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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Kapazitive Drucksensoren mit hermetisch verschlossenen Kavernen basieren auf einer Opferschichtätzung von porösem Silizium. Zum Herstellen dieser kapazitiven Drucksensoren wird ein komplexes, aufwändiges und kostenintensives Herstellungsverfahren eingesetzt. Auf Basis dieses Herstellungsverfahrens mittels porösen Siliziums können diese Drucksensoren nicht durch eine Backend-CMOS-Integration auf Waferlevel bzw. Substratlevel integriert werden. Die kapazitiven Drucksensoren und die zugehörige Elektronik werden somit auf separaten Substraten gefertigt und anschließend mit einem Waferbondverfahren miteinander verbunden. Hierdurch werden komplexe Waferdurchkontakte erforderlich, wobei sich ein entsprechender Einzel-Wafer-Prozess bzw. das Vereinzeln der Wafer langwierig und kostenintensiv gestaltet.
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Die
EP 0 515 416 B1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines integrierbaren, kapazitiven Drucksensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 8.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zum Herstellen der mikromechanischen Sensorvorrichtung und eine entsprechende mikromechanischen Sensorvorrichtung bereitzustellen, wobei insbesondere der zweite Fotolack als Funktions- und Trägerschicht eingesetzt wird bzw. fungiert. Somit kann die entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung insbesondere sehr kostengünstig in dem CMOS-Wafer (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter) auf Waferlevel integriert werden, wobei ein Auslesen mittels der hier beschriebenen mikromechanischen Sensorvorrichtung insbesondere kapazitiv erfolgen kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Schritt A des Herstellungsverfahrens der Wafer bereitgestellt, wobei an der Vorderseite des Wafers zumindest bereichsweise zueinander einen Abstand aufweisend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet werden. Vorteilhaft kann der Wafer eine Auswerteelektronik (CMOS) umfassen. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode schließen bündig mit der Vorderseite des Wafers ab. Mit anderen Worten sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode frei von einem Material des Wafers.
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Im Schritt B wird der erste Fotolack auf die Vorderseite des Wafers aufgebracht und strukturiert. Hierbei wird insbesondere ausschließlich die erste Elektrode durch den ersten Fotolack vollständig bedeckt und die zweite Elektrode zumindest bereichsweise von dem ersten Fotolack befreit. Insbesondere kann die zweite Elektrode durch das Strukturieren des ersten Fotolacks vollständig frei von dem ersten Fotolack sein.
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In einem darauf folgenden Schritt C wird der zweite Fotolack auf die Vorderseite aufgebracht und strukturiert. Hierbei wird der erste Fotolack durch den zweiten Fotolack bedeckt und durch das Strukturieren wird in dem ersten Fotolack eine erste Ausnehmung zu der zweiten Elektrode ausgebildet. Das heißt, dass die erste Ausnehmung die zweite Elektrode zumindest bereichsweise freilegt, so dass die zweite Elektrode über die erste Ausnehmung zugänglich ist.
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Im Schritt D wird ein elektrisch leitfähiges Material in die erste Ausnehmung und auf der der Vorderseite abgewandten Seite des zweiten Fotolacks abgeschieden. Das auf der der Vorderseite abgewandten Seite des zweiten Fotolacks abgeschiedene elektrisch leitfähige Material kann insbesondere die abgewandte Seite des zweiten Fotolacks vollständig bedecken. Das elektrisch leitfähige Material der ersten Ausnehmung verbindet die zweite Elektrode mit dem auf der Vorderseite abgewandten Seite des zweiten Fotolacks abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Material.
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Im Schritt E wird das elektrisch leitfähige Material strukturiert, wobei in dem elektrisch leitfähigen Material der mit dem ersten Fotolack zumindest bereichsweise überschneidende Bereich ausgebildet wird. Der mit dem ersten Fotolack zumindest bereichsweise überschneidende Bereich kann somit frei von dem elektrisch leitfähigen Material sein.
