DE102017200714A1 - Method for producing a micromechanical inertial sensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors (100), aufweisend:- Bereitstellen eines Sensorwafers (10) mit einer beweglichen MEMS-Struktur (12);- Bereitstellen eines Kappensubstrats (20);- Ausbilden einer Kaverne (24) und einer Zugangsöffnung (23) zum Zuführen eines Antihaftschichtmaterials im Kappensubstrat (20); und- Verbinden des Sensorwafers (10) mit dem Kappensubstrat (20) mittels eines Bondprozesses.Method for producing a micromechanical inertial sensor (100), comprising: - providing a sensor wafer (10) with a movable MEMS structure (12) - providing a cap substrate (20) - forming a cavity (24) and an access opening (23) for supplying an anti-adhesion layer material in the cap substrate (20); and - connecting the sensor wafer (10) to the cap substrate (20) by means of a bonding process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors. Der Erfindung betrifft ferner einen mikromechanischen Inertialsensor.The invention relates to a method for producing a micromechanical inertial sensor. The invention further relates to a micromechanical inertial sensor.
Stand der TechnikState of the art
Bei mikromechanischen Sensoren mit beweglichen Schwingern kann ein Kontakt zwischen Teilen des Sensors, z.B. des Schwingers mit einem unbeweglichen Teil des Sensors, nicht ausgeschlossen werden.In micromechanical sensors with movable vibrators, contact between parts of the sensor, e.g. of the vibrator with an immovable part of the sensor, can not be excluded.
Damit dieser Kontakt nicht zu einer Immobilisierung des Sensors („Kleben“) führt, wird die Oberfläche der relevanten Bereiche mit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie versehen. Diese senkt die nötigen Kräfte, um den „klebenden“ Sensor nach einem Kontakt wieder zu lösen und vermindert dadurch ein Ausfallrisiko des Bauteils.So that this contact does not lead to an immobilization of the sensor ("gluing"), the surface of the relevant areas is provided with a layer of low surface energy. This lowers the forces necessary to release the "sticky" sensor after contact and thus reduces the risk of failure of the component.
Als mögliche Schichten mit niedriger Oberflächenenergie („Antihaftbeschichtungen“) auf MEMS-Bauelementen sind fluorierte Polymere oder mit fluorhaltigen Kohlenstoffketten versehene, selbstorganisierende Monoschichten (engl. selfassembled monolayer, SAM) weit verbreitet.As possible low surface energy layers ("non-stick coatings") on MEMS devices, fluorinated polymers or fluorine-containing carbon chain self-assembled monolayers (SAMs) are widely used.
Das Aufbringen der genannten Antihaftbeschichtungen erfolgt in Gasphasen- oder Plasmaprozessen. Dabei wird die gesamte relevante Oberfläche des Sensors mit der Antihaftschicht beschichtet.The application of said non-stick coatings is carried out in gas phase or plasma processes. The entire relevant surface of the sensor is coated with the non-stick layer.
MEMS-Sensoren werden üblicherweise in Hableitertechnik gefertigt. Der Sensor wird auf einem Substrat gefertigt und am Ende durch eine Kappe verschlossen. MEMS sensors are usually manufactured using semiconductor technology. The sensor is manufactured on a substrate and closed at the end by a cap.
Bei der Versiegelung des Substrats mit der Kappe kann die Antihaftbeschichtung auf bzw. zwischen den Versiegelungsflächen zu unerwünschten Effekten und Störungen der Versiegelung führen und/oder die Verbindung verhindern.When sealing the substrate with the cap, the non-stick coating on or between the sealing surfaces can lead to undesirable effects and imperfections of the seal and / or prevent the connection.
Eine mögliche Abhilfe ist, das Aufbringen der Antihaftschicht auf den beweglichen Sensor erst nach der erfolgten Bondung vorzunehmen. Dies kann durch einen Zugang in der Kappe (oder dem Sensor) erfolgen, der danach wieder verschlossen wird.A possible remedy is to apply the non-stick layer to the movable sensor only after the bonding has taken place. This can be done by accessing the cap (or sensor), which is then closed again.
Bei der Herstellung des Zugangs zum versiegelten Sensor, sind bereits bewegliche MEMS-Strukturen des Sensors nicht gegen Kleben geschützt. Bei notwendigen Zwischenschritten (z.B. Lackschleudem oder Maschinen mit für das Bauteil ungünstigen mechanischen Schwingungen bzw. Vibrationen) kann es so zu Klebeereignissen kommen, bevor das Bauteilinnere mit einer Antihaftschicht versehen wurde.In making the access to the sealed sensor, already moving MEMS structures of the sensor are not protected against sticking. If necessary intermediate steps (for example lacquer slurries or machines with mechanical vibrations or vibrations that are unfavorable to the component), sticking events may occur before the component interior has been provided with an anti-adhesion layer.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Nachteile beim Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors zu vermeiden.It is therefore an object of the present invention to avoid the above-mentioned disadvantages when manufacturing a micromechanical inertial sensor.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensorwafers mit einer beweglichen MEMS-Struktur;
- - Bereitstellen eines Kappensubstrats;
- - Ausbilden einer Kaverne und einer Zugangsöffnung zum Zuführen eines Antihaftschichtmaterials im Kappensubstrat; und
- - Verbinden des Sensorwafers mit dem Kappensubstrat mittels eines Bondprozesses.
