DE102015222511A1

DE102015222511A1 - Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und entsprechendes MEMS-Bauelement sowie entsprechendes Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102015222511A1
Application number: DE102015222511.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Zahn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und ein entsprechendes MEMS-Bauelement sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines ersten Substrats (1) mit einer ersten Oberseite (O) und einer ersten Unterseite (U) und einer Mehrzahl von ersten Seitenflächen (S1, S2, V, R); Bilden eines ersten Kanals (2; 2'') an der ersten Oberseite (O) des ersten Substrats (1); Bonden einer zweiten Oberseite (O') eines zweiten Substrats (D; D') zum Verdeckeln des Kanals (2; 2'') auf die erste Oberseite (O); wobei ein erster Eingang (2a; 2a') und ein erster Ausgang (2b; 2b') des Kanals (2; 2'') im ersten Substrat (1) oder im zweiten Substrat (2) gebildet werden oder ein erster Eingang (2a') in einem vom ersten und zweiten Substrat (1; 2) und ein erster Ausgang (2b') im anderen vom ersten und zweiten Substrat (1; 2) gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und ein entsprechendes MEMS-Bauelement sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Substrate anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von MEMS-Wafersubstraten auf Siliziumbasis erläutert.
Aus der DE 10 2013 217 829 A1 ist ein integriertes Schaltungssystem mit einem Substrat bekannt, auf dem elektronische Bauelemente kontaktiert sind, wobei eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist, in der ein Latentwärme-Speichermedium zum Einsatz kommt. Die Kühlvorrichtung weist ein Gehäuse auf, das derart auf das Substrat oder eines der elektronischen Bauelemente aufgesetzt ist, dass ein geschlossener Innenraum entsteht, in dem sich das Latentwärme-Speichermedium befindet, welches in direktem Kontakt mit mindestens einem der elektronischen Bauelemente steht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements nach Anspruch 1 und ein entsprechendes MEMS-Bauelement nach Anspruch 10 sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren nach Anspruch 15.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, einen Kühlkanal in einer Oberseite eines Substrats zu integrieren und diesen mit einem Deckelsubstrat zu verschließen, so dass seitlich am Substrat ein Eingang und ein Ausgang für das Kühlmittel vorhanden sind. Dies ermöglicht eine einfache Bereitstellung eines Kühlkanals ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen.
Der Kühlkanal kann an eine Wärmesenke angeschlossen werden und mit einem Kühlfluid durchströmt werden. Die Strömung des Kühlfluids von der externen Wärmesenke zu einer Wärmequelle im MEMS-Bauelement, beispielsweise einer integrierten Leistungsschaltung, kann beispielsweise durch eine externe Pumpe erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Bonden durch einen Sealglasprozess oder einen Klebeprozess. Diese Prozesse lassen sich leicht bei Großfertigungen integrieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Bonden der Substrate auf Waferlevel. Somit können viele Chips gleichzeitig gebondet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der erste Eingang an einer ersten Seitenfläche des ersten Substrats und der erste Ausgang an einer zweiten Seitenfläche des ersten Substrats gebildet. Dies ermöglicht, dass der Eingang und Ausgang zusammen mit dem Kanal in einem Schritt gebildet werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden an der ersten Oberseite des ersten Substrats eine Mehrzahl von ersten Kanälen, welche jeweils einen ersten Eingang an einer ersten Seitenfläche und einen ersten Ausgang an einer zweiten Seitenfläche aufweisen, gebildet, welche durch das Bonden verschlossen werden, wobei nach dem Bonden ein Vereinzeln in eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen mit einem oder mehreren jeweiligen verdeckelten Kanälen durchgeführt wird. Dies erhöht die Fertigungseffizienz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein zweiter Kanal an der zweiten Oberseite des zweiten Substrats gebildet, welcher einen dritten Eingang an einer dritten Seitenfläche und einen dritten Ausgang an einer vierten Seitenfläche des zweiten Substrats aufweist. Somit können beide Substrate zur Bildung des Kanals verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der erste und zweite Kanal derart gestaltet und gebondet, dass sie einen zusammengesetzten Kanal bilden. Dies ermöglicht die Bildung größerer Kanäle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Seitenfläche und/oder die dritte und vierte Seitenfläche identisch. Dies erleichtert eine spätere Realisierung eines Wärmesenkenanschlusses.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1a)–c) schematische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) und b) in perspektivischer Draufsicht und 1c) in Vorderseitenansicht;
2 eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Vorderseitenansicht; und
3 eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Draufsicht.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)–c) sind schematische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) und b) in perspektivischer Draufsicht und 1c) in Vorderseitenansicht.
