DE102016214973A1 - Combined laser drilling and plasma etching method for producing a micromechanical device and micromechanical device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat (11), mit wenigstens einer ersten Kaverne (100), mit einem verschlossenen Zugang (1) zur ersten Kaverne (100), wobei der Zugang (1) durch das erste Substrat (11) verläuft. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zugang (1) einen lasergebohrten ersten Teilabschnitt (12) und einen plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) aufweist, wobei der plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) eine Öffnung zur ersten Kaverne (100) aufweist, wobei der Zugang (1) im ersten Teilabschnitt (12) durch einen Schmelzverschluss (5) aus Schmelze wenigstens des ersten Substrats (11) verschlossen ist. Die Erfindung betrifft auch ein kombiniertes Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen.The invention relates to a micromechanical device having a first substrate (11), with at least one first cavern (100), with a closed access (1) to the first cavern (100), the access (1) passing through the first substrate (11). 11) runs. The essence of the invention is that the access (1) has a laser drilled first section (12) and a plasma etched second section (13), wherein the plasma etched second section (13) has an opening to the first cavity (100), wherein the Access (1) in the first section (12) by a melt closure (5) made of melt of at least the first substrate (11) is closed. The invention also relates to a combined laser drilling and plasma etching process for the production of micromechanical devices.

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat, mit wenigstens einer ersten Kaverne, mit einem verschlossenen Zugang zur ersten Kaverne, wobei der Zugang durch das erste Substrat verläuft. The invention is based on a micromechanical device having a first substrate, with at least one first cavern, with a closed access to the first cavern, the access extending through the first substrate.

Aus der Druckschrift WO 2015/120939 A1 ist ein Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines MEMS-Elements bekannt. Dabei wird in einem Kappenwafer oder in einem Sensorwafer ein schmaler Zugangskanal zu einer MEMS-Kaverne erzeugt. Die Kaverne wird mit den gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Der Bereich um Zugangskanal wird danach lokal über einen Laser erhitzt. Das Substratmaterial verflüssigt sich dabei lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch. From the publication WO 2015/120939 A1 is a method for selectively adjusting an internal pressure in a cavern of a MEMS element known. In this case, a narrow access channel to a MEMS cavern is produced in a cap wafer or in a sensor wafer. The cavern is flooded with the desired gas and internal pressure via the access channel. The area around access channel is then heated locally via a laser. The substrate material liquefies locally and hermetically closes the access channel during solidification.

Meist wird ein derartiges Verfahren genutzt, wenn man in einem MEMS-Element mit zwei Kavernen erzeugen möchte, wobei in den beiden Kavernen ein unterschiedlicher Innendruck erzeugt werden soll (1). In most cases, such a method is used if one wishes to generate in a MEMS element with two caverns, wherein a different internal pressure is to be generated in the two caverns ( 1 ).

Notwendig ist dies, wenn man beispielsweise eine Beschleunigungssensor mit einem Drehratensensor kombinieren möchte. Der Beschleunigungssensor benötigt für eine optimale Arbeitsweise einen hohen Innendruck, wohingegen ein Drehratensensor eher einen sehr kleinen Innendruck benötigt. Dieses Verfahren erlaubt es in jeder Kaverne den jeweiligen, optimalen Innendruck einzustellen. This is necessary if, for example, you would like to combine an acceleration sensor with a yaw rate sensor. The acceleration sensor requires a high internal pressure for optimum operation, whereas a rotation rate sensor requires a very small internal pressure. This method makes it possible to set the respective optimum internal pressure in each cavern.

Auch kann das Verfahren genutzt werden, wenn verursacht durch eine Ausgasung während der Prozessführung ein sehr geringer Innendruck in einer Kaverne nicht erreicht werden kann, so kann dieser nachträglich eingestellt werden. Also, the method can be used, if caused by an outgassing during litigation, a very low internal pressure in a cavern can not be achieved, it can be subsequently adjusted.

In einer diskreten Anordnung, in der nur ein MEMS-Element realisiert wird und die Auswerteschaltung separat vorgesehen wird, kann die Erzeugung des Zugangskanals (1) gleichzeitig mit dem Freistellen der elektrischen Kontaktflächen (2) gemacht werden. In einer derartigen Anordnung wird meist ein relativ dünner Kappenwafer verwendet. Nach der Bondung des Kappenwafers (3) auf den Sensorwafer (4) kann über eine Fotomaske und ein Trenchverfahren in einem Schritt, sowohl eine schmale Zugangsöffnung zu einer ersten Kaverne, als auch eine große Zugangsöffnung zu den Kontaktflächen, erzeugt werden. In a discrete arrangement in which only one MEMS element is realized and the evaluation circuit is provided separately, the generation of the access channel ( 1 ) simultaneously with the blanking of the electrical contact surfaces ( 2 ) be made. In such an arrangement, a relatively thin cap wafer is usually used. After bonding the cap wafer ( 3 ) on the sensor wafer ( 4 ) can be generated via a photomask and a trench method in one step, both a narrow access opening to a first cavity, and a large access opening to the contact surfaces.