- Providing a sensor wafer with a moveable MEMS structure;
- - Providing a cap substrate;
- Forming a cavity and an access opening for supplying an anti-adhesion layer material in the cap substrate; and
- - Connecting the sensor wafer with the cap substrate by means of a bonding process.
Auf diese Weise werden bei der Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors betreffend die beweglichen MEMS-Strukturen kraftintensive Prozessschritte vermieden, in bei denen die genannten MEMS-Strukturen verkleben und/oder geschädigt werden. Vorteilhaft wird dies dadurch erreicht, dass ein Zugangsloch zum Zuführen eines Antihaftschichtmaterials in den Kappenwafer bereits zu einem Zeitpunkt vor dem Bonden des Sensorsubstrats mit dem Kappensubstrat erzeugt wird. Vorteilhaft kann dadurch neben der Schonung der empfindlichen MEMS-Strukturen auch eine Qualität des Bondrahmens verbessert sein, weil das Bonden ohne Antihaftschichtmaterial auf den Bondpartnern durchgeführt werden kann.In this way, during the production of the micromechanical inertial sensor concerning the movable MEMS structures, force-intensive process steps are avoided in which the mentioned MEMS structures are bonded and / or damaged. This is advantageously achieved in that an access hole for feeding an anti-adhesion layer material into the cap wafer is already produced at a point in time before the bonding of the sensor substrate to the cap substrate. Advantageously, in addition to the protection of the sensitive MEMS structures, a quality of the bonding frame can also be improved because the bonding can be carried out without adhesive layer material on the bonding partners.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:
- - ein Sensorsubstrat mit einer beweglichen MEMS-Struktur; und
- - einen mit dem Sensorsubstrat mittels eines Bondrahmens verbundenen Kappenwafer;
- - wobei im Kappensubstrat eine Zugangsöffnung zum Zuführen eines Antihaftschichtmaterials ausgebildet ist, wobei die Zugangsöffnung vor dem Bonden des Kappensubstrats mit dem Sensorsubstrat ausgebildet wurde.
- a sensor substrate having a movable MEMS structure; and
- a cap wafer connected to the sensor substrate by means of a bonding frame;
- wherein an access opening for supplying an anti-adhesion layer material is formed in the cap substrate, wherein the access opening has been formed with the sensor substrate before the bonding of the cap substrate.
Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the method are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass auf dem Kappensubstrat mit der Zugangsöffnung eine Membran ausgebildet wird. Auf diese Weise wird während der Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors vorteilhaft ein Partikelschutz bzw. ein Schutz vor Feuchte bereitgestellt.An advantageous development of the method provides that on the cap substrate with the Access opening a membrane is formed. In this way, particle protection or moisture protection is advantageously provided during the production of the micromechanical inertial sensor.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verschließen der Zugangsöffnung mit einem Laser durchgeführt wird. Auf diese Weise kann ein bewährter Reseal-Prozess mit lokalem Aufschmelzen von Substratmaterial durchgeführt werden, der auf einfache Weise eine gute und hermetische Verschlussqualität der Zugangsöffnung bereitstellt.A further advantageous development of the method provides that the closing of the access opening is carried out with a laser. In this way, a proven reseal process can be performed with localized reflow of substrate material that readily provides a good and hermetic seal quality of the access port.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass beim Verschließen der Zugangsöffnung ein Antihaftschichtmaterial in die Kaverne eingefüllt wird. Dadurch kann aufgrund der Tatsache, dass das Einfügen des Antihaftschichtmaterials in die Kaverne erst nach dem Bonden durchgeführt wird, eine verbesserte Qualität des Bondrahmens bereitgestellt werden.A further advantageous embodiment of the method provides that when closing the access opening, an anti-adhesive layer material is filled into the cavern. Thereby, due to the fact that the insertion of the anti-adhesion layer material into the cavern is performed only after the bonding, an improved quality of the bonding frame can be provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Verschließen der Zugangsöffnung bei einem definierten Innendruck innerhalb der Kaverne durchgeführt wird. Durch die Wahl des geeigneten Innendrucks können Erfordernisse für einen spezifischen Sensortyp (z.B. Drehratensensor, Beschleunigungssensor, usw.) erfüllt werden.A further advantageous development of the method is characterized in that the closing of the access opening is carried out at a defined internal pressure within the cavern. By choosing the appropriate internal pressure, requirements for a specific type of sensor (e.g., rotation rate sensor, acceleration sensor, etc.) can be met.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Rückschleifen des Kappensubstrats auf eine definierte Zieldicke durchgeführt wird. Auf diese Weise können auf einfache Weise Erfordernisse an geometrische Abmessungen des Bauteils erfüllt werden.A further advantageous development of the method provides that a loopback of the cap substrate to a defined target thickness is performed. In this way, requirements for geometric dimensions of the component can be met in a simple manner.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Same or functionally identical elements have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanischen Inertialsensor ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the method for producing a micromechanical inertial sensor arise analogously from corresponding embodiments, features and advantages relating to the micromechanical inertial sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine Querschnittsansicht einer Vorstufe einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors; -
2 den vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensor nach dem Einfüllen von Antihaftmaterialmaterial; -
3 den vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensor nach einem Verschließen der Zugangsöffnung; -
4 den vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensor nach einem Rückschleifprozess; -
5 den vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensor nach einem Einfügen einer weiteren Zugangsöffnung zum Freilegen eines elektrischen Kontaktes; und -
6 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.
