DE102016200701A1

DE102016200701A1 - Eingebettete Strukturen für hohe Glasfestigkeit und stabiles Packaging

Info

Publication number: DE102016200701A1
Application number: DE102016200701.7A
Authority: DE
Inventors: Xiaoyi Ding; James Nowicki
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: US20160244322A1; CN105910736A; US10189707B2; US9676618B2; CN105910736B; US20170225950A1; DE102016200701B4

Abstract

Eine Sensoreinrichtung ist zur Aufrechterhaltung einer hohen Glasfestigkeit konstruiert, um den Glasdefekt bei geringem Berstdruck zu vermeiden, der aus den Schneid-Defekten resultiert, die in dem kritischen Hochbeanspruchungsbereich des Glassockels lokalisiert sind, wenn eines der Materialien für die Konstruktion des Sensors verwendet werden. Dies wird erreicht durch Bilden von polierten Ausnehmungsstrukturen in den kritischen Hochbeanspruchungsbereichen des Sägestraßenbereichs. Das Sensorelement ist außerdem derart konstruiert, um ein stabiles Bonden mit dem Die-Befestigungsmaterial aufzuweisen, und zwar durch Erzeugen einer Mehrzahl von Mikro-Stäben auf der Befestigungsfläche des Glassockels.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Sensorelement (Sensor-Device), welches eingebettete Strukturen in einer Wafer-Sägestraße und einer Die-Befestigungsfläche beinhaltet, um die intrinsische Glasfestigkeit für einen hohen Berstdruck aufrechtzuerhalten, und um die Die-Adhäsion mit einem Befestigungsmaterial für ein stabiles Packaging-Design zu erhöhen, das in der Lage ist, aggressiven thermischen Belastungen (d. h. „Schocks”) und einer heißen/feuchten Umgebung zu widerstehen.
Hintergrund der Erfindung
Aufgrund der ausgereiften Technologie des Wafer-Bondens und geringer MEMS(mikroelektrische-mechanische Systeme)-Herstellungskosten findet Borosilikatglas bei heutigen MEMS-basierten Sensoren und Aktuatoren eine weitverbreitete Anwendung. Verschiedene Arten von Drucksensoren, welche diese Technologie verwenden, umfassen Differentialdrucksensoren, Frontside-Absolutdrucksensoren und Backside-Absolutdrucksensoren.
In Situationen, wo das Glas keine größeren Defekte aufweist, wie zum Beispiel solche, die von dem Ausgangsmaterial beim Herstellungsprozess herrühren, ist das in den Drucksensoren verwendete Borosilikatglas ausreichend stabil, um einen hohen Berstdruck zu überstehen, das heißt mehr als 100 bar bei einer Struktur von typischer Gestalt und Größe. Jedoch können durch den Device-Herstellungsprozess Glasdefekte ausgelöst werden. Es sind die durch den Herstellungsprozess ausgelösten Defekte, welche ein Versagen des Glases bei einem geringen Druck verursachen, beispielsweise weniger als 50 bar, im Vergleich zu einer Struktur mit einer ähnlichen Größe und Gestalt, die keine Defekte aufweist. Einer der größeren Verfahrensschritte, der Glasdefekte auslösen bzw. induzieren kann, besteht in dem Sägen oder Schneiden des Wafers, um die individuellen Devices von dem Wafer-Stapel abzutrennen, was oftmals die mechanischen Defekte an den Seitenwänden des Glases verursacht, wie zum Beispiel Sprünge und Abplatzungen (cracking und chipping). Falls sich diese Defekte in einem der Bereiche mit hoher Beanspruchung befinden (High-Stress-Bereiche), wie zum Beispiel an der Silizium/Glas-Schnittstelle und an der Die-Befestigungsschnittstelle, dann ist das Glas, wenn es hohem Druck ausgesetzt ist, Fehler-anfälliger. Beispielsweise kann das Glas bei einem Druck von etwa 30 bar (oder weniger) bei einem Differential- oder Backside-Absolutdrucksensor Schaden nehmen.
Die Defekt-freien Borosilikatglas-Wafer werden normalerweise auf beiden Flächen poliert, was die Adhäsion mit einem Die-Befestigungsmaterial, wie zum Beispiel einer Paste, bei einem Sensorelement reduzieren kann. Die Adhäsion des Dies mit dem Befestigungsmaterial kann sich verschlechtern, falls der Sensor einer heißen und feuchten Umgebung ausgesetzt wird, oder thermische „Schocks” erleidet, was oftmals zu einer Device-Ausgabeinstabilität und/oder -Fehlfunktion führt.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein MEMS-Device, welches in der Lage ist, einen hohen Berstdruck zu überstehen, und widerstandsfähig gegenüber einer Umgebung mit hoher Beanspruchung ist, was thermische Schocks und eine hohe Luftfeuchtigkeit bei einer erhöhten Temperatur umfassen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Sensor-Device, welches derart konstruiert ist, um eine hohe Glasfestigkeit beizubehalten und die Device-Integrität unter widrigen Bedingungen unterstützt, was thermische Schocks und hohe Luftfeuchtigkeit bei einer erhöhten Temperatur umfassen kann.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, die Sage-Defekte zu eliminieren, die sich in den kritischen Bereichen mit hoher Beanspruchung befinden, und zwar durch Bilden von polierten Ausnehmungs- oder Vertiefungs-Strukturen in dem kritischen Hochbelastungs-Bereich entlang der Sägestraße. Die Vertiefungs-Strukturen sind derart angeordnet, dass das Sägeblatt während des Sägens (bzw. Schneidens) die Außenwände der Vertiefungen nicht berührt, wodurch die Erzeugung von irgendwelchen Sage- oder Schneiddefekten in den kritischen Hochbelastungsbereichen vermieden wird.