In der deutschen Patentschrift DE 102011103516 B4 wird vorgeschlagen, eine MEMS-Struktur mit einer Abscheidung ein polykristallinen Siliziumschicht zu verkapseln und dann mit einem Laser-Bohr-Prozess ein Zugangskanal in die polykristallinen Siliziumschicht zu erzeugen. Dann wird eine definierte Atmosphäre in der MEMS-Kaverne eingestellt und mit einem Laser-Verschluss-Prozess wird der Zugangskanal verschlossen. Das Anlegen des Zugangskanals ist im Vergleich zu einem reinen Trenchprozess mit dem nur ein Zugangskanal angelegt kostengünstig. Nachteilig ist, dass bei einem Laser-Bohr-Prozess immer Schmauch entsteht, der die MEMS-Strukturen beinträchtigen kann. Weiter ist nachteilig, dass der Laser-Bohr-Prozess nicht sehr selektiv auf unterschiedliche Materialien ist. Das heißt unabhängig vom Material wird beim Laser-Bohren nicht nur ein Zugangsloch durch die polykristallinen Siliziumschicht erzeugt, sondern es wird auch gleichzeitig in die darunterliegende Schicht ein Loch gebohrt. In the German patent DE 102011103516 B4 It is proposed to encapsulate a MEMS structure with a deposition of a polycrystalline silicon layer and then to create an access channel into the polycrystalline silicon layer by means of a laser drilling process. Then a defined atmosphere is set in the MEMS cavern and the access channel is closed with a laser sealing process. The creation of the access channel is cost-effective compared to a pure trench process with only one access channel applied. The disadvantage is that in a laser drilling process always creates smoke that can affect the MEMS structures. Another disadvantage is that the laser drilling process is not very selective to different materials. That is, irrespective of the material, laser drilling does not only create an access hole through the polycrystalline silicon layer, but also simultaneously drills a hole in the underlying layer.

Aufgabe der Erfindung Object of the invention

Gesucht ist ein Verfahren oder eine Anordnung, die es erlaubt einen Zugangskanal in einem dicken Substrat kostengünstig herzustellen. Der Zugangskanal soll in einer Kaverne enden und dort im Herstellungsprozess keinen Schmauch und andere Verunreinigungen erzeugen. Auch soll das Verfahren, sobald es die Kaverne erreicht, stoppen und nicht weiter in das unter der Kaverne liegende Material hineinbohren. Weiterhin soll das Verfahren an der Substratoberfläche sehr kleine Zugangslöcher erzeugen, die mit einem Laser-Aufschmelz-Verfahren verschlossen werden können. What is needed is a method or arrangement that allows inexpensive production of an access channel in a thick substrate. The access channel should end in a cavern and produce no smoke and other impurities in the manufacturing process. Also, the process should stop as soon as it reaches the cavern and not further drill into the underlying material under the cavern. Furthermore, the method should produce at the substrate surface very small access holes that can be closed by a laser reflow process.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat, mit wenigstens einer ersten Kaverne, mit einem verschlossenen Zugang zur ersten Kaverne, wobei der Zugang durch das erste Substrat verläuft. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zugang einen lasergebohrten ersten Teilabschnitt und einen plasmageätzten zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der plasmageätzten zweiten Teilabschnitt eine Öffnung zur ersten Kaverne aufweist, wobei der Zugang im ersten Teilabschnitt durch einen Schmelzverschluss aus Schmelze wenigstens des ersten Substrats verschlossen ist. The invention is based on a micromechanical device having a first substrate, with at least one first cavern, with a closed access to the first cavern, the access extending through the first substrate. The essence of the invention is that the access has a laser-drilled first section and a plasma-etched second section, wherein the plasma-etched second section has an opening to the first cavity, wherein the access in the first section is closed by a melt-melt closure of at least the first substrate ,

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Substrat eine Zusatzschicht aufweist und der Zugang auch durch Schmelze der Zusatzschicht verschlossen ist. An advantageous embodiment of the invention provides that the first substrate has an additional layer and the access is also closed by melt of the additional layer.

Vorteilhaft ist die mikromechanische Vorrichtung eine hybrid integrierte mikromechanische Vorrichtung wobei die Vorrichtung ein zweites Substrat mit einer ASIC-Schaltung aufweist. Advantageously, the micromechanical device is a hybrid integrated micromechanical device wherein the device has a second substrate with an ASIC circuit.

Die Erfindung betrifft auch ein kombiniertes Laser-Bohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen. The invention also relates to a combined laser drilling and plasma etching method for producing micromechanical devices.

