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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors.
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Die Erfindung betrifft weiter einen MEMS-Sensor.
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Die Erfindung betrifft weiter einen Chip mit einem MEMS-Sensor.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige MEMS-Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf MEMS-Sensoren, die einen direkten Umgebungskontakt benötigen, beschrieben.
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Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren, Gassensoren oder dergleichen benötigen einen Kontakt zur Umwelt, um ihre Funktion zu erfüllen. Andererseits müssen diese MEMS-Sensoren auch vor nicht erwünschten Umwelteinflüssen geschützt werden. Zum Schutz von Sensoren ist es bekannt geworden, diese in einem Premold-Gehäuse anzuordnen, sodass der MEMS-Sensor geschützt ist.
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Aus der
US 6,859,542 B2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer hydrophoben Schicht auf Innenflächen einer Mikrostruktur, insbesondere auf Innenflächen eines Kondensatormikrofons, zum Verhindern der Haftung oder Verklebung zwischen den Innenflächen, bekannt geworden.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Substrats,
- - Bereitstellen einer ersten Opferschicht auf dem Substrat,
- - Bereitstellen einer ersten Trägerschicht auf der ersten Opferschicht,
- - Strukturieren der ersten Trägerschicht derart, dass zumindest ein Zugang zur ersten Opferschicht bereitgestellt wird,
- - Bereitstellen einer zweiten Opferschicht auf der strukturierten ersten Trägerschicht derart, dass die Dicke der zweiten Opferschicht kleiner ist als die Dicke der ersten Opferschicht,
- - Bereitstellen einer zweiten Trägerschicht auf der zweiten Opferschicht,
- - Strukturieren der zweiten Trägerschicht derart, dass zumindest ein Zugang zur zweiten Opferschicht bereitgestellt wird, wobei zumindest ein Zugang zur zweiten Opferschicht und zumindest ein Zugang zur ersten Opferschicht in lateraler Richtung versetzt zueinander angeordnet werden, und
- - Zumindest teilweises Entfernen der beiden Opferschichten mittels der Zugänge.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor bereit, umfassend eine erste Trägerschicht mit zumindest einem ersten Zugang zu einem darunterliegenden Hohlraum, und eine zweite Trägerschicht, die oberhalb der ersten Trägerschicht angeordnet ist mit zumindest einem zweiten Zugang, wobei der zumindest eine erste Zugang und der zumindest eine zweite Zugang über einen im Wesentlichen horizontal verlaufenden Verbindungszugang fluidisch miteinander verbunden sind, und wobei der Verbindungszugang eine vertikale Erstreckung aufweist, welche kleiner ist als die vertikale Erstreckung des Hohlraums.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Chip mit einem MEMS-Sensor gemäß Anspruch 10 bereit.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass ein guter Schutz gegen in den Sensor eindringende Flüssigkeit bereitgestellt wird: Durch die laterale Versetzung der Zugänge zu den beiden Opferschichten wird insbesondere ein horizontaler Kanal gebildet, was den Schutz gegen eindringende Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist eine einfache und kostengünstige Implementierung. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass eine hohe Flexibilität ermöglicht wird, beispielsweise kann eine elektromagnetische Abschirmung auf einfache und zuverlässige Weise in den MEMS-Sensor integriert werden; auf einen aufwändigen und teuren Deckel aus Metall auf dem Chip mit dem MEMS-Sensor kann verzichtet an. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass auf eine Vergelung verzichtet werden kann.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Bereitstellen der zweiten Opferschicht mit einer Dicke von weniger als 1000 nm, insbesondere von weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 250 nm, insbesondere weniger als 100 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm. Vorteil hiervon ist, dass damit eine ausreichend dünne zweite Opferschicht bereitgestellt wird, sodass nach Entfernen derselben, ein entsprechend dünner Kanal zur Verhinderung der Eintragung von Flüssigkeit in den MEMS-Sensor bereitgestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die erste und/oder zweite Trägerschicht in Form einer leitenden Schicht bereitgestellt, insbesondere wobei als Material der leitenden Schicht polykristallines Silizium und/oder ein Metall, vorzugsweise Aluminium verwendet wird. Vorteil hiervon ist, dass damit auf einfache Weise elektrisch leitende Schichten, beispielsweise zur Ausbildung eines kapazitiven Messprinzips des MEMS-Sensors, angeordnet werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Entfernen