Die in dem MEMS-Device verwendeten Glaswafer gemäß der vorliegenden Erfindung werden poliert, um die mechanischen Defekte zu entfernen, die beim Sägen und Ausdünnen des Wafers von dem Bulk-Glasmaterial induziert werden.
Eine hoch-polierte Glasoberfläche weist eine schwache Adhäsion hinsichtlich des Befestigungsmaterials auf. Es ist deshalb eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikro-Rauigkeit-Struktur auf der Sockel-Glasoberfläche zu erzeugen, die dem Die-Befestigungsmaterial zugewandt ist, um die Befestigungsfläche zu vergrößern und die Bindungskraft mit dem Befestigungsmaterial zu erhöhen.
In einer Ausführungsform umfasst die Befestigungsoberfläche des MEMS-Devices eine Struktur, die aus einem Array von Mikro-Stäben hergestellt ist, die von der Basis (eine Nicht-Mikro-Stäbe-Fläche) hervorstehen. Zwischen den Mikro-Stäben befinden sich „Lücken” (Gaps), welche ermöglichen, dass Gas/Dampf auf einfache Weise durch die Lücken der Mikro-Stäbe während des Die-Befestigungsprozesses abgeführt („belüftet”) wird. Diese bei dem MEMS-Device der vorliegenden Erfindung verwendeten Mikro-Stäbe haben gezeigt, dass sie in verschiedenen ausgiebigen Belastungstests effizient sind, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, bei thermischen Schocks, in Umgebungen mit 85% RH (relative Feuchte) bei 85°C sowie in einem Autoklaven.
In einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, welches die Schritte des Bereitstellens eines ersten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche umfasst, dann Bereitstellen eines zweiten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, und dann Bereitstellen eines dritten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem das Bereitstellen wenigstens einer geneigten Ausnehmung (oder auch „schräge Vertiefung”) mit wenigstens einem geneigten ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche als Teil des ersten Wafers ausgebildet ist, Bereitstellen wenigstens einer oberen Ausnehmung mit wenigstens einem oberen ebenen Bereich, der auf der oberen Fläche als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist, Bereitstellen wenigstens einer unteren Ausnehmung mit wenigstens einem unteren ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist, und Bereitstellen wenigstens einer äußeren Ausnehmung mit wenigstens einem äußeren ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche des dritten Wafers ausgebildet ist. Die untere Fläche des ersten Wafers ist an die obere Fläche des zweiten Wafers bei einer ersten Bonding-Schnittstelle gebondet, so dass die wenigstens eine geneigte Ausnehmung in der Nähe der wenigstens einen oberen Ausnehmung angeordnet ist. Die untere Fläche des dritten Wafers ist an die obere Fläche des ersten Wafers bei einer zweiten Bonding-Schnittstelle gebondet, so dass sich die wenigstens eine äußere Ausnehmung in der Nähe der zweiten Bonding-Schnittstelle befindet. Ein Wafer-Stapel und ein Sagestraßenbereich werden gebildet, wenn der erste Wafer an den zweiten Wafer gebondet wird, und wenn der dritte Wafer an den ersten Wafer gebondet wird. Der Wafer-Stapel wird in dem Sägestraßenbereich partitioniert, um wenigstens zwei Drucksensoren zu bilden.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem das Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen geneigten ebenen Bereiches, um außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet zu sein, Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen oberen ebenen Bereiches, um außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet zu sein, Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen unteren ebenen Bereiches, um außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet zu sein, und Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen äußeren ebenen Bereiches, um außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet zu sein. Der Wafer-Stapel wird derart partitioniert, so dass jeder Abschnitt des wenigstens einen geneigten ebenen Bereiches, der Abschnitt des wenigstens einen oberen ebenen Bereiches, der Abschnitt des wenigstens einen unteren ebenen Bereiches und der Abschnitt des wenigstens einen äußeren ebenen Bereiches nach einem Partitionieren des Wafer-Stapels auf dem Drucksensor intakt bleiben.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem die Schritte des Bereitstellens eines ersten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des ersten Wafers in der Nähe der geneigten Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist, Bereitstellen eines zweiten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des zweiten Wafers in der Nähe der oberen Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist, und Bereitstellen eines dritten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des dritten Wafers in der Nähe der äußeren Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist. Der erste Materialentfernungsbereich, der zweite Materialentfernungsbereich und der dritte Materialentfernungsbereich werden beim Partitionieren des Wafer-Stapels entfernt.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem das Bereitstellen wenigstens eines Druckmesselements, das als Teil des ersten Wafers ausgebildet ist, das Bereitstellen wenigstens eines als Teil des zweiten Wafers ausgebildeten Sockels, und das Bereitstellen wenigstens einer als Teil des dritten Wafers ausgebildeten Kappe. Der Wafer-Stapel ist derart partitioniert, so dass einer der wenigstens zwei Drucksensoren das wenigstens eine Druckmesselement, den wenigstens einen Sockel und die wenigstens eine Kappe aufweist.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem die Schritte des Bereitstellens einer Mehrzahl von Mikro-Stäben, die auf der unteren Fläche des Glassockels gebildet sind, und Bereitstellen wenigstens eines Belüftungsbereiches in der Nähe wenigstens eines von der Mehrzahl von Mikro-Stäben. Der Sockel wird an ein Gehäusesubstrat gebondet, um Luft und Dampf weg von dem wenigstens einen Belüftungsbereich abzuführen, wenn der Drucksensor an ein Gehäusesubstrat angebracht wird.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem die Schritte des Bereitstellens eines Hohlraums, der als Teil des wenigstens einen Druckmesselements ausgebildet ist, Bereitstellen eines Kappenhohlraums, der als Teil der Kappe ausgebildet ist, und Bereitstellen einer als Teil des Sockels ausgebildeten Öffnung, die sich in fluider Verbindung mit dem Hohlraum befindet. Das Verfahren umfasst außerdem ein Detektieren des auf das Druckmesselement in dem Hohlraum ausgeübten Druckes durch Messen der Drucksensor-Ausgabeänderung aufgrund der Auslenkung (Verbiegung) des Druckmesselements.