Vorteilhaft wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schmauch in der Kaverne vollständig vermieden. Vorteilhaft ist keine teure Fotomaske für dem Plasma-Ätzprozess notwendig. Der Laserbohrprozess erzeugt die für den Trenchprozess notwendige Maske. Vorteilhaft erfolgt die Justage zwischen Laser-Bohrprozess und Trenchprozess über die Zusatzschicht selbstjustierend, ein Versatz ist ausgeschlossen. Vorteilhaft kann durch die Kombination zweier Abtragungsverfahren, nämlich Laserbohren und Trenchätzen, ein in Summe höheres Aspektverhältnis für den Zugangskanal erreicht werden. Durch geeignete Wahl der Zusatzschicht ist es vorteilhaft möglich kleinere Zugangsöffnungen im Laser-Bohrprozess zu erreichen. Vorteilhaft kann die Zusatzschicht gleichzeitig genutzt werden, um einen stabileren Laser-Reseal-Prozess zu erzeugen, beispielsweise indem das Material der Zusatzschicht leichter schmelzbar ist, oder mit dem Material des Substrats, insbesondere Silizium, ein Eutektikum bildet. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße kombinierte Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren mit dem definierten Einbringen einer geeigneten Atmosphäre und dem Verschließen an jeder beliebigen Stelle im gesamten MEMS-Herstellungsprozess integriert werden. Insbesondere kann diese Schrittfolge auch ganz am Ende des Wafer-Herstellungsprozesses integriert werden. So muss der eigentliche Herstellungsprozess nicht verändert werden. Advantageously, with the method according to the invention, smoke in the cavern is completely avoided. Advantageously, no expensive photomask for the plasma etching process is necessary. The laser drilling process generates the mask necessary for the trench process. Advantageously, the adjustment between the laser drilling process and the trench process via the additional layer is self-adjusting, an offset is excluded. Advantageously, by combining two removal methods, namely laser drilling and trench etching, a higher overall aspect ratio for the access channel can be achieved. By suitable choice of the additional layer, it is advantageously possible to achieve smaller access openings in the laser drilling process. Advantageously, the additional layer can be used simultaneously to produce a more stable laser reseal process, for example by making the material of the additional layer more readily fusible, or by forming a eutectic with the material of the substrate, in particular silicon. Advantageously, the combined laser drilling and plasma etching process according to the invention can be integrated with the defined introduction of a suitable atmosphere and sealing at any point in the entire MEMS production process. In particular, this sequence of steps can also be integrated at the very end of the wafer production process. So the actual manufacturing process does not have to be changed.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt (c) die Zusatzschicht entfernt wird. Vorteilhaft kann die Zusatzschicht unmittelbar nach dem Schritt (c) entfernt werden oder in einem späteren Verfahrensschritt.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that after step (c) the additional layer is removed. Advantageously, the additional layer can be removed immediately after step (c) or in a later process step.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt (e) in der ersten Kaverne eine Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung und bestimmtem Druck eingestellt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that after the step (e) in the first cavern, an atmosphere having a specific composition and a certain pressure is set.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (f) auch Laser-Schmelzen von Material der Zusatzschicht erfolgt. Vorteilhaft wird der Zugang auch durch Schmelze der Zusatzschicht verschlossen. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that laser melting of material of the additional layer takes place in step (f). Advantageously, the access is closed by melt of the additional layer.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schritt (c) und/oder der Schritt (d) im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck durchgeführt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that step (c) and / or step (d) is carried out essentially at atmospheric pressure.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (c) das Laserbohren mit einem ersten Laser oder auch mit ersten Laser-Betriebsparametern, insbesondere mit sehr kurzer Wellenlänge oder auch sehr stark fokussiert oder auch mit sehr kurzer Pulslänge durchgeführt wird, und dass im Schritt (d) das Laserbohren mit einem zweiten laser oder auch mit zweiten Laser-Betriebsparametern, welche von den ersten Laser-Betriebsparametern verschieden sind, insbesondere mit größerer Wellenlänge oder auch weniger stark fokussiert oder auch mit größerer Pulslänge durchgeführt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step (c) the laser drilling is performed with a first laser or with first laser operating parameters, in particular with a very short wavelength or very strongly focused or with a very short pulse length, and that in step (d) the laser drilling with a second laser or with second laser operating parameters, which are different from the first laser operating parameters, in particular with a larger wavelength or less strongly focused or performed with a larger pulse length.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (d) das Laserbohren zunächst mit den ersten Laser-Betriebsparametern bis zu einer bestimmten Tiefe durchgeführt wird und anschließend das Laserbohren mit den zweiten Laser-Betriebsparametern durchgeführt wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step (d) the laser drilling is first performed with the first laser operating parameters to a certain depth and then the laser drilling is performed with the second laser operating parameters.

Zeichnung drawing

1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne mit einem verschlossenen Zugang im Stand der Technik. 1 shows a micromechanical device with a cavern with a closed access in the prior art.

2A bis G zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kombinierten Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. 2A to G shows an embodiment of the combined laser drilling and plasma etching method according to the invention for producing a micromechanical device.

3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. 3 schematically shows the laser drilling and plasma etching process according to the invention for producing a micromechanical device.

Beschreibung description

1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Kaverne mit einem verschlossenen Zugang im Stand der Technik. Schematisch dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung mit einem MEMS-Wafer 4 und einem Kappenwafer 3. Der Kappenwafer 3 weist einen Zugangskanal 1 auf, der mit einem Schmelzverschluss 5 verschlossen ist. In Ausnehmungen des Kappenwafers 3 sind elektrische Kontaktflächen 2 angeordnet. Die mikromechanische Vorrichtung weist eine erste Kaverne 100, welche beispielsweise einen Drehratensensor enthält, und eine zweite Kaverne 200, welche beispielsweise einen Beschleunigungssensor enthält, auf. Die Kaverne 200 enthält im Wesentlichen eine Atmosphäre mit Druck und Zusammensetzung des Prozessgases beim Bonden des MEMS-Wafers 4 mit dem Kappenwafer 3. Hierdurch ist eine gute Dämpfung des Beschleunigungssensors gewährleistet. Die Kaverne 100 wurde durch den Zugang 1 evakuiert und der Zugang 1 anschließend mittels eines Schmelzverschlusses 5 verschlossen. Hierdurch ist eine hohe Güte des Schwingers des Drehratensensors gewährleistet. Der Pfeil kennzeichnet die Wirkrichtung eines Laser-Verschluss Prozesses zur Herstellung des Schmelzverschlusses 5. 1 shows a micromechanical device with a cavern with a closed access in the prior art. Schematically illustrated is a micromechanical device with a MEMS wafer 4 and a cap wafer 3 , The cap wafer 3 has an access channel 1 on top, with a melt closure 5 is closed. In recesses of the cap wafer 3 are electrical contact surfaces 2 arranged. The micromechanical device has a first cavity 100 which contains, for example, a rotation rate sensor, and a second cavity 200 , which contains, for example, an acceleration sensor on. The cavern 200 essentially contains an atmosphere with pressure and composition of the process gas in the bonding of the MEMS wafer 4 with the cap wafer 3 , As a result, a good damping of the acceleration sensor is ensured. The cavern 100 was through the access 1 evacuated and access 1 then by means of a melt closure 5 locked. This ensures a high quality of the oscillator of the rotation rate sensor. The arrow indicates the effective direction a laser closure process for making the fusion closure 5 ,