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Im Schritt F wird in dem zumindest bereichsweise überschneidenden Bereich der zweite Fotolack entfernt. Hierbei wird die zweite Ausnehmung ausgebildet und mittels der zweiten Ausnehmung der erste Fotolack entfernt. Mit anderen Worten wird mittels der zweiten Ausnehmung die erste Elektrode vollständig freigelegt. Hierbei wird in einem Bereich, in welchem sich der erste Fotolack befand, eine Kaverne ausgebildet. Die Kaverne weist zumindest bereichsweise eine Geometrie wie der im Schritt B strukturierte erste Fotolack auf der ersten Elektrode auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die zweite Ausnehmung durch einen hochviskosen Lack verschlossen. So lässt sich auf einfache Art und Weise aufgrund der hier ausgebildeten kapazitiven Strukturen ein Druck messen, der auf die mikromechanische Sensorvorrichtung ausgeübt werden kann. Der hochviskose Lack wird insbesondere durch ein Sprühverfahren aufgebracht und kann insbesondere anschließend derart strukturiert werden, dass Bereiche des elektrisch leitfähigen Materials weitestgehend frei von dem hochviskosen Lack sind und ausschließlich die zweite Ausnehmung durch den hochviskosen Lack verschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in dem Wafer eine Auswerteschaltung integriert. So lässt sich auf einfache Art und Weise eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit Auswerteschaltung auf Waferlevel bereitstellen. Mit anderen Worten kann auf ein Waferbondverfahren zum Anordnen einer Auswerteschaltung verzichtet werden. Somit lässt sich einfach eine Backend-CMOS-Integration realisieren. Eine Integration auf Waferlevel der Auswerteschaltung – beispielsweise CMOS – durch eine Backend-CMOS-Integration ist insbesondere deshalb möglich, da in dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren keine hohen Prozesstemperaturen eingesetzt werden, die die Auswerteschaltung beschädigen können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der erste Fotolack positiv entwickelt. So lässt sich der erste Fotolack insbesondere einfach in eine Opferschicht umfunktionieren. Durch das positive Entwickeln des ersten Fotolacks kann dieser einfach durch konventionelle Lackätzmittel, beispielsweise DMSO (Dimethylsulfoxid) oder Aceton, entfernt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der zweite Fotolack negativ entwickelt. So lässt sich auf einfache Art und Weise der zweite Fotolack gegen konventionelle Lackätzmittel stabilisieren. Der zweite Fotolack bleibt bei Verwendung konventioneller Lackätzmittel somit weitestgehend unberührt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird für den zweiten Fotolack ein SU-8 verwendet. Dieses Material eignet sich bevorzugt zum Einsatz des hier beschriebenen Verfahrens. SU-8 ist insbesondere besonders resistent gegen konventionelle Lackätzmittel. Des Weiteren lassen sich in SU-8 Materialien Strukturen mit hoher Flankensteilheit herstellen. Die hier beschriebene Fotolacke können insbesondere aufgeschleudert oder aufgesprüht werden. Eine Strukturierung kann insbesondere mittels Photolithographie erfolgen. SU-8 ist insbesondere nach dem Post-Exposure Bake unempfindlich gegen die meisten konventionellen Lackätzmittel, so dass dementsprechend freistehende Strukturen des ersten Fotolacks einfach entfernt werden können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird vor dem Freilegen der ersten Elektrode der zweite Fotolack durch einen Temperschritt quervernetzt. So lässt sich der zweite Fotolack vor dem Entfernen des ersten Fotolacks durch konventionelle Lackätzmittel zusätzlich gegen Ätzangriffe stabilisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die zweite Ausnehmung eine Kaverne und die Kaverne verläuft zumindest bereichsweise parallel zu der Vorderseite des CMOS-Wafers und beabstandet die erste Elektrode zu dem zweiten Fotolack.
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Durch das hier beschriebene Verfahren kann eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung hergestellt werden. Die für das Herstellungsverfahren offenbarten Merkmale gelten auch für die mikromechanische Sensorvorrichtung sowie umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1a–1j schematische senkrechte Querschnittsansichten zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a–1j sind schematische senkrechte Querschnittsansichten zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Wafer mit einer Vorderseite V1. Auf der Vorderseite V1 werden zumindest bereichsweise zueinander einen Abstand 2 aufweisend eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2 angeordnet.
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In 1b wird auf die Vorderseite V1 des Wafers 1 ein erster Fotolack 10 aufgebracht. Hierbei wird die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 durch den ersten Fotolack 10 vollständig bedeckt.
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In 1c wird der erste Fotolack 10 strukturiert. Hierbei bleibt die erste Elektrode E1 durch den ersten Fotolack 10 vollständig bedeckt und die zweite Elektrode E2 wird von dem ersten Fotolack 10 befreit.
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In 1d wird ein zweiter Fotolack 20 auf die Vorderseite V1 aufgebracht. Hierbei wird der erste Fotolack 10 und die Vorderseite V1 des Wafers 1 durch den zweiten Fotolack 20 vollständig bedeckt.
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In 1e wird der zweite Fotolack 20 von einer der Vorderseite V1 abgewandten Seite derart strukturiert, dass in dem zweiten Fotolack 20 eine erste Ausnehmung A1 zu der zweiten Elektrode E2 ausgebildet wird. Wie in 1e gezeigt, wird durch das Ausbilden der ersten Ausnehmung A1 die zweite Elektrode E2 zumindest bereichsweise freigelegt.