-
1 a cross-sectional view of a precursor of an embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor; -
2 the proposed micromechanical inertial sensor after filling non-stick material; -
3 the proposed micromechanical inertial sensor after closing the access opening; -
4 the proposed micromechanical inertial sensor after a regrinding process; -
5 the proposed micromechanical inertial sensor after insertion of a further access opening for exposing an electrical contact; and -
6 a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical inertial sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, einen verbesserten Herstellungsprozess für einen mikromechanischen Inertialsensor bereitzustellen, bei dem bewegliche MEMS-Strukturen vor einem Verkleben bewahrt werden und bei dem eine Qualität eines Bondrahmens verbessert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass bereits vor einem Bondprozess in einem Kappensubstrat eine Zugangsöffnung zum Zuführen eines Antihaftschichtmaterials (ASC-Material, engl. anti stiction coating) ausgebildet wird, wobei das Bonden des Kappensubstrats mit einem Sensorsubstrat erst danach durchgeführt wird.In particular, it is an essential idea of the present invention to provide an improved manufacturing process for a micromechanical inertial sensor in which movable MEMS structures are prevented from sticking and in which a quality of a bonding frame is improved. This is achieved by forming an access opening for supplying an anti-adhesion coating material (ASC material) prior to a bonding process in a cap substrate, wherein the bonding of the cap substrate to a sensor substrate is only then carried out.
Auf diese Weise ist für das Bearbeiten des Sensorsubstrats kein Spin Coating erforderlich, wodurch die empfindlichen, beweglichen MEMS-Strukturen des Sensorsubstrats nicht verkleben bzw. geschädigt werden. Zudem erfolgt ein Einfüllen eines Antihaftschichtmaterials in eine Kaverne erst nach dem Bonden von Sensorsubstrat und Kappensubstrat, was eine Qualität der Bondverbindung erheblich verbessert. Auf diese Weise können die empfindlichen mikromechanischen Strukturen wirksam geschützt werden, wodurch im Ergebnis eine hohe Herstellungsqualität des mikromechanischen Inertialsensors unterstützt ist.In this way, no spin coating is required for the processing of the sensor substrate, whereby the sensitive, movable MEMS structures of the sensor substrate are not bonded or damaged. In addition, filling of an anti-adhesion layer material into a cavern takes place only after the bonding of sensor substrate and cap substrate, which considerably improves a quality of the bond connection. In this way, the sensitive micromechanical structures can be effectively protected, as a result of which a high production quality of the micromechanical inertial sensor is supported.
Vorteile die sich durch diesen spezifischen Ablauf des Herstellungsprozesses des mikromechanischen Inertialsensors ergeben, sind beispielsweise folgende:Advantages which result from this specific sequence of the production process of the micromechanical inertial sensor are, for example, the following:
Der Verkappungsprozess und die Abscheidung der organischen Antiklebeschicht können vollständig voneinander entkoppelt werden, wodurch Inertialsensoren mit besserer Qualität hergestellt werden können. Das Bondverfahren kann bezüglich Temperatur und Reinigung unabhängig vom Antihaftschichtmaterial optimiert werden. Ferner können Antihaftschichten mit besseren Antihafteigenschaften verwendet werden, auch wenn diese weniger temperaturresistent sind als bisher verwendete Schichten. Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren erzeugt zudem vorteilhaft nur geringe Mehrkosten. The capping process and deposition of the organic anticorrosive layer can be completely decoupled from one another, allowing for the production of higher quality inertial sensors. The bonding process can be optimized for temperature and cleaning regardless of the release layer material. Furthermore, non-stick layers with better non-stick properties can be used, even if they are less temperature-resistant than previously used layers. The proposed manufacturing method also generates advantageous only small additional costs.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt hohe Ausbeuten, ohne das Risiko von klebenden MEMS-Strukturen während des Herstellungsverfahrens.The proposed method allows high yields without the risk of sticking MEMS structures during the manufacturing process.
Auf dem Sensorsubstrat
Auf der Oberfläche des Kappensubstrats
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Kappensubstrat
Vorgesehen ist, dass die Zugangsöffnung
In der Querschnittsansicht von
In der Querschnittsansicht von
Vorzugsweise erfolgt das Verschließen der Zugangsöffnung
Das Verschließen der Zugangsöffnung
Die Querschnittsansicht von
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Es versteht sich von selbst, dass die Schritte
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.
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