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem die Schritte des Bildens wenigstens eines Teil-Vakuums in dem Kappenhohlraum durch Bonden der unteren Fläche des dritten Wafers an die obere Fläche des ersten Wafers.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der im Folgenden bereitgestellten ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Es soll davon ausgegangen werden, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnen, lediglich Zwecken der Darstellung dienen sollen und nicht den Umfang der Erfindung beschränken sollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1A eine Abschnitts-Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Wafer-Stapels ist, der zur Herstellung einer Mehrzahl von Drucksensor-Strukturen verwendet wird, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
1B eine Abschnitts-Seitenansicht einer ersten Ausführungsform von zwei Drucksensoren nach Partitionieren eines Wafer-Stapels ist, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2A eine zweite Abschnitts-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Wafer-Stapels ist, der zur Herstellung einer Mehrzahl von Drucksensorstrukturen verwendet wird, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2B eine vergrößerte Ansicht des in 2A umkreisten Abschnitts ist;
3A eine Abschnitts-Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Wafer-Stapels ist, der zur Herstellung einer Mehrzahl von Drucksensorstrukturen verwendet wird, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3B eine Abschnitts-Seitenansicht einer dritten Ausführungsform von zwei Drucksensoren nach Partitionieren eines Wafer-Stapels ist, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3C eine vergrößerte Abschnitts-Seitenansicht des in 3A umkreisten Abschnitts ist; und
4 eine vergrößerte Ansicht des in 1B gezeigten umkreisten Abschnitts mit auf einem Teil eines Sockels ausgebildeten Mikro-Stäben ist, und zwar in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bzw. bevorzugten Ausführungsformen hat lediglich beispielhaften Charakter und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen beschränken.
Eine erste Ausführungsform einer MEMS-Sensorstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist in 1A bis 2B gezeigt und allgemein mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Typischerweise erzeugt der MEMS-Herstellungsprozess tausende von gleichen Bauelementen (das heißt Devices) aus einem Wafer-Stapel. Der Einfachheit halber zeigen 1A bis 2A lediglich einen Abschnitt eines Wafer-Stapels, der zur Herstellung von zwei Sensorstrukturen 10 verwendet wird. In dieser Ausführungsform umfasst die Drucksensorstruktur 10 zwei Backside-Absolutdrucksensoren, allgemein mit Bezugszeichen 10A, 10B gekennzeichnet, von denen jeder eine Siliziumstruktur in der Form eines Druckmesselements 12 und eine Sockel-Glasstruktur in der Form eines Glassockels 14 umfasst. Als Teil des Glassockels 14 ist eine Öffnung 20 ausgebildet, wobei sich die Öffnung 20 in fluider Verbindung mit einem allgemein mit Bezugszeichen 22 gekennzeichneten Hohlraum befindet. Das Druckmesselement 12 umfasst eine untere Fläche 12A, welche anodisch an eine obere Fläche 12B des Glassockels 14 gebondet ist und dadurch eine Bonding-Schnittstelle 12C bildet.
Der Hohlraum 22 wird in die untere Fläche 12A des Druckmesselements 12 geätzt und umfasst vier innere Flächen, wobei lediglich eine erste innere Fläche 26 und eine zweite innere Fläche 28 in 1A und 1B dargestellt sind, da die 1A und 1B Querschnittsansichten sind. Jede der vier inneren Flächen endet in einer Backside-Fläche 30, welche Teil einer Membran 32 ist. In einer Ausführungsform wird der Hohlraum 22 unter Verwendung von anisotropem chemischem Ätzen mit Kaliumhydroxid (KOH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), usw., oder mit einem Trockenätzschritt mit reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) gebildet, jedoch liegt es im Umfang der Erfindung, dass andere Prozesse verwendet werden können.