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In 1f wird ein elektrisch leitfähiges Material 30 in die erste Ausnehmung A1 abgeschieden, wobei auf einer der Vorderseite V1 abgewandten Seite 12 des zweiten Fotolacks 20 ebenfalls das elektrisch leitfähige Material 30 abgeschieden wird. Das elektrisch leitfähige Material 30 bedeckt insbesondere homogen die abgewandte Seite 12 des zweiten Fotolacks 20. Wie in der 1f gezeigt, verbindet das elektrisch leitfähige Material 30 die zweite Elektrode E2 mit dem auf der abgewandten Seite 12 ausgebildeten elektrisch leitfähigen Material 30.
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In 1g wird das elektrisch leitfähige Material 30 zumindest bereichsweise strukturiert. Hierbei wird in dem elektrisch leitfähigen Material 30 ein mit dem ersten Fotolack 10 zumindest bereichsweise überschneidender Bereich B1 ausgebildet.
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In 1h wird der zweite Fotolack 20 aus dem zumindest bereichsweise überschneidenden Bereich B1 entfernt. Hierbei wird eine zweite Ausnehmung A2 ausgebildet, wobei zumindest eine Seitenfläche S1 der zweiten Ausnehmung A2 mit dem ersten Fotolack 10 in Kontakt tritt. Das heißt, dass der erste Fotolack 10 über die zweite Ausnehmung A2 zugänglich ist.
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In 1i wird mittels der zweiten Ausnehmung A2 der erste Fotolack 10 entfernt. Hierbei werden zumindest bereichsweise an Seitenflächen S1 der zweiten Ausnehmung A2 des zweiten Fotolacks 20 Spuren eines chemischen Abtrags CA1 ausgebildet. Wie in 1i gezeigt, wird durch das Entfernen des ersten Fotolacks 10 über die zweiten Ausnehmung A2 eine Kaverne K1 ausgebildet.
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In 1j wird die zweite Ausnehmung A2 durch einen hochviskosen Lack 40 verschlossen. Mit der in 1j gezeigten mikromechanischen Sensorvorrichtung kann durch Ausbilden kapazitiver Strukturen ein Druck der insbesondere auf dem elektrisch leitfähigen Material ausgeübt wird, gemessen werden.
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2 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 bezeichnet Bezugszeichen 100’ und 100 eine mikromechanische Sensorvorrichtung. Die in 2 gezeigte Sensorvorrichtung basiert auf den in 1i und 1j gezeigten mikromechanischen Sensorvorrichtungen mit dem Unterschied, dass diese Sensorvorrichtungen 100; 100‘ mittels eines CMOS-Wafers 1’, 1, C1 miteinander verbunden bzw. verschaltet sind. Weist die mikromechanische Sensorvorrichtung 100’ in der zweiten Ausnehmung A2 keinen hochviskosen Lack 40 auf und ist somit nicht verschlossen lässt sich insbesondere eine Temperatur bestimmen (siehe rechte mikromechanische Sensorvorrichtung in 2). Wird im Gegensatz dazu die zweite Ausnehmung A2 durch einen hochviskosen Lack 40 verschlossen, kann mittels dieser mikromechanischen Sensorvorrichtung 100 ein Druck p detektiert werden. So begünstigt der hochviskose Lack 40 ein homogenes Verbiegen insbesondere des elektrisch leitfähigen Materials 30.
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Die mikromechanische Sensorvorrichtung 100; 100’ umfasst den CMOS-Wafer 1’, C1 mit der Vorderseite V1. Die Vorderseite V1 umfasst die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2. Die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 schließen bündig mit der Vorderseite V1 des Wafers 1. Ferner umfasst die mikromechanische Sensorvorrichtung 100; 100’ die erste Ausnehmung A1, wobei mittels der ersten Ausnehmung A1 eine elektrische Verbindung zwischen der zweiten Elektrode E2 und dem elektrisch leitfähigem Material 30 ausbildbar ist. Ferner umfasst die mikromechanische Sensorvorrichtung 100; 100’ die zweite Ausnehmung A2, wobei mittels der zweiten Ausnehmung A2 die erste Elektrode E1 frei zugänglich ist. Hierbei sind die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 mittels dem elektrisch leitfähigen Material 30 derart verschaltet, dass eine kapazitive Änderung messbar ist, wobei zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 zumindest bereichsweise der zweite Fotolack 20 ausgebildet ist. Der zweite Fotolack 20 weist zumindest bereichsweise an Seitenflächen S1 der zweiten Ausnehmung A2 Spuren eines chemischen Abtrags CA1 auf.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst die zweite Ausnehmung A2 eine Kaverne K1 und die Kaverne K1 verläuft zumindest bereichsweise parallel zu der Vorderseite V1 des CMOS-Wafers 1 und beabstandet die erste Elektrode E1 zu dem zweiten Fotolack 20.
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Mit der hier beschriebenen mikromechanischen Sensorvorrichtung kann insbesondere ein Druck um etwa 1000 Millibar gemessen werden. Dieser Druckbereich ist insbesondere für Kundenapplikationen interessant.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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