In 1a) bis c) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein erstes Substrat mit einer ersten Oberseite O und einer ersten Unterseite U und einer Mehrzahl von ersten Seitenflächen S1, S2, V, R. Das Substrat 1 ist beispielsweise ein Silizium-Wafersubstrat. An der ersten Oberseite O des ersten Substrats wird ein erster Kanal gebildet, welcher an der Seitenfläche V, hier als Vorderseite bezeichnet, einen ersten Eingang 2a und einen ersten Ausgang 2b aufweist.
Im vorliegenden Fall hat der erste Kanal 2 eine ringförmige Gestalt, ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann prinzipiell eine beliebige Gestalt, beispielsweise eine mäanderförmige Gestalt oder eine gradlinige Gestalt aufweisen. Das Bilden des Kanals 2 erfolgt vorzugsweise durch einen Trenchätzprozess, wozu eine Maske verwendet wird. Das Bilden des Kanals 2 kann auch durch mechanische Bearbeitung erzeugt werden.
Nach dem Bilden des ersten Kanals 2 wird ein zweites Substrat D, z. B. ein Glassubstrat, bereitgestellt, welches eine zweite Oberseite o' und eine zweite Unterseite U' und eine Mehrzahl von zweiten Seitenflächen S1', S2', V', R' aufweist und mit der zweiten Oberseite O' auf die erste Oberseite O des ersten Substrats 1 gebondet.
Das Bonden, bzw. Verdeckeln des Kanals 2 erfolgt beispielsweise dadurch, dass die beiden Substrate 1, 2 durch eine Sealglas-Prozess oder einem Klebeprozess verbunden werden.
Erfolgt das Bilden einer Mehrzahl von Kanälen 2 im Wafersubstrat 1 entsprechend späterer durch Vereinzeln zu bildender Chips, kann das Bonden bzw. Verdeckeln deutlich vereinfacht werden.
Im Betrieb wird ein (nicht gezeigtes) Kühlfluid zum Kühlen des MEMS-Bauelements durch den Kanal 2 mittels einer externen Pumpe geleitet. Somit ist es möglich, die von einer (nicht dargestellten) Wärmequelle im MEMS-Bauelement erzeugte Wärme zu einer externen Wärmesenke beispielsweise einer Kühlrippe, zu transportieren. Eine derartige Wärmequelle ist beispielsweise eine im Substrat 1 des MEMS-Bauelement vorhandene (nicht dargestellte) elektronische Leistungsschaltung.
2 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Vorderseitenansicht.
Bei der zweiten Ausführungsform weist das zweite Substrat D ebenfalls einen Kanal 2' auf, der an der zweiten Oberseite O' des zweiten Substrats gebildet ist und der einen dritten Eingang 22a an einer dritten Seitenfläche V' hier ebenfalls der Vorderseite, und einen dritten Ausgang 22b an der Vorderseite V' des zweiten Substrats D aufweist. Der erste Kanal 2 und der zweite Kanal 2' sind derart gestaltet und gebondet, dass sie einen zusammengesetzten Kanal 2, 2' bilden.
3 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements und eines entsprechenden MEMS-Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Draufsicht.
Bei der dritten Ausführungsform weist der an der ersten Oberseite O des ersten Substrats 1 gebildete Kanal 2'' lediglich einen Eingang 2a' an einem ersten Endbereich E1 auf, der durch das erste Substrat 1 hindurch von dessen Unterseite U zu dessen Oberseite O gebildet ist.
Weiterhin weist das zweite Substrat 2 einen zum Kanal 2'' gerichteten Ausgang 2b' auf, der durch das zweite Substrat 2 hindurch von dessen Unterseite U' zu dessen Oberseite O' gebildet ist, so dass der Ausgang 2b' im gebondeten Zustand über einem zweiten Endbereich E2 des Kanals 2'' liegt.