In einer diskreten Anordnung eines mikromechanischen Sensors oder einer sonstigen mikromechanischen Vorrichtung, in der nur ein MEMS-Element realisiert wird und die Auswerteschaltung oder eine sonstige elektrische Steuerschaltung separat vorgesehen wird, kann der Zugangskanal 1 gleichzeitig mit dem Freistellen der elektrischen Kontaktflächen 2 hergestellt werden. In einer derartigen Anordnung wird meist ein relativ dünner Kappenwafer 3 verwendet. Nach dem Bonden des Kappenwafers 3 auf den Sensorwafer 4 kann über eine Fotomaske und ein Trenchverfahren in einem gemeinsamen Schritt, sowohl eine schmale Zugangsöffnung 1 zu der ersten Kaverne 100, als auch eine große Zugangsöffnung zu den Kontaktflächen 2, erzeugt werden. In a discrete arrangement of a micromechanical sensor or another micromechanical device, in which only one MEMS element is realized and the evaluation circuit or another electrical control circuit is provided separately, the access channel 1 simultaneously with the cropping of the electrical contact surfaces 2 getting produced. In such an arrangement is usually a relatively thin cap wafer 3 used. After bonding the cap wafer 3 on the sensor wafer 4 can use a photomask and a trench in a common step, both a narrow access opening 1 to the first cavern 100 , as well as a large access opening to the contact surfaces 2 , be generated.

Schwierig wird die Herstellung der Zugangsöffnung 1 zu der ersten Kaverne 100 bei dicken Kappenwafer. Die Zugangsöffnung 1 darf nicht zu groß werden, da sonst ein Verschließen über ein lokales Aufschmelzen und anschießendes Erstarren nicht mehr möglich ist. Trenchverfahren, die sehr schmale Zugänge erzeugen und gleichzeitig sehr tief reichen, also ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, sind schwierig und werden mit zunehmendem Aspektverhältnis immer langsamer und aufwendiger. Difficult is the production of the access opening 1 to the first cavern 100 with thick cap wafer. The access opening 1 must not be too large, otherwise it will no longer be possible to close it by means of a local melting and subsequent solidification. Trench methods that produce very narrow accesses and at the same time reach very low, ie have a high aspect ratio, are difficult and become increasingly slower and more complicated as the aspect ratio increases.

Wird der Zugang 1 zur ersten Kaverne 100 nicht gleichzeitig mit dem Öffnen der Kontaktbereiche 2 hergestellt, muss für beide Prozesse jeweils eine eigene Fotomaske vorgesehen werden. Dies ist aufwendig und teuer und zum Teil auch technisch schwer umsetzbar. Will the access 1 to the first cavern 100 not at the same time as opening the contact areas 2 produced, a separate photomask must be provided for both processes. This is complicated and expensive and partly technically difficult to implement.