der beiden Opferschichten mittels eines Ätzverfahrens, insbesondere mittels eines HF-Gasphasenätzverfahrens. Vorteil hiervon ist, dass auf einfache und gut zu kontrollierende Weise die Opferschichten entfernt werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die erste Opferschicht auf einer Vorderseite des Substrats bereitgestellt, wobei eine elektrische Kontaktierung zumindest einer der Trägerschichten über die Rückseite des Substrats, insbesondere mittels zumindest einer Durchkontaktierung, erfolgt. Vorteil hiervon ist, dass die üblicherweise empfindliche Vorderseite des Substrats durch Verwendung einer rückseitigen Kontaktierung während des Herstellungsprozesses geschützt bleibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Bereitstellen der zweiten Opferschicht derart, dass das Verhältnis aus Erstreckung der zweiten Opferschicht senkrecht zur vertikalen Erstreckung und der Dicke der zweiten Opferschicht zumindest 10, vorzugsweise zumindest 100, insbesondere mehr als 1000 beträgt. Auf diese Weise kann, wenn eine äußerst dünne Opferschicht vorliegt, aufgrund deren großer Breite ein ausreichender Gasaustausch, beispielsweise Luftaustausch im Falle eines MEMS-Drucksensors, bereitgestellt werden, ohne das Flüssigkeit eindringen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Bereitstellen einer hydrophoben Schicht zumindest in dem zumindest einen Zugang zur ersten und/oder zweiten Opferschicht. Auf diese Weise wird der Schutz gegenüber eindringenden Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, noch weiter erhöht. Darüber hinaus können dadurch die Zugänge und Verbindungskanäle mit einer definierten Oberfläche versehen werden. Bevorzugt kann hierzu ein Atomlagenabscheidungsverfahren verwendet werden. Dieses ermöglicht ein hohes Aspekt-Verhältnis bei gleichzeitig zuverlässiger Abscheidung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem Strukturieren der ersten Trägerschicht und vor dem Bereitstellen der zweiten Opferschicht eine Stoppschicht, insbesondere Ätzstoppschicht, bereitgestellt und insbesondere strukturiert. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit zusätzlich zu horizontalen Kanälen durch die lateral versetzten Zugänge diese Kanäle mit einer vertikalen Komponente beziehungsweise Erstreckung bereitgestellt werden können, was den Schutz gegen eindringende Flüssigkeiten noch weiter erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Bereitstellen des zumindest einen Zugangs zur ersten und/oder zweiten Opferschicht mit einer Breite von mehr als 5 µm, vorzugsweise mehr als 10 µm. Auf diese Weise wird eine einfache Herstellung der Zugänge ermöglicht.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigen in schematischer Form und im Querschnitt
- 1-4 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 einen Schritt eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 6 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Schichtaufbau eines MEMS-Sensors 1. Hierbei wurde zunächst auf einem Substrat 2 mit einem bereitgestellten aktiven Sensorbereich 20 eine Opferschicht 3 abgeschieden, bevorzugt in Form einer Oxidschicht. Die Opferschicht 3 kann optional strukturiert werden. Anschließend ist eine erste Trägerschicht 4 abgeschieden und strukturiert worden (Bezugszeichen 4a). Bevorzugt wird die erste Trägerschicht 4 in Form einer Schicht aus polykristallinem Silizium und/oder in Form eines Metalls bereitgestellt. Vorteilhaft ist insbesondere eine Schicht aus dotiertem polykristallinem Silizium oder eine Metallschicht, umfassend Aluminium.
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In einem weiteren optionalen Schritt kann anschließend eine Ätzstoppschicht 45 abgeschieden und strukturiert werden (wie im Aufbau gemäß 5 gezeigt). Vorteilhaft ist dies, wenn die erste Trägerschicht 4 dünn gewählt wird und eine dünne zweite Opferschicht 5 auf der ersten Trägerschicht 4 und eine dicke zweite Trägerschicht 6 auf der zweiten Opferschicht 5 aufgebracht wird. Die Ätzstoppschicht 45 wird bevorzugt in Form einer Oxidschicht ausgebildet.
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2 zeigt nun den MEMS-Sensor 1 nach dem Abscheiden einer dünnen zweiten Opferschicht 5 auf der ersten strukturierten Trägerschicht 4 mit Zugängen 4a zur ersten Opferschicht 3 sowie nach dem Aufbringen einer zweiten Trägerschicht 6 auf der zweiten Opferschicht 5. Die dünne Opferschicht 5 wird bevorzugt als Oxidschicht ausgebildet. Insbesondere weist diese eine Schichtdicke von weniger als 500 nm auf. Die zweite Opferschicht 5 kann optional strukturiert werden, um insbesondere einen elektrischen Kontakt zur zweiten Trägerschicht 6 herzustellen und/oder falls sehr viele Zugangskanäle, sprich eine feine Strukturierung, hergestellt werden sollen, Inseln der ersten Trägerschicht 4 an die zweite Trägerschicht 6 anzubinden.