Das Druckmesselement 12 ist aus Einkristallsilizium hergestellt und umfasst die Membran 32 mit einer oberen Fläche 34, und den Hohlraum 22 mit Flächen 26, 28 und 30. Die obere Fläche 30 des Hohlraums 22 ist außerdem die Backside-Fläche der Membran 32. Das Druckmesselement 12 umfasst außerdem einen Brückenschaltkreis 36 auf der oberen Fläche 34 der Membran 32. In einer Ausführungsform enthält der Brückenschaltkreis 36 wenigstens vier separate Piezowiderstände, die durch P+ dotierte und/oder Metall-Verbinder verbunden sind. Die Piezowiderstände können in einer von mehreren Konfigurationen angeordnet sein. Die Piezowiderstände können nahe einer Seite des Randes der Membran 32 angeordnet sein, nahe den vier Seiten des Randes der Membran 32, oder in einer Richtung über die Membran 32 verteilt. Der einfacheren Darstellung wegen beinhalten die 1A und 1B diese Details nicht, wie zum Beispiel die Verbinder oder den Ort jedes Piezowiderstands. Stattdessen wird in 1A und 1B Bezugszeichen 36 zur Kennzeichnung eines generischen Brückenschaltkreises verwendet, was in jeder beliebigen Konfiguration und an jeder Stelle erfolgen kann, wie es allgemein im Stand der Technik bekannt ist.
Die Membran 32 ist relativ dünn, wobei die Dicke der Membran 32 von der Membrangröße und dem Druckmessbereich abhängt. Die Membran 32 verbiegt sich in Antwort auf den auf die Backside-Fläche 30 durch die Öffnung 20 des Substrats 14 und den Hohlraum 22 ausgeübten Drucks, wie es in 1A und 1B dargestellt ist. Die Verbiegungen (Auslenkungen) der Membran 32, die von dem ausgeübten Druck resultieren, verursachen ein Ungleichgewicht in dem Brückenschaltkreis 36, so dass die Ausgabe des Brückenschaltkreises 36 zu dem Drucksignal korreliert.
Wie oben bereits erwähnt worden ist, sind die Drucksensoren 10A, 10B Backside-Absolutdrucksensoren 10A, 10B. Die Sensoren 10A, 10B umfassen ein Kappen-Glassubstrat in der Form einer Kappe 16. In einer Ausführungsform umfasst die Kappe 16 Seitenwände 16A, 16B und einen allgemein mit Bezugszeichen 24 gekennzeichneten Kappenhohlraum. Die Kappe 16 ist anodisch an das Messelement 12 als eine zweite Bonding-Schnittstelle 12D gebondet, so dass sich der Kappenhohlraum 24 über der Membran 32 befindet, wobei der Sockel 14 anodisch an das Druckmesselement 12 derart gebondet ist, dass der Kappenhohlraum 24 wenigstens für ein Teil-Vakuum hermetisch abgedichtet ist. Dies ermöglicht den Drucksensoren 10A, 10B einen Absolutdruck zu messen. Die Länge und Breite des Kappenhohlraums 24 sind etwas größer als die Länge und Breite der Membran 32.
Zur Herstellung der Sensoren 10A, 10B gibt es einen ersten Wafer 38, der zur Erzeugung der Druckmesselemente 12 verwendet wird, einen zweiten Wafer 40, der zur Erzeugung der Sockel 14 verwendet wird, und einen dritten Wafer 42, der zur Erzeugung jeder Kappe 16 verwendet wird. In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der zwei äußeren Ausnehmungen 54, die als Teil des dritten Wafers 42 ausgebildet sind, wie in 1A dargestellt ist, eine einzelne äußere Ausnehmung 54A vorhanden sein, die als Teil der unteren Fläche 56 des dritten Wafers 42 ausgebildet ist, wie es in 2A und 3A dargestellt ist.
Der zweite Wafer 40 ist an die untere Fläche 12A des ersten Wafers 38 gebondet, und der dritte Wafer 42 ist an die obere Fläche 34 des ersten Wafers 38 gebondet, um einen Wafer-Stapel zu bilden, wie es allgemein mit Bezugszeichen 58 in 1A dargestellt ist. Alle Ausnehmungen sind wenigstens teilweise in einem Bereich angeordnet, der als „Sägestraße” bezeichnet wird, dargestellt in dem Bereich mit Bezugszeichen 60, wo die Sägestraße 60 der Bereich ist, der zum Separieren des Wafer-Stapels 58 in die in 1B dargestellten individuellen Sensoren 10A, 10B geschnitten wird, siehe hierzu den in 1A in der Ausführungsform dargestellten Wafer-Stapel. In der in 1A und 1B dargestellten Ausführungsform wird der Bereich der Sägestraße 60 zwischen zwei geneigten Ausnehmungen 44 geschnitten, zwischen den zwei äußeren Ausnehmungen 54, und durch den dritten Wafer 42 zwischen den zwei oberen Ausnehmungen 46 und in dem Bereich der breiten Ausnehmung 50.
