DE102018222724A1 - Method for producing a three-dimensionally stress-decoupled substrate arrangement - Google Patents

Method for producing a three-dimensionally stress-decoupled substrate arrangement Download PDF

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Tobias Henn
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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer stressentkoppelter Substratanordnung für einen mikromechanischen Sensor, wobei ein waferförmiges Substrat mit einer vergrabenen Kavität bereitgestellt wird, mindestens eine Sensorstruktur zum Ausbilden eines Sensors auf einer Vorderseite des Substrats aufgebracht wird, die Sensorstruktur zumindest bereichsweise durch vorderseitigen Materialabtrag des Substrats seitlich zumindest bereichsweise freigestellt wird und die Sensorstruktur in Verbindung mit der seitlichen Freistellung und der vergrabenen Kavität allseitig freigestellt wird. Des Weiteren sind eine Substratanordnung sowie ein mikromechanischer Sensor offenbart.Disclosed is a method for producing at least one stress-decoupled substrate arrangement for a micromechanical sensor, wherein a wafer-shaped substrate with a buried cavity is provided, at least one sensor structure for forming a sensor is applied to a front side of the substrate, the sensor structure at least in regions by material removal of the substrate from the front is released laterally at least in some areas and the sensor structure in connection with the lateral clearance and the buried cavity is exposed on all sides. Furthermore, a substrate arrangement and a micromechanical sensor are disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung für einen mikromechanischen Sensor, eine Substratanordnung sowie einen Sensor mit einer derartigen Substratanordnung.The invention relates to a method for producing at least one stress-decoupled substrate arrangement for a micromechanical sensor, a substrate arrangement and a sensor with such a substrate arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Es sind Drucksensoren bekannt, welche einen drucksensitiven Sensorabschnitt aufweisen. Die drucksensitiven Sensorabschnitte werden zunehmend mittels einer federnden Anordnung vom restlichen Abschnitt des Sensors mechanisch entkoppelt. Ein solcher Aufbau kann als ein stressentkoppelter Drucksensor bezeichnet werden. Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress setzen, sind beispielsweise mechanische Verspannungen während der Herstellung, unterschiedliche Materialien im Aufbau mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie Lötverbindung des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte. Ein derartiger Drucksensor ist aus der DE 10 2017 203 384 B3 bekannt.Pressure sensors are known which have a pressure-sensitive sensor section. The pressure-sensitive sensor sections are increasingly mechanically decoupled from the remaining section of the sensor by means of a resilient arrangement. Such a structure can be referred to as a stress decoupled pressure sensor. External influences that put the pressure sensor under mechanical stress are, for example, mechanical tension during manufacture, different materials in the construction with different thermal expansion coefficients, and soldered connection of the assembled sensor on an external printed circuit board. Such a pressure sensor is from the DE 10 2017 203 384 B3 known.

Die bisherigen Drucksensoren bzw. stressentkoppelte Sensoren müssen bei der Herstellung sowohl von einer Vorderseite als auch einer Rückseite aus bearbeitet werden. Insbesondere können sogenannte Rückseitenprozesse die Herstellung der Sensoren erschweren.The previous pressure sensors or stress-decoupled sensors have to be processed both from the front and from the rear during manufacture. In particular, so-called rear-side processes can complicate the manufacture of the sensors.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Herstellungsverfahren und eine verbesserte Substratanordnung vorzuschlagen, welche die Nutzung von Rückseitenprozessen vermeiden.The object on which the invention is based can be seen in proposing a production method and an improved substrate arrangement which avoid the use of rear-side processes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen und gehen aus der Beschreibung hervor.According to the invention, this object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject of dependent subclaims and are evident from the description.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung für einen mikromechanischen Sensor bereitgestellt. In einem Schritt wird ein waferförmiges Substrat mit einer vergrabenen Kavität bereitgestellt. Die vergrabene Kavität kann in Form eines Hohlraums ausgestaltet sein. Anschließend wird mindestens eine Sensorstruktur zum Ausbilden eines Sensors auf einer Vorderseite des Substrats aufgebracht. Die Sensorstruktur wird beispielsweise seitlich durch vorderseitigen Materialabtrag des Substrats bis zur vergrabenen Kavität zumindest bereichsweise freigestellt. Durch die seitliche Freistellung der Sensorstruktur kann aufgrund der Kavität gleichzeitig eine rückseitige Freistellung erreicht werden.According to one aspect of the invention, a method for producing at least one stress-decoupled substrate arrangement for a micromechanical sensor is provided. In one step, a wafer-shaped substrate with a buried cavity is provided. The buried cavity can be designed in the form of a cavity. Subsequently, at least one sensor structure for forming a sensor is applied to a front of the substrate. For example, the sensor structure is exposed laterally, at least in regions, by material removal from the front of the substrate up to the buried cavity. Due to the lateral release of the sensor structure, a release from the rear can be achieved due to the cavity.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Substratanordnung zum Ausbilden von mindestens einem mikromechanischen Sensor bereitgestellt. Die Anordnung weist einen Substratabschnitt mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf, wobei der Substratabschnitt eine zwischen der Vorderseite und der Rückseite angeordnete Kavität aufweist. Des Weiteren weist die Anordnung eine Sensorstruktur auf, welche auf der Vorderseite angeordnet ist und seitwärts durch mindestens einen in die Vorderseite eingebrachten Trenchgraben freigestellt ist. Der mindestens eine Trenchgraben stellt eine fluidleitende Verbindung zwischen der Vorderseite des Substratabschnitts und/oder der Sensorstruktur und der Kavität her, wobei der mindestens eine Trenchgraben als eine mechanische Feder geformt ist.According to a further aspect of the invention, a substrate arrangement for forming at least one micromechanical sensor is provided. The arrangement has a substrate section with a front side and a rear side, the substrate section having a cavity arranged between the front side and the rear side. Furthermore, the arrangement has a sensor structure, which is arranged on the front side and is exposed laterally by at least one trench trench introduced into the front side. The at least one trench trench establishes a fluid-conducting connection between the front side of the substrate section and / or the sensor structure and the cavity, the at least one trench trench being shaped as a mechanical spring.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, welcher eine erfindungsgemäße Substratanordnung aufweist.According to a further aspect of the invention, a micromechanical sensor is provided which has a substrate arrangement according to the invention.