2A bis G zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kombinierten Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. 2A zeigt zunächst einen bereitgestellten Waferverbund mit einem MEMS-Wafer und einem Substrat mit einer ASIC-Auswerteschaltung. Für Anwendungen sogenannter hybrider Integration wird auf Wafer-Level ein zweites Substrat 15 mit einer ASIC-Auswerteschaltung 6 direkt mit einem MEMS-Wafer 7 mit einem ersten Substrat 11 kombiniert. Alternativ wird auf die ASIC-Auswerteschaltung ein MEMS-Element aufgebracht und dieser Wafer wird mit einem Kappensubstrat verkapselt. Um einen möglichst kompakte Bauteile zu bekommen, können durch das ASIC-Substrat 15 oder das MEMS-Substrat 11 Durchkontaktierungen (trans silicon vias, TSV’s) 8 vorgesehen werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der ASIC-Schaltung, insbesondere einer MEMS-Sensor-Auswerteschaltung, und der Umgebung zu erzeugen. 2B zeigt das Aufbringen einer Zusatzschicht 9 auf das erste Substrat 11. Mit einem Laserbohr-Verfahren mit gepulster Laser-Energie wird gemäß 2C in die Zusatzschicht 9 ein Loch 10 gebohrt. Weiter wird dann gemäß 2D in das darunterliegende Material des ersten Substrats 11 ebenfalls mit einem gepulsten Laser das Loch vertieft und in einen ersten Teilabschnitt 12 des ersten Substrats 11 vorangetrieben. Bevor die darunterliegende erste Kaverne 100 erreicht wird, wird auf ein Plasma-Ätzverfahren, insbesondere ein Trench-Verfahren, umgestellt, wie in 2E gezeigt ist. Die Zusatzschicht 9 dient als Maske für das Plasma-Ätzverfahren. Mit dieser Schicht als Maske wird mit dem Plasma-Ätzverfahren der Zugangskanal 1 durch einen zweiten Teilabschnitt 13 des ersten Substrats 11 bis zur ersten Kaverne 100, in der sich beispielsweise ein MEMS-Funktionselement befindet, geätzt. Die Pfeile kennzeichnen hier die Wirkrichtung eines Trench-Verfahrens. In der Kaverne, insbesondere an einer dem Zugangskanal 1 gegenüberliegenden Wand der Kaverne, kann optional eine Stoppschicht 14 vorgesehen sein, so dass das Plasma-Ätzverfahren nicht weiter in das MEMS-Funktionselement oder die ASIC-Schaltung oder in das zweite Substrat hinein ätzt. Dann wird die Kaverne mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. 2F zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Zusatzschicht 9 anschließend entfernt wird. Die Zusatzschicht 9 kann beispielsweise aus Oxid bestehen und durch Ätzen entfernt werden. Die Pfeile kennzeichnen hier die Einwirkung eines Erzprozesses zum Entfernen der Zusatzschicht 9. Alternativ kann die Zusatzschicht 9 auch in einem späteren Verfahrensschritt entfernt werden oder bestehen bleiben. 2G zeigt wie schließlich ein Bereich des ersten Substrats 11 um den Zugangskanal 1 lokal über einen Laser erhitzt wird. Das Substratmaterial des ersten Substrats 11 verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal 1 im lasergebohrten ersten Teilabschnitt 12 hermetisch mit einem Schmelzverschluss 5. Falls die Zusatzschicht 9 nicht entfernt wurde, kann auch ein Teil der Zusatzschicht über den Laser erhitzt werden. Material der Zusatzschicht 9 verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren ebenfalls den Zugangskanal 1. 2A to G shows an embodiment of the combined laser drilling and plasma etching method according to the invention for producing a micromechanical device. 2A shows first a provided wafer composite with a MEMS wafer and a substrate with an ASIC evaluation circuit. For applications of so-called hybrid integration, wafer level becomes a second substrate 15 with an ASIC evaluation circuit 6 directly with a MEMS wafer 7 with a first substrate 11 combined. Alternatively, a MEMS element is applied to the ASIC evaluation circuit and this wafer is encapsulated with a cap substrate. In order to get as compact a component as possible, the ASIC substrate can be used 15 or the MEMS substrate 11 Vias (trans silicon vias, TSV's) 8th be provided to produce an electrical connection between the ASIC circuit, in particular a MEMS sensor evaluation circuit, and the environment. 2 B shows the application of an additional layer 9 on the first substrate 11 , Using a laser drilling method with pulsed laser energy is performed according to 2C in the additional layer 9 a hole 10 drilled. Next is then according to 2D into the underlying material of the first substrate 11 also deepened the hole with a pulsed laser and into a first section 12 of the first substrate 11 promoted. Before the underlying first cavern 100 is achieved, is switched to a plasma etching process, in particular a trench method, as in 2E is shown. The additional layer 9 serves as a mask for the plasma etching process. With this layer as a mask, the access channel becomes the plasma etching process 1 through a second section 13 of the first substrate 11 until the first cavern 100 , in which, for example, a MEMS functional element is etched. The arrows indicate here the direction of action of a trench method. In the cavern, especially at one of the access channel 1 opposite wall of the cavern, can optionally a stop layer 14 so that the plasma etching process does not further etch into the MEMS functional element or the ASIC circuit or into the second substrate. Then the cavern is flooded with the desired gas and the desired internal pressure via the access channel. 2F shows a variant of the method according to the invention, in which the additional layer 9 subsequently removed. The additional layer 9 may for example consist of oxide and be removed by etching. The arrows here indicate the action of an ore process for removing the additional layer 9 , Alternatively, the additional layer 9 be removed or persist in a later step. 2G shows how finally an area of the first substrate 11 around the access channel 1 is heated locally via a laser. The substrate material of the first substrate 11 liquefies locally and closes the access channel during solidification 1 in the laser drilled first section 12 hermetic with a melt closure 5 , If the additional layer 9 has not been removed, also a part of the additional layer can be heated by the laser. Material of the additional layer 9 liquefies locally and closes when solidifying also the access channel 1 ,

3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Verfahrensschritten:

  • (a) Bereitstellen eines mikromechanischen Vorläuferprodukts mit einem ersten Substrat 11 und wenigstens einer ersten Kaverne 100, wobei die erste Kaverne 100 wenigstens von dem ersten Substrat 11 begrenzt wird,
  • (b) Aufbringen einer Zusatzschicht 9 auf das erste Substrat 11,
  • (c) Laserbohren durch die Zusatzschicht 9 und somit Herstellen einer Maske,
  • (d) Laserbohren eines ersten Teilabschnitts 12 des ersten Substrats 11 durch die Maske hindurch,
  • (e) Plasmaätzen eines zweiten Teilabschnitts 13 des ersten Substrats 11 durch die Maske und durch den ersten Teilabschnitt 12 hindurch, derart, dass ein Zugang 1 durch das erste Substrat 11 zur Kaverne 100 geschaffen wird,
  • (f) Laser-Schmelzen von Substratmaterial des ersten Teilabschnitts 12 und Verschließen des Zugangs 1 mit Schmelze.
3 schematically shows the laser drilling and plasma etching process according to the invention for producing a micromechanical device with the method steps:
  • (a) providing a micromechanical precursor product with a first substrate 11 and at least a first cavern 100 , where the first cavern 100 at least from the first substrate 11 is limited,
  • (b) applying an additional layer 9 on the first substrate 11 .
  • (c) laser drilling through the additional layer 9 and thus producing a mask,
  • (d) laser drilling a first section 12 of the first substrate 11 through the mask,
  • (e) plasma etching a second subsection 13 of the first substrate 11 through the mask and through the first section 12 through, such an access 1 through the first substrate 11 to the cavern 100 is created
  • (f) laser melting substrate material of the first section 12 and closing the access 1 with melt.