Alle Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 werden vor dem Wafer-Bonding-Schritt hergestellt, der den Wafer-Stapel 58 bildet. Dieses Herstellungsverfahren stellt die Möglichkeit des chemischen Ätzens und Polierens der Oberflächen aller Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 bereit, um die während der Herstellung der Ausnehmungen erzeugten mechanischen Defekte zu beseitigen oder zu minimieren. Während des Betriebs sind die Sensoren 10A, 10B thermischer und mechanischer (Biege-)Beanspruchung ausgesetzt. Die Bonding-Schnittstelle 12C zwischen dem Messelement 12 und dem Sockel 14 sowie die Bonding-Schnittstelle zwischen dem Sockel 14 und einem Gehäusesubstrat sind jeweils einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Es gibt mehrere Bereiche, die eine raue Oberfläche nach dem Durchschneiden mit dem Sägeblatt aufweisen können, und mehrere Bereiche, die eben, das heißt glatt, und poliert sind, die Teil der unterschiedlichen Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 sind, vor dem Vorgang des Schneidens des Wafer-Stapels 58. Insbesondere gibt es einen ersten rauen Bereich 62A, der als Teil des Druckmesselements 12 ausgebildet ist, einen zweiten rauen Bereich 62B, der als Teil des Sockels ausgebildet ist, und einen dritten rauen Bereich 62C, der als Teil der Kappe 16 ausgebildet ist. Es gibt außerdem mehrere ebene bzw. glatte Bereiche, welche nach dem Schneidvorgang verbleiben, die jeweils Teil der Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 vor dem Schneidvorgang waren. Insbesondere gibt es einen geneigten ebenen Bereich 64A, der als Teil des Druckmesselements 12 ausgebildet ist, das Teil einer der geneigten Ausnehmungen 44 ist, es gibt einen oberen ebenen Bereich 64B, der als Teil des Sockels 14 angrenzend an den geneigten ebenen Bereich 64A ausgebildet ist, der Teil einer der oberen Ausnehmungen 46 war, einen unteren ebenen Bereich 64C, der als Teil des Sockels 14 ausgebildet ist, der Teil der unteren Ausnehmung 50 war, und einen äußeren ebenen Bereich 64C, der als Teil der Kappe 16 ausgebildet ist, der Teil einer der äußeren Ausnehmungen 54 war.
Die Breiten und Örter der Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 in den Figuren sind derart angeordnet, dass die Sägeblätter, die zum einzelnen Abtrennen der individuellen Sensoren 10A, 10B von dem Wafer-Stapel 58, wie es in 1B dargestellt ist, verwendet werden, keine der polierten Außenseitenwände der Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 berühren (mit den verbleibenden ebenen Bereichen 64A, 64B, 64C, 64D), so dass die Bereiche 64A, 64B, 64C, 64D (welche einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind) nach dem Schneidvorgang intakt bleiben, und eben bzw. glatt sind mit kleineren Defekten oder Defekt-frei. Diese in 1A bis 1B gezeigte Struktur und das Herstellungsverfahren unterstützen die Aufrechterhaltung der Festigkeit, so dass die Sensoren 10A, 10B widerstandsfähig sind, wenn sie hohen thermischen und mechanischen (Biege-)Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Zusätzlich zu den Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 gibt es außerdem Materialbereiche, die während des Schneidprozesses entfernt werden. Diese Bereiche sind in 1A und 2A mit Bezugszeichen 68A, 68B, 68C gekennzeichnet. Insbesondere gibt es einen ersten Materialentfernungsbereich 68A, der Teil des ersten Wafers 38 zwischen jedem Messelement 12 ist, einen zweiten Materialentfernungsbereich 68B, der Teil des zweiten Wafers in dem Bereich zwischen jedem Sockel 14 ist, und es gibt einen dritten Materialentfernungsbereich 68C, der Teil des dritten Wafers 42 in dem Bereich zwischen jeder Kappe 16 ist. Die Materialentfernungsbereiche 68A, 68B, 68C sind überschüssiges Material, das Teil jedes entsprechenden Wafers in dem Wafer-Stapel 58 ist, was aber während des Schneidvorgangs entfernt werden soll, so dass jeder Sensor 10A, 10B nach dem Schneidvorgang die korrekten Abmessungen aufweist. Der Schneidvorgang eliminiert jeden der Materialentfernungsbereiche 68A, 68B, 68C, so dass die rauen Bereiche 62A, 62B, 62C übrig gelassen sind, nachdem der Schneidvorgang vollendet ist. Außerdem ist in den Figuren dargestellt, dass die Materialentfernungsbereiche 68A, 68B, 68C separat von den ebenen Bereichen 64A, 64B, 64C, 64D sind, die jeweils Teil der Ausnehmungen 44, 46, 50, 54 sind. Die ebenen Bereiche 64A, 64B, 64C, 64D haben den Ätz- und Poliervorgang durchlaufen, wie oben erwähnt worden ist, und sind während des Schneidvorgangs nicht beschädigt worden, weshalb sie in der Lage sind, die Bond-Integrität aufrechtzuerhalten und widerstandsfähiger gegenüber Biege- und thermischen Beanspruchungen sind.
