstrat 10 von dessen Vorderseite V1 zu dessen Rückseite R1. Auf der Vorderseite V1 ist eine strukturierte Elektrodenschicht 15 gebildet, welche bereichsweise in elektrischem Kontakt mit den Durchkontaktierungen 1a’, 1b’, 1c’, 1d’ steht. Die Elektrodenschicht 15 besteht beispielsweise aus dotiertem Polysilizium, Polygermanium oder Polysilizium-Polygermanium. Eine typische Schichtdicke der Elektrodenschicht 15 sind 1–5 µm.
-
Auf der Elektrodenschicht 15 ist eine strukturierte Isolationsschicht 25, beispielsweise aus Siliziumdioxid, vorgesehen. Auf der Isolationsschicht 25 ist eine mikromechanische Funktionsschicht 20 aus einkristallinem Silizium vorgesehen, in der ein beweglicher Sensorbereich SE strukturiert ist. Der Sensorbereich SE ist über einen Verankerungsbereich V auf der Isolationsschicht 25 verankert.
-
Auf die mikromechanische Funktionsschicht 20 gebondet ist ein zweites elektrisch isolierendes Glassubstrat 30, wobei dessen Vorderseite V2 zur mikromechanischen Funktionsschicht 20 gerichtet ist und dessen Rückseite R2 nach außen gerichtet ist. Das zweite Glassubstrat 30 weist eine Ausnehmung 30a umgeben von Stützbereichen 30b auf, wobei sich die Stützbereiche 30b auf der mikromechanischen Funktionsschicht 20 abstützen. Somit ist die Sensorvorrichtung SE in einer Kaverne K mit bestimmten Innendruck (je nach Anwendung) hermetisch verschlossen.
-
Weitere Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c verlaufen von der Vorderseite V2 des zweiten Glassubstrats 30 durch die mikromechanische Funktionsschicht 20 und durch die Isolationsschicht 25 hindurch zur Elektrodenschicht 15.
-
Weiterhin weist das zweite Glassubstrat 30 ebenfalls eine Durchkontaktierung 31’ auf, welche von dessen Vorderseite V2 zu dessen Rückseite R2 verläuft. Durch das Vorsehen der Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c sowie der Durchkontaktierung 1a’, 1b’, 1c’, 1d’, 31’ des ersten Gassubstrats 10 bzw. des zweiten Glassubstrats 30 lassen sich elektrische Signale vom Sensorbereich SE zur ersten Rückseite 1 bzw. zweiten Rückseite R2 leiten.
-
Wie anhand der Durchkontaktierungen 31’, 21c und 1d’ dargestellt ist, lassen sich elektrische Signale sogar durch die gesamte mikromechanische Sensorvorrichtung von der ersten Rückseite R1 zur zweite Rückseite R2 leiten.
-
Die mikromechanische Sensorvorrichtung lässt sich mit geringen Dimensionen herstellen, wobei eine Dicke des ersten und zweiten Glassubstrats 10, 30 üblicherweise in der Größenordnung 50300 µm liegen kann. Die Durchkontaktierungen 1a’, 1b’, 1c’, 1d’, 31’ haben üblicherweise einen Durchmesser von 10–50 µm.
-
Die Dicke der Elektrodenschicht beträgt üblicherweise 1–5 µm. Die Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c weisen typischerweise einen Durchmesser von 5–15 µm auf. Die Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht 20 liegt üblicherweise zwischen 10 und 30 µm. Somit lassen sich Gesamtdicken zwischen 250 und 500 µm typischerweise realisieren.
-
2a)–m) sind schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Sensorvorrichtung nach 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Wie in 2a) dargestellt, wird zunächst das erste Glassubstrat 10 mit der ersten Vorderseite V1 und der ersten Rückseite R1 bereitgestellt.