Die wesentlichen Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • 1. Ein MEMS-Wafer-Strack wird mit mindesten einer Zusatzschicht versehen.
  • 2. Mit einem Laser-Bohr-Verfahren wird in die Zusatzschicht und das Substratmaterial ein Sack-Loch gebohrt.
  • 3. Mit einem Plasma-Ätzverfahren insbesondere mit einem Trench-Verfahren wird das Loch weiter bis in die Kaverne geätzt.
  • 4. Optional kann nun die Zusatzschicht entfernt werden (2F).
  • 5. Die Kaverne wird mit den gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet.
  • 6. Der Bereich um den Zugangskanal wird lokal über einen Laser erhitzt, das Substratmaterial verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch.
The essential process steps of the process according to the invention can be summarized as follows:
  • 1. A MEMS wafer line is provided with at least one additional layer.
  • 2. A sack hole is drilled in the additional layer and substrate material using a laser drilling method.
  • 3. With a plasma etching process, in particular with a trench method, the hole is further etched into the cavern.
  • 4. Optionally, the additional layer can now be removed ( 2F ).
  • 5. The cavern is flooded with the desired gas and internal pressure over the access channel.
  • 6. The area around the access channel is locally heated by a laser, the substrate material liquefies locally and hermetically seals the access channel upon solidification.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung Further embodiments of the invention

Es ist günstig den Laser-Bohr-Prozess mit zwei unterschiedlichen Lasern oder Lasereinstellungen vorzunehmen. Der erste Laser-Bohr-Prozess ist optimiert, um ein Loch in die Zusatzschicht zu bohren. Es kann beispielsweise bewusst eine Laser mit sehr kurzer Wellenlänge verwendet werden, der sehr stark fokussiert ist und oder eine sehr kurze Pulslänge hat. Damit kann in der Zusatzschicht ein sehr kleines Zugangsloch erzeugt werden. Der zweite Laser-Bohr-Prozess kann optimiert werden, um im Substrat ein Loch zu bohren. Insbesondere kann die Zusatzschicht und der zweite Laser derart kombiniert werden, dass ein Teil der Laserleistung reflektiert wird. Es kann beispielsweise als Zusatzschicht eine Metallschicht wie insbesondere Aluminium verwendet werden, die mit einer Laserwellenlänge kombiniert wird, so dass ein großer Teil des Lichts reflektiert wird. Oder es wird eine teilweise transparente Schicht, wie beispielsweise Oxid verwendet, die aber in einer Dicke derart gewählt wird, dass das Laser-Licht zu einem großen Teil reflektiert wird. Durch eine solche Anordnung kann das Laser-Licht durch die Zusatzschicht neben der normalen Fokussierung noch weiter räumlich lokalisiert werden und man ist damit in der Lage sehr kleine Zugangskanäle auch in großer Tiefe zu bohren. Günstig an diesem Verfahren ist, dass als zweiter Laser-Bohr-Prozess auch ein Laser mit größerer Wellenlänge und /oder größerer Pulslänge verwendet werden kann, der schnellere Bohrraten erlaubt. It is convenient to perform the laser drilling process with two different lasers or laser settings. The first laser drilling process is optimized to drill a hole in the additional layer. For example, it is possible to deliberately use a laser with a very short wavelength, which is very focused and or has a very short pulse length. Thus, a very small access hole can be created in the additional layer. The second laser drilling process can be optimized to drill a hole in the substrate. In particular, the additional layer and the second laser can be combined in such a way that a part of the laser power is reflected. For example, as an additional layer, it is possible to use a metal layer, in particular aluminum, which is combined with a laser wavelength, so that a large part of the light is reflected. Or, a partially transparent layer such as oxide is used, but is selected in a thickness such that the laser light is largely reflected. By such an arrangement, the laser light can be further spatially localized by the additional layer in addition to the normal focus and it is thus able to drill very small access channels also at great depth. A favorable feature of this method is that the second laser drilling process can also use a laser with a longer wavelength and / or a longer pulse length, which allows faster drilling rates.

Weiterhin kann es günstig sein mit den ersten Laser-Bohr-Prozess ein Loch nicht nur in die Zusatzschicht 9 zu bohren, sondern auch in den oberen Teil des ersten Substrats 11, der später über das Aufschmelzverfahren verschlossen werden soll. Im mittleren Teil des Substrats kann man dann einen zweiten Laser-Bohr-Prozess verwenden, der eine größere Öffnung bohrt und dafür schneller arbeitet. Eine schmale Zugangsöffnung im oberen Substratbereich ist für den nachfolgenden Verschlussprozess günstig. Daher ist es günstig die erste schmale Bohrung so tief oder tiefer als die Tiefe des Aufschmelzbereich im Verschlussprozess in das Substrat zu bohren.Furthermore, it can be beneficial with the first laser drilling process a hole not only in the additional layer 9 to drill, but also in the upper part of the first substrate 11 which is to be closed later via the reflow process. In the middle part of the substrate one can then use a second laser drilling process, which drills a larger opening and works faster. A narrow access opening in the upper substrate area is favorable for the subsequent closing process. Therefore, it is favorable to drill the first narrow bore as deep or deeper as the depth of the melting area in the sealing process in the substrate.