Wiederum mit Bezug auf die Figuren im Allgemeinen umfasst jede Ausführungsform eine Mehrzahl von Mikro-Stäben 66, die als Teil der unteren Seite des Glassockels 14 ausgebildet sind, die in 4 in einer vergrößerten unteren Ansicht dargestellt sind. Die Mikro-Stäbe 66 stehen um einige Mikrometer (in der Länge) von der unteren Fläche 52 des Sockels 14 hervor, und sind derart angeordnet, dass Dampf und Luft von der unteren Fläche des Glassockels 14 abgeführt werden (das heißt die untere Fläche wird belüftet), und zwar während des Bondens an das Gehäusesubstrat. Insbesondere werden die unteren Flächen 70 der Mikro-Stäbe 66 mit Hilfe eines Befestigungsmaterials an das Gehäusesubstrat angebunden. Es gibt einen Belüftungsbereich, der allgemein mit Bezugszeichen 72 gekennzeichnet ist, zwischen jedem der Stäbe 66, was ein Abführen (Belüften) von Luft und Dampf während des Die-Befestigungsprozesses um die Stäbe 66 herum und aus dem Belüftungsbereich 72 heraus zulässt. Beispiele des Strömungspfades für Luft oder Dampf werden durch die Pfeile 74 dargestellt. Dies stellt sicher, dass während des Bondens des Sockels 14 an das Gehäusesubstrat keine leeren Bereiche (Voids) in dem Befestigungsmaterial erzeugt werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 3A bis 4B gezeigt, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen. In dieser Ausführungsform gibt es statt mehrerer zwischen den Druckmesselementen 12 und dem Sockel 14 gebildeten geneigten Ausnehmungen 44 lediglich eine einzige geneigte Ausnehmung 44A, eine einzelne breite obere Ausnehmung 46A und die einzelne untere Ausnehmung 50, die in jeder Sägestraße 60 gebildet werden, welche die individuellen Sensoren 10A und 10B von dem Wafer-Stapel 58 abtrennt.
Die Beschreibung der Erfindung hat lediglich beispielhaften Charakter, und deshalb sollen Variationen, die nicht von dem Erfindungsgedanken abkehren, innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Solche Variationen sollen nicht als eine Abkehr vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein Druckmesselement; einen Sockel mit einer Öffnung; eine erste Bonding-Schnittstelle, wobei das Druckmesselement an den Sockel bei der ersten Bonding-Schnittstelle gebondet ist; einen Hohlraum, der als Teil des Druckmesselements ausgebildet ist; eine Kappe, die an das Druckmesselement bei einer zweiten Bonding-Schnittstelle gebondet ist; einen als Teil der Kappe ausgebildeten Hohlraum; und eine Mehrzahl von ebenen Bereichen, wobei ein Teil der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil des Druckmesselements in der Nähe der Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist, und wobei ein Teil von der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil des Sockels in der Nähe der Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist; wobei sich ein Abschnitt des Druckmesselements verbiegt, wenn Druck auf das Druckmesselement in dem Hohlraum von der Öffnung ausgehend ausgeübt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von ebenen Bereichen weiterhin umfasst: wenigstens einen geneigten ebenen Bereich, der als Teil des Druckmesselements in der Nähe der ersten Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist; wenigstens einen oberen ebenen Bereich, der als Teil des Sockels in der Nähe der ersten Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist; und wenigstens einen unteren ebenen Bereich, der als Teil des Sockels ausgebildet ist; wobei der wenigstens eine geneigte ebene Bereich und der wenigstens eine obere ebene Bereich die Belastungskonzentration in der Nähe der ersten Bonding-Schnittstelle reduzieren, und wobei der wenigstens eine untere ebene Bereich eine Belastungskonzentration in dem Sockel reduziert, wenn der Sockel mit einem Gehäusesubstrat verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Mehrzahl von unebenen Bereichen, wobei wenigstens ein Bereich von der Mehrzahl von unebenen Bereichen als Teil des Druckmesselements in der Nähe des wenigstens einen geneigten ebenen Bereichs ausgebildet ist, und wobei wenigstens ein Bereich von der Mehrzahl von unebenen Bereichen als Teil des Sockels in der Nähe des wenigstens einen oberen ebenen Bereichs ausgebildet ist; wobei die Mehrzahl von unebenen Bereichen ausgebildet ist, wenn das Druckmesselement und der Sockel aus einem Wafer-Stapel abgetrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von unebenen Bereichen weiterhin umfasst: einen ersten unebenen Bereich, der als Teil des Druckmesselements in der Nähe des wenigstens einen geneigten ebenen Bereichs ausgebildet ist; einen zweiten unebenen Bereich, der als Teil des Sockels in der Nähe des wenigstens einen oberen ebenen Bereichs und des wenigstens einen unteren ebenen Bereichs ausgebildet ist; wobei der erste unebene Bereich und der zweite unebene Bereich während eines Partitioniervorgangs gebildet sind, wenn der Drucksensor aus einem Wafer-Stapel partitioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Mehrzahl der ebenen Bereiche weiterhin umfasst: wenigstens einen äußeren ebenen Bereich, der als Teil der Kappe in der Nähe der zweiten Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist; wobei der wenigstens eine äußere Bereich, der als Teil der Kappe ausgebildet ist, thermische Beanspruchung und Biegebeanspruchung an der zweiten Bonding-Schnittstelle reduziert.
Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: wenigstens einen äußeren unebenen Bereich, der als Teil der Kappe in der Nähe des wenigstens einen äußeren ebenen Bereichs ausgebildet ist; wobei der wenigstens eine äußere unebene Bereich während des Partitioniervorgangs ausgebildet ist, wenn der Drucksensor aus einem Wafer-Stapel partitioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, weiterhin umfassend: eine Mehrzahl von Mikro-Stäben, welche als Teil des Sockels ausgebildet sind; und wenigstens einen Belüftungsbereich, der als Teil des Sockels in der Nähe der Mehrzahl von Mikro-Stäben ausgebildet ist; wobei Luft und Dampf um die Mehrzahl von Mikro-Stäben und aus dem Belüftungsbereich herausströmen, wenn der Sockel an das Gehäusesubstrat mit einem Befestigungsmaterial gebondet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines ersten Wafers; und Bereitstellen eines zweiten Wafers; Bilden wenigstens einer geneigten Ausnehmung als Teil des ersten Wafers; Bilden wenigstens einer oberen Ausnehmung als Teil des zweiten Wafers; Bilden wenigstens einer unteren Ausnehmung als Teil des zweiten Wafers; Bonden des ersten Wafers an den zweiten Wafer zur Bildung eines Wafer-Stapels mit wenigstens einem Sägestraßenbereich, so dass die wenigstens eine geneigte Ausnehmung, die wenigstens eine obere Ausnehmung und die wenigstens eine untere Ausnehmung teilweise in dem Sägestraßenbereich angeordnet sind; Partitionieren des Wafer-Stapels in dem Sägestraßenbereich zur Bildung von wenigstens zwei Drucksensoren.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines dritten Wafers; Bilden wenigstens einer äußeren Ausnehmung als Teil des dritten Wafers, wobei die wenigstens eine äußere Ausnehmung in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist; Bonden des dritten Wafers an den zweiten Wafer, so dass der dritte Wafer Teile des Wafer-Stapels ist, und wobei sich der wenigstens eine Sägestraßenbereich durch wenigstens einen Teil des dritten Wafers erstreckt; Partitionieren des Wafer-Stapels derart, so dass ein Abschnitt des dritten Wafers Teil jedes der wenigstens zwei Drucksensoren ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen einer Mehrzahl von ebenen Bereichen; Bilden eines Abschnitts von der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil der wenigstens einen geneigten Ausnehmung; Bilden eines Abschnitts von der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil der wenigstens einen oberen Ausnehmung; Bilden eines Abschnitts von der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil der wenigstens einen unteren Ausnehmung; Bilden eines Abschnitts von der Mehrzahl von ebenen Bereichen als Teil der wenigstens einen äußeren Ausnehmung; Partitionieren des Wafer-Stapels in dem Sägestraßenbereich derart, so dass jeder Bereich von der Mehrzahl von ebenen Bereichen volle strukturelle Festigkeit beibehält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen wenigstens eines Druckmesselements, das als Teil des ersten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens eines Sockels, der als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist; und Bereitstellen wenigstens einer Kappe, die als Teil des dritten Wafers ausgebildet ist; wobei der Wafer-Stapel derart partitioniert wird, so dass einer der wenigstens zwei Drucksensoren das wenigstens eine Druckmesselement, den wenigstens einen Sockel und die wenigstens eine Kappe aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines Hohlraums, der als Teil des wenigstens einen Druckmesselements ausgebildet ist; Bereitstellen eines Kappenhohlraums, der als Teil der Kappe ausgebildet ist; und Bereitstellen einer Öffnung, die als Teil des Sockels ausgebildet ist, wobei sich die Öffnung in fluider Verbindung mit dem Hohlraum befindet; Detektieren des auf das Druckmesselement in dem Hohlraum ausgeübten Druckes durch Messen der Drucksensorausgabe-Änderung aufgrund der Verbiegung wenigstens eines Abschnitts des Druckmesselements.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen einer Mehrzahl von Mikro-Stäben, die auf der Bodenfläche des dritten Wafers ausgebildet sind, so dass ein Abschnitt von der Mehrzahl von Mikro-Stäben Teil jedes der wenigstens zwei Drucksensoren ist; und Bereitstellen wenigstens eines Belüftungsbereiches in der Nähe von wenigstens einem von der Mehrzahl von Mikro-Stäben; Bonden der Bodenfläche des dritten Wafers an ein Gehäusesubstrat unter Verwendung eines Befestigungsmaterials, nachdem der Wafer-Stapel partitioniert worden ist; Abführen von Luft und Dampf weg von dem wenigstens einen Belüftungsbereich bei Anbringen der Mehrzahl von Mikro-Stäben an einem Gehäusesubstrat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen einer Mehrzahl von unebenen Bereichen; Bilden eines Abschnitts der unebenen Bereiche bei Partitionierung des Wafer-Stapels.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen wenigstens eines ersten Materialentfernungsbereiches als Teil des Sägestraßenbereichs in der Nähe der wenigstens einen geneigten Ausnehmung; Bereitstellen wenigstens eines zweiten Materialentfernungsbereiches als Teil des Sägestraßenbereichs in der Nähe der wenigstens einen oberen und der wenigstens einen unteren Ausnehmung; Bereitstellen wenigstens eines dritten Materialentfernungsbereiches als Teil des Sägestraßenbereichs in der Nähe der wenigstens einen äußeren Ausnehmung; Entfernen des ersten Materialentfernungsbereiches, des zweiten Materialentfernungsbereiches und des dritten Materialentfernungsbereiches bei Partitionierung des Wafers-Stapels.