-
Durch einen Belichtungsschritt werden in dem ersten Glassubstrat Belichtungsgräben 1a, 1b, 1c, 1d an den Orten vorgesehen, wo später die Durchkontaktierungen verlaufen sollen. Die Belichtungsgräben 1a, 1b, 1c, 1d erstrecken sich von der ersten Vorderseite V1 ausgehend in das erste Glassubstrat 10 hinein, ohne es jedoch vollständig zu durchsetzen.
-
In einem darauffolgenden Prozessschritt, welcher in 1c) illustriert ist, wird die Elektrodenschicht 15 auf der ersten Vorderseite V1 abgeschieden und strukturiert. Die Elektrodenschicht 15 besteht beispielsweise aus Polysilizium, Polygermanium oder Polysilizium-Polygermanium. Die erhöhte Temperatur während der Abscheidung der Elektrodenschicht 15 führt gleichzeitig zur Kristallisation des photostrukturierbaren Glassubstrats 10 in den Belichtungsgräben 1a, 1b, 1c, 1d.
-
Die Elektrodenschicht 15 ist derart strukturiert, dass sie jeweils über einen Bereich mit einem Belichtungsgraben 1a, 1b, 1c, 1d in Kontakt steht, welcher später die Durchkontaktierung durch das erste Glassubstrat 10 bildet.
-
Weiter mit Bezug auf 2d) wird ein Siliziumwafer 20’ bereitgestellt, welcher einseitig zum Bilden einer Isolationsschicht 25 oxidiert ist. Eine typische Schichtdicke der Isolationsschicht 25 beträgt 1 µm.
-
Durch einen Ätzprozess werden Vorsprünge VS und Ausnehmungen AN der Oxidschicht 25 gebildet. Anschließend wird der Siliziumwafer 20’ erneut oxidiert, wobei eine Opferschicht 25a aus Siliziumdioxid in den Ausnehmungen AN auf dem Siliziumwafer 20’ gebildet wird. Die Opferschicht weist typischerweise eine Dicke von 100 nm auf.
-
Wie in 2e) dargestellt, werden dann die Vorsprünge VS der Isolationsschicht 25 in einem Direktbondverfahren auf die Elektrodenschicht 15 an der ersten Vorderseite V1 des ersten Glassubstrats 10 gebondet. Das Direktbondverfahren hat den Vorteil, dass keine verfließenden oder ausgasenden Schichten verwendet werden und sich ein kleiner Bondrahmen mit präziser Höhe herstellen lässt. Weiterhin wird nach dem Direktbonden der Siliziumwafer 20’ auf eine Dicke von typischerweise 20 µm mittels Grinding und Chemical/Mechanical Polishing gedünnt, um so die mikromechanische Funktionsschicht 20 zu bilden.
-
Die feinen Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c, welche die mikromechanische Funktionsschicht 20 und die Isolationsschicht 25 besetzen und auf der Elektrodenschicht 15 enden, werden anschließend gemäß 2f) hergestellt. Diese feinen Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c sorgen für eine effektive Flächennutzung der In-Plane-Messkapazitäten. Zu deren Bilden wird zunächst ein jeweiliges Loch mittels reaktiven Ionenätzen durch die mikromechanische Funktionsschicht 20 geätzt, wobei der Ätzprozess vorteilhafterweise nur auf der Isolationsschicht 25 aus Siliziumdioxid stoppt. Nach Erreichen der Isolationsschicht 25 wird die Isolationsschicht 25 in einem weiteren Ätzschritt geöffnet und die Elektrodenschicht 15 freigelegt. Ein elektrisch leitendes Material, wie zum Beispiel Wolfram, wird in einem CVD-Prozess abgeschieden, wobei die Ätzlöcher gefüllt werden. Mittels CMP wird das restliche leitfähige Material von der mikromechanischen Funktionsschicht 20 entfernt, so dass das leitfähige Material nur noch in den Durchkontaktierungen 21a, 21b, 21c vorliegt.