Weiter günstig ist es, wenn zunächst der Laser-Bohr-Prozess an der Luft, das heißt bei atmosphärischem Druck durchgeführt wird, um eine einfache, kostengünstige Prozessführung zu erlauben. Anschließend wird das Plasma-Ätzverfahren in einer Vakuum-Kammer durchgeführt. Dann wird der Wafer direkt, ohne den Wafer aus der Vakuum-Anlage zu bringen, mit dem Laser-Reseal-Prozess verschlossen. Günstig an diesem Ablauf ist, dass keine Verunreinigungen beim anschließenden Belüften in die Kaverne kommen können. Weiter können auch keine Feuchtigkeit und andere absorbierende Gase in die Kaverne kommen. Diese Gase könnten zum Teil nur durch Ausheizen entfernt werden. Da bei dieser Prozessführung kein Ausheizen notwendig ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren an beliebiger Stelle, insbesondere auch ganz am Ende der Prozesskette zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung, vorgenommen werden. Dies ist beispielsweise auch noch möglich, wenn schon Lotkugeln auf dem Wafer platziert wurden und daher eine Temperaturbehandlung nicht mehr möglich ist. It is further advantageous if the laser drilling process is initially carried out in air, that is to say at atmospheric pressure, in order to allow simple, cost-effective process control. Subsequently, the plasma etching process is carried out in a vacuum chamber. Then, the wafer is directly, without bringing the wafer from the vacuum system, closed with the laser reseal process. A favorable feature of this process is that no impurities can enter the cavern during subsequent aerating. Furthermore, moisture and other absorbing gases can not enter the cavern. These gases could be removed in part only by heating. Since in this process management no annealing is necessary, the inventive method can be made at any point, especially at the very end of the process chain for the production of a micromechanical device. This is also possible, for example, if solder balls have already been placed on the wafer and therefore a temperature treatment is no longer possible.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch das MEMS-Substrat deutlich dicker als das ASIC-Substrat gewählt werden. Das ist insbesondere dann günstig wenn die MEMS-Strukturen mechanisch an das MEMS-Substrat gekoppelt sind.With the method according to the invention, the MEMS substrate can be selected to be significantly thicker than the ASIC substrate. This is particularly favorable when the MEMS structures are mechanically coupled to the MEMS substrate.

Besonders günstig ist das Verfahren für hybrid integrierte MEMS-Elemente. Günstig ist insbesondere, wenn auf einem Substrat eine MEMS-Struktur vorgesehen wird und auf einem weiteren Substrat eine ASIC-Auswerteschaltung vorgesehen wird und beide Substrate aufeinander gebondet werden. Dann ist es günstig den Zugang nach dem beschrieben Verfahren durch das Substrat mit der MEMS-Struktur zu wählen. In diesem Fall können ASIC-Funktionsschichten wie Passivierungsschichten (Oxide) oder Verdrahtungsschichten (Al oder Cu) als Ätz-Stoppschicht für das Plasma-Ätzverfahren verwendet werden, ohne dass Zusatzschichten im System aufgebracht werden müssen. The method is particularly favorable for hybrid integrated MEMS elements. It is particularly advantageous if a MEMS structure is provided on a substrate and an ASIC evaluation circuit is provided on a further substrate and both substrates are bonded to one another. Then it is convenient to choose access to the described method through the substrate with the MEMS structure. In this case, ASIC functional layers such as passivation layers (oxides) or wiring layers (Al or Cu) can be used as etchants. Stop layer can be used for the plasma etching process without additional layers must be applied in the system.

Speziell ist das Verfahren günstig zur Herstellung von hybrid integrierte MEMS-Elemente mit mindesten zwei Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck. In particular, the method is favorable for the production of hybrid integrated MEMS elements with at least two caverns with different internal pressure.