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In 3 ist nun der MEMS-Sensor 1 nach Strukturierung der zweiten Trägerschicht 6 mit Zugängen 6a zur zweiten Opferschicht 5 gezeigt. Bevorzugt wird die zweite Trägerschicht 6 aus polykristallinem Silizium und/oder dotiertem polykristallinem Silizium und/oder aus Metall, bevorzugt aus Aluminium, und/oder als einer Kombination von dotiertem polykristallinem Silizium mit einer Metalldeckschicht, vorzugsweise eine Aluminiumdeckschicht hergestellt. Die Zugänge 4a, 6a sind in lateraler Richtung versetzt zueinander angeordnet, hier jeweils symmetrisch zueinander und in gleichen Abständen im Beriech des aktiven Sensorbereichs 20.
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Optional können anschließend Rückseiten-Prozessschritte durchgeführt werden, beispielsweise eine Durchkontaktierung - TSV - hergestellt werden und/oder eine oder mehrere Umverdrahtungsebenen auf der Rückseite des Substrats 2 und/oder ein Anlegen von elektrischen Kontaktflächen wie Lötballs oder dergleichen.
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4 zeigt nun den MEMS Sensor 1 nach Entfernen von Teilen der ersten und zweiten Opferschicht 3, 5 mittels eines Ätzverfahrens. Bevorzugt wird ein HF-Gasphasenätzverfahren verwendet. Bevorzugt wird das Ätzverfahren nur auf der Vorderseite des MEMS-Sensors 1 angewendet. In 4 sind nun die nach Entfernen der Opferschichten 3, 5 horizontal verlaufenden Verbindungszugänge 46 oder - kanäle gezeigt, die durch die laterale Versetzung der Zugänge 4a, 6a hergestellt wurden. Ebenso wurde dadurch ein Hohlraum 8 oberhalb des aktiven Sensorbereichs 20 hergestellt. Der aktive Sensorbereich 20 kann dabei insbesondere eine beweglich angeordnete oder ausgebildete Membran umfassen. Die Opferschicht 3 ist dabei oberhalb des aktiven Sensorbereichs 20 vollständig entfernt.
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Im Anschluss daran können einzelne Chips hergestellt werden und die Chips in einem Film-Mold-Verfahren aufgebaut werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil zumindest einer der Trägerschichten auf ein definiertes elektrisches Potenzial angeschlossen wird.
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5 zeigt einen Teil eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 5 ist ein MEMS Sensor 1 gezeigt, wobei nach dem Aufbringen und Strukturieren der ersten Trägerschicht 4 und vor dem Aufbringen der zweiten Opferschicht 5 eine Ätzstoppschicht 45 aufgebracht und strukturiert wurde. Dabei sind die Zugangskanäle 6a in der zweiten Trägerschicht 6 jeweils oberhalb der Ätzstoppschicht 45 angeordnet. Des Weiteren ist die erste Opferschicht 3 strukturiert worden (Bezugszeichen 3a) und ebenso die zweite Opferschicht 5 (Bezugszeichen 5a). Oberhalb der zweiten Trägerschicht 6 ist eine Deckschicht 7 angeordnet, die korrespondierend zur zweiten Trägerschicht 6 strukturiert ist.
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6 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors gezeigt.
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Dabei erfolgt in einem Initial-Schritt S0 ein Bereitstellen eines Substrats.
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Weiter erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen einer ersten Opferschicht auf dem Substrat.
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Weiter erfolgt in einem zweiten Schritt S2 ein Bereitstellen einer ersten Trägerschicht auf der ersten Opferschicht.
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Weiter erfolgt in einem dritten Schritt S3 ein Strukturieren der ersten Trägerschicht derart, dass zumindest ein Zugang zur ersten Opferschicht bereitgestellt wird.
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Weiter erfolgt in einem vierten Schritt S4 ein Bereitstellen einer zweiten Opferschicht auf der strukturierten ersten Trägerschicht derart, dass die Dicke der zweiten Opferschicht kleiner ist als die Dicke der ersten Opferschicht.
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Weiter erfolgt in einem fünften Schritt S5 ein Bereitstellen einer zweiten Trägerschicht auf der zweiten Opferschicht.
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Weiter erfolgt in einem sechsten Schritt S6 ein Strukturieren der zweiten Trägerschicht derart, dass zumindest ein Zugang zur zweiten Opferschicht bereitgestellt wird, wobei zumindest ein Zugang zur zweiten Opferschicht und zumindest ein Zugang zur ersten Opferschicht in lateraler Richtung versetzt zueinander angeordnet werden.
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Weiter erfolgt in einem siebten Schritt S7 ein zumindest teilweises Entfernen der beiden Opferschichten mittels der Zugänge.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Einfache Herstellung
- • Hoher Schutz gegenüber eindringenden Flüssigkeiten, insbesondere Wasser
- • Kostengünstige Herstellung
- • Hohe Flexibilität
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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