-
Weiterhin mit Bezug auf 2g) wird die bewegliche Sensorstruktur SE, welche von umgebenden mechanisch-funktionalen Bereichen umgeben ist, durch einen reaktiven Ionenätzschritt gebildet, welcher ebenfalls vorteilhafterweise auf der Isolationsschicht 25 stoppt. Weiter mit Bezug auf 2h) wird die Opferschicht 27a in einem kurzen Gasphasen-Ätzschritt mit Flusssäure entweder vollständig entfernt oder nur innerhalb der Perforationen, wodurch der Unterseite der beweglichen Sensorstruktur SE verbleibt. Im vorliegenden Beispiel wird die Opferschicht 27a vollständig entfernt.
-
Weiter mit Bezug auf 2i) wird das zweite elektrisch isolierende Glassubstrat 30 mit der zweiten Vorderseite V2 und der zweiten Rückseite R2 hergestellt. Die Ausnehmungen 30a und die Stützbereiche 30b, welche den Bondrahmen bilden, werden in einem Ätzschritt erzeugt. Durch Belichten wird ein Belichtungsgraben 31, welcher von der zweiten Vorderseite V2 ausgeht, im zweiten Glassubstrat 30 an einem Bereich erzeugt, wo später ebenfalls eine Durchkontaktierung vorhanden sein soll.
-
Wie in 2j) dargestellt, wird das strukturierte zweite Glassubstrat 30 mittels einem Direktbondschritt als Verkappung auf die mikromechanische Funktionsschicht 20 gebondet. Dieser Bondschritt wird bei einem möglichst niedrigen Druck durchgeführt, um den für den Sensor, beispielsweise Drehratensensor, vorteilhaft niedrigen Kaverneninnendruck einzuschließen. Der so erhaltene Schichtstapel wird anschließend bei hoher Temperatur getempert. Dabei kristallisiert der Belichtungsgraben 31 des zweiten Glassubstrats 30, und die Bondfestigkeit der beiden Bondverbindungen steigt in vorteilhafter Weise. Die bewegliche Sensorstruktur SE ist nunmehr hermetisch in einer Kaverne eingeschlossen.
-
In einem weiteren Prozessschritt, der in 2k) illustriert ist, werden das erste Glassubstrat 10 und das zweite Glassubstrat 30 an ihrer jeweiligen Rückseite R1, R2 auf eine vorgegebene Zieldicke, beispielsweise 150 µm, zurückgeschliffen, wobei die Belichtungsgräben 1a, 1b, 1c, 1d und 31 im ersten bzw. zweiten Glassubstrat 10, 30 ebenfalls angeschliffen werden.
-
Wie in 2l) dargestellt, werden dann die belichteten und kristallisierten Bereiche in den Belichtungsgräben 1a, 1b, 1c, 1d, 31 in einem Ätzschritt mittels Flusssäure entfernt bzw. geöffnet. In diesem HF-Ätzschritt werden die belichteten kristallisierten Bereiche zwanzig Mal schneller geätzt als die amorphe Rückseite R1 bzw. R2. Weiterhin ist das chemische Ätzverfahren mittels Flusssäure gut geeignet, um kontrolliert und selektiv auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 15 bzw. der mikromechanischen Funktionsschicht 20 zu stoppen, ohne eine Beschädigung dabei hervorzurufen.
-
In einem abschließenden Prozessschritt, der in 2m) illustriert ist, wird die Metallisierung der Durchkontaktierungen 1a’, 1b’, 1c’, 1d’, 31’ gebildet. Dies kann in einem üblichen Prozess erfolgen, beispielsweise durch Abscheiden einer Haft-/Startschicht und eine anschließende Kupfermetallisierung.
-
Somit ist die in 1 beschriebene mikromechanische Sensorvorrichtung fertiggestellt.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 7250353 B2 [0006]
- US 7442570 B2 [0006]
- US 2012/0049299 A1 [0006]
- US 2012/0235251 A1 [0006]
- US 2013/0001710 A1 [0007]
- US 8096147 B2 [0008]