Weiterhin ist das Verfahren günstig zur Herstellung von hybrid integrierte MEMS-Elemente die als Bare-Die-Aufbauten konzipiert sind, also direkt mit Lotkugeln versehen sind und nicht in Plastikmasse vergossen werden. Furthermore, the method is favorable for the production of hybrid integrated MEMS elements which are designed as bare die constructions, ie are provided directly with solder balls and are not potted in plastic material.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Zugangskanalaccess channel
22
elektrische Kontaktflächenelectrical contact surfaces
33
Kappenwafercap wafer
44
Sensorwafersensor wafer
55
Schmelzverschlussmelting closure
66
ASIC WaferASIC wafer
77
MEMS WaferMEMS wafer
88th
TSVTSV
99
Zusatzschichtadditional layer
1010
lasergebohrtes Loch in Zusatzschicht laser drilled hole in additional layer
1111
erstes Substrat first substrate
1212
lasergebohrter erster Teilabschnitt des Zugangskanals im ersten Substrat laser drilled first section of the access channel in the first substrate
1313
plasmageätzter zweiter Teilabschnitt des Zugangskanals im ersten Substrat plasma etched second section of the access channel in the first substrate
1414
Stoppschicht stop layer
1515
zweites Substrat second substrate
2020
Lotkugel solder ball
100100
erste Kaverne first cavern
200200
zweite Kaverne second cavern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2015/120939 A1 [0002] WO 2015/120939 A1 [0002]
  • DE 102011103516 B4 [0007] DE 102011103516 B4 [0007]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines mikromechanischen Vorläuferprodukts mit einem ersten Substrat (11) und wenigstens einer ersten Kaverne (100), wobei die erste Kaverne (100) wenigstens von dem ersten Substrat (11) begrenzt wird, (b) Aufbringen einer Zusatzschicht (9) auf das erste Substrat (11), (c) Laserbohren durch die Zusatzschicht (9) und somit Herstellen einer Maske, (d) Laserbohren eines ersten Teilabschnitts (12) des ersten Substrats (11) durch die Maske hindurch, (e) Plasmaätzen eines zweiten Teilabschnitts 13 des ersten Substrats (11) durch die Maske und durch den ersten Teilabschnitt 12 hindurch, derart, dass ein Zugang (1) durch das erste Substrat (11) zur Kaverne (100) geschaffen wird, (f) Laser-Schmelzen von Substratmaterial des ersten Teilabschnitts (12) und Verschließen des Zugangs (1) mit Schmelze.Method for producing a micromechanical device comprising the steps of: (a) providing a micromechanical precursor product with a first substrate ( 11 ) and at least one first cavern ( 100 ), the first cavern ( 100 ) at least from the first substrate ( 11 ), (b) applying an additional layer ( 9 ) on the first substrate ( 11 ), (c) laser drilling through the additional layer ( 9 ) and thus producing a mask, (d) laser drilling a first subsection ( 12 ) of the first substrate ( 11 through the mask, (e) plasma etching a second subsection 13 of the first substrate ( 11 ) through the mask and through the first section 12 such that access ( 1 ) through the first substrate ( 11 ) to the cavern ( 100 ), (f) laser melting of substrate material of the first subsection ( 12 ) and closing access ( 1 ) with melt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (c) die Zusatzschicht (9) entfernt wird. Method according to claim 1, characterized in that after step (c) the additional layer ( 9 ) Will get removed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (e) in der ersten Kaverne (100) eine Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung und bestimmtem Druck eingestellt wird. Method according to claim 1, characterized in that after step (e) in the first cavern ( 100 ) an atmosphere with certain composition and pressure is set. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (f) auch Laser-Schmelzen von Material der Zusatzschicht (9) erfolgt. A method according to claim 1 or 3, characterized in that in step (f) also laser melting of material of the additional layer ( 9 ) he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) und/oder der Schritt (d) im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the step (c) and / or the step (d) is carried out substantially at atmospheric pressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) das Laserbohren mit ersten Laser-Betriebsparametern, insbesondere mit sehr kurzer Wellenlänge und/oder sehr stark fokussiert und/oder mit sehr kurzer Pulslänge durchgeführt wird, und dass im Schritt (d) das Laserbohren mit zweiten Laser-Betriebsparametern, welche von den ersten Laser-Betriebsparametern verschieden sind, insbesondere mit größerer Wellenlänge und/oder weniger stark fokussiert und/oder mit größerer Pulslänge durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step (c) the laser drilling is performed with first laser operating parameters, in particular with a very short wavelength and / or very strongly focused and / or with a very short pulse length, and that in step (c) d) the laser drilling with second laser operating parameters, which are different from the first laser operating parameters, in particular with a larger wavelength and / or less focused and / or carried out with a larger pulse length. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (d) das Laserbohren zunächst mit den ersten Laser-Betriebsparametern bis zu einer bestimmten Tiefe durchgeführt wird und anschließend das Laserbohren mit den zweiten Laser-Betriebsparametern durchgeführt wird. A method according to claim 6, characterized in that in step (d) the laser drilling is performed first with the first laser operating parameters to a certain depth and then the laser drilling is performed with the second laser operating parameters. Mikromechanische Vorrichtung mit einem ersten Substrat (11), mit wenigstens einer ersten Kaverne (100), mit einem verschlossenen Zugang (1) zur ersten Kaverne (100), wobei der Zugang (1) durch das erste Substrat (11) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang (1) einen lasergebohrten ersten Teilabschnitt (12) und einen plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) aufweist, wobei der plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) eine Öffnung zur ersten Kaverne (100) aufweist, wobei der Zugang (1) im ersten Teilabschnitt (12) durch einen Schmelzverschluss (5) aus Schmelze wenigstens des ersten Substrats (11) verschlossen ist. Micromechanical device with a first substrate ( 11 ), with at least one first cavern ( 100 ), with a locked access ( 1 ) to the first cavern ( 100 ), whereby the access ( 1 ) through the first substrate ( 11 ), characterized in that the access ( 1 ) a laser drilled first section ( 12 ) and a plasma-etched second subsection ( 13 ), wherein the plasma etched second subsection ( 13 ) an opening to the first cavern ( 100 ), the access ( 1 ) in the first subsection ( 12 ) by a melt closure ( 5 ) of melt of at least the first substrate ( 11 ) is closed. Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (11) eine Zusatzschicht (9) aufweist und der Zugang (1) auch durch Schmelze der Zusatzschicht (9) verschlossen ist. Micromechanical device according to claim 8, characterized in that the first substrate ( 11 ) an additional layer ( 9 ) and the access ( 1 ) also by melt of the additional layer ( 9 ) is closed. Hybrid integrierte mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein zweites Substrat (15) mit einer ASIC-Schaltung aufweist. Hybrid integrated micromechanical device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the device comprises a second substrate ( 15 ) having an ASIC circuit.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102019218926A1 (en) * 2019-12-05 2021-06-10 Robert Bosch Gmbh Micromechanical device with a cavity with an access and manufacturing process

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