Alternativ wäre es auch möglich sowohl den Eingang 2a' als auch den Ausgang 2b' in einem der beiden Substrate 1, 2 zu bilden.
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

DE 102013217829 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Substrats (1) mit einer ersten Oberseite (O) und einer ersten Unterseite (U) und einer Mehrzahl von ersten Seitenflächen (S1, S2, V, R); Bilden eines ersten Kanals (2; 2'') an der ersten Oberseite (O) des ersten Substrats (1); Bonden einer zweiten Oberseite (O') eines zweiten Substrats (D; D') zum Verdeckeln des Kanals (2; 2'') auf die erste Oberseite (O); wobei ein erster Eingang (2a; 2a') und ein erster Ausgang (2b; 2b') des Kanals (2; 2'') im ersten Substrat (1) oder im zweiten Substrat (2) gebildet werden oder ein erster Eingang (2a') in einem vom ersten und zweiten Substrat (1; 2) und ein erster Ausgang (2b') im anderen vom ersten und zweiten Substrat (1; 2) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bonden durch einen Sealglasprozess oder einen Klebeprozess umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bonden der Substrate (1; D) auf Waferlevel erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Eingang (2a) an einer ersten Seitenfläche (V) des ersten Substrats (1) und der erste Ausgang (2b) an einer zweiten Seitenfläche (V)' des ersten Substrats (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei an der ersten Oberseite (0) des ersten Substrats (1) eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2), welche jeweils einen ersten Eingang (2a) an einer ersten Seitenfläche (V) und einen ersten Ausgang (2b) an einer zweiten Seitenfläche (V) aufweisen, gebildet werden, welche durch das Bonden verschlossen werden, und wobei nach dem Bonden ein Vereinzeln in eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen mit einem oder mehreren jeweiligen verdeckelten Kanälen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Kanal (2') an der zweiten Oberseite (O') des zweiten Substrats (D; D') gebildet wird, welcher einen dritten Eingang (22a) an einer dritten Seitenfläche (V') und einen dritten Ausgang (22b) an einer vierten Seitenfläche (V') des zweiten Substrats (2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste und zweite Kanal (2; 2') derart gestaltet sind und gebondet werden, dass sie einen zusammengesetzten Kanal (2; 2') bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5, oder 6, wobei die erste und zweite Seitenfläche (V) identisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die dritte und vierte Seitenfläche (V') identisch sind.
MEMS-Bauelements mit: einem ersten Substrat (1) mit einer ersten Oberseite (O) und einer ersten Unterseite (U) und einer Mehrzahl von ersten Seitenflächen (S1, S2, V, R); einem ersten Kanal (2) an der ersten Oberseite (O) des ersten Substrats (1), welcher einen ersten Eingang (2a) aufweist, der an einer ersten Seitenfläche (V) gebildet ist oder welcher durch eines der Substrate (1; 2) hindurch verläuft, und einen ersten Ausgang (2b) aufweist, welcher an einer zweiten Seitenfläche (V) gebildet ist oder welcher durch eines der Substrate (1; 2) hindurch verläuft; und einem zweiten Substrats (D; D'), das zum Verdeckeln des Kanals auf die Oberseite (O) gebondet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 10, wobei an der ersten Oberseite (O) des ersten Substrats (1) eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2), welche jeweils einen ersten Eingang (2a) an einer ersten Seitenfläche (V) und einen ersten Ausgang (2b) an einer zweiten Seitenfläche (V) aufweisen, gebildet sind, welche durch das Bonden verschlossen sind.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein zweiter Kanal (2') an der zweiten Oberseite (O') des zweiten Substrats (D; D') gebildet ist, welcher einen dritten Eingang (22a) an einer dritten Seitenfläche (V') und einen dritten Ausgang (22b) an einer vierten Seitenfläche (V') des zweiten Substrats (2) aufweist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 12, wobei der erste und zweite Kanal (2; 2') derart gestaltet sind und gebondet sind, dass sie einen zusammengesetzten Kanal (2; 2') bilden.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die erste und zweite Seitenfläche (V) und/oder die dritte und die vierte Seitenfläche (V') identisch sind.
Betriebsverfahren für ein MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Kühlfluid zum Kühlen des MEMS-Bauelements durch den Kanal (2; 2') geleitet wird.