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines ersten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; Bereitstellen eines zweiten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; Bereitstellen eines dritten Wafers mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; Bereitstellen wenigstens einer geneigten Ausnehmung mit wenigstens einem geneigten ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche als Teil des ersten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens einer oberen Ausnehmung mit wenigstens einem oberen ebenen Bereich, der auf der oberen Fläche als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens einer unteren Ausnehmung mit wenigstens einem unteren ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens einer äußeren Ausnehmung mit wenigstens einem äußeren ebenen Bereich, der auf der unteren Fläche des dritten Wafers ausgebildet ist; Bonden der unteren Fläche des ersten Wafers an die obere Fläche des zweiten Wafers bei einer ersten Bonding-Schnittstelle, so dass die wenigstens eine geneigte Ausnehmung in der Nähe der wenigstens einen oberen Ausnehmung angeordnet ist; Bonden der unteren Fläche des dritten Wafers an die obere Fläche des ersten Wafers bei einer zweiten Bonding-Schnittstelle, wobei die wenigstens eine äußere Ausnehmung in der Nähe der zweiten Bonding-Schnittstelle angeordnet ist; Bilden eines Sägestraßenbereichs, wenn der erste Wafer an den zweiten Wafer gebondet wird, und wenn der dritte Wafer an den ersten Wafer gebondet wird; Bilden eines Wafer-Stapels, wenn der erste Wafer an den zweiten Wafer gebondet wird, und wenn der dritte Wafer an den ersten Wafer gebondet wird; Partitionieren des Wafer-Stapels in dem Sägestraßenbereich zur Bildung von wenigstens zwei Drucksensoren.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen geneigten ebenen Bereiches, der außerhalb des Sagestraßenbereichs angeordnet ist; Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen oberen ebenen Bereiches, der außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet ist; Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen unteren ebenen Bereichs, der außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet ist; Bereitstellen eines Abschnitts des wenigstens einen äußeren ebenen Bereichs, der außerhalb des Sägestraßenbereichs angeordnet ist; Partitionieren des Wafer-Stapels derart, so dass jeder Abschnitt des wenigstens einen geneigten ebenen Bereichs, jeder Abschnitt des wenigstens einen oberen ebenen Bereichs, jeder Abschnitt des wenigstens einen unteren ebenen Bereichs und jeder Abschnitt des wenigstens einen äußeren ebenen Bereichs nach Partitionierung des Wafer-Stapels intakt bleiben.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines ersten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des ersten Wafers in der Nähe der geneigten Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist; und Bereitstellen eines zweiten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des zweiten Wafers in der Nähe der oberen Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist; Bereitstellen eines dritten Materialentfernungsbereiches, der als Teil des dritten Wafers in der Nähe der äußeren Ausnehmung ausgebildet und in dem Sägestraßenbereich angeordnet ist; Entfernen des ersten Materialentfernungsbereiches, des zweiten Materialentfernungsbereiches und des dritten Materialentfernungsbereiches bei Partitionierung des Wafer-Stapels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen wenigstens eines Druckmesselements, das als Teil des ersten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens eines Sockels, der als Teil des zweiten Wafers ausgebildet ist; Bereitstellen wenigstens einer Kappe, die als Teil des dritten Wafers ausgebildet ist; wobei der Wafer-Stapel derart partitioniert wird, dass einer der wenigstens zwei Drucksensoren das wenigstens eine Druckmesselement, den wenigstens einen Sockel und die wenigstens eine Kappe aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen einer Mehrzahl von Mikro-Stäben, die auf der unteren Fläche des Sockels ausgebildet sind; und Bereitstellen wenigstens eines Belüftungsbereiches in der Nähe zu wenigstens einem von der Mehrzahl von Mikro-Stäben; Bonden des Sockels an ein Gehäusesubstrat unter Verwendung eines Befestigungsmaterials; Abführen von Luft und Dampf weg von dem wenigstens einen Belüftungsbereich beim Befestigen des Drucksensors an einem Gehäusesubstrat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines Hohlraums, der als Teil des wenigstens einen Druckmesselements ausgebildet ist; Bereitstellen eines Kappenhohlraums, der als Teil der Kappe ausgebildet ist; und Bereitstellen einer Öffnung, die als Teil des Sockels ausgebildet ist, wobei sich die Öffnung in fluider Verbindung mit dem Hohlraum befindet; Detektieren des auf das Druckmesselement in dem Hohlraum ausgeübten Druckes durch Messen der Drucksensorausgabeänderung aufgrund der Verbiegung wenigstens eines Abschnitts des Druckmesselements.
Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors nach Anspruch 21, weiterhin umfassend die Schritte des Bildens wenigstens eines partiellen Vakuums in dem Kappenhohlraum durch Bonden der unteren Fläche des dritten Wafers an die obere Fläche des ersten Wafers.