Rückseitenprozesse führen bei der Entwicklung und Fertigung zu zusätzlichem Aufwand. Dieser zeichnet sich beispielsweise durch zusätzliche Schritte zum Schutz der auf der Vorderseite des Substrats befindlichen Sensorstruktur oder zur Vermeidung von Leckpfaden von der Rückseite des Substrats zur Vorderseite bei dafür kritischen Prozessen aus. Derartige Schutzmaßnahmen müssen insbesondere bei Trench-Prozessen getroffen werden. Ferner können sogenannte Handling-Schritte auf der empfindlichen Sensorstruktur auf der Vorderseite des Substrats zusätzlich zu dem erhöhten Aufwand auch in einem erhöhten Ausbeuteverlust resultieren.Rear processes lead to additional effort in the development and production. This is characterized, for example, by additional steps for protecting the sensor structure located on the front of the substrate or to avoid leakage paths from the back of the substrate to the front in critical processes. Such protective measures must be taken in particular in trench processes. In addition to the increased effort, so-called handling steps on the sensitive sensor structure on the front of the substrate can also result in an increased loss of yield.

Durch das Verfahren kann ein Prozessfluss zur Realisierung einer Substratanordnung umgesetzt werden, welche als Basis für einen stressentkoppelten Sensor, wie beispielsweise einem Drucksensor, dienen kann. Die allseitige Freistellung bzw. die sogenannte dreidimensionale Stressentkopplung des für den Sensor relevanten Sensorabschnitts kann hier ohne die Verwendung von Rückseiten-Prozessen erfolgen.The process can be used to implement a process flow for realizing a substrate arrangement, which can serve as the basis for a stress-decoupled sensor, such as a pressure sensor. The all-round exemption or the so-called three-dimensional stress decoupling of the sensor section relevant for the sensor can take place here without the use of rear processes.

Bei dem Verfahren wird in einer möglichen Umsetzungsform zunächst in einem waferförmigen Substrat, wie beispielsweise einem Siliziumwafer, eine vergrabene Kavität zur späteren rückseitigen Freistellung ausgebildet. Die vergrabene Kavität kann beispielsweise in einem sogenannten APSM (Advanced Porous Silicon Membrane)-Prozess erzeugt werden. Die vergrabene Kavität ist vorzugsweise zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des Substrats angelegt.
Nach einer Ausbildung der vergrabenen Kavität in dem waferförmigen Substrat kann, auf der nun wieder komplett geschlossenen vorderseitigen und/oder rückseitigen Siliziumoberfläche, eine Sensorstruktur aufgebracht oder hergestellt werden. Die Sensorstruktur kann durch Abscheidungsverfahren und Materialabtragsverfahren auf der Vorderseite des waferförmigen Substrats hergestellt werden, oder mit der Vorderseite des Substrats beispielsweise durch eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung stoffschlüssig verbunden werden. Die Sensorstruktur kann beispielsweise dazu dienen, einen kapazitativen Drucksensor auszubilden.
In one possible implementation form of the method, a buried cavity is first formed in a wafer-shaped substrate, such as, for example, a silicon wafer, for later removal from the rear. The buried cavity can be created, for example, in a so-called APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) process. The buried cavity is preferred between a front and a back of the substrate.
After the buried cavity has been formed in the wafer-shaped substrate, a sensor structure can be applied or produced on the front and / or rear silicon surface, which is now completely closed again. The sensor structure can be produced by deposition processes and material removal processes on the front side of the wafer-shaped substrate, or can be integrally connected to the front side of the substrate, for example by an adhesive connection or a solder connection. The sensor structure can be used, for example, to form a capacitive pressure sensor.

Zum Entkoppeln des sensitiven Abschnitts der Sensorstruktur von dem restlichen Abschnitt der Sensorstruktur bzw. einem Sensorrahmen wird eine allseitige Freistellung nach Fertigstellung der Sensorstruktur durchgeführt. Hierzu kann in einem ersten Schritt eine seitliche Freistellung umgesetzt werden. Die seitliche Freistellung erfolgt in Form eines Materialabtrags, welcher von der Vorderseite der Sensorstruktur und/oder des Substrats durchgeführt wird. Insbesondere kann hierdurch mindestens ein Graben bzw. eine Nut in die Anordnung eingebracht werden, welche sich vertikal von der Vorderseite der Anordnung in Richtung der Rückseite des Substrats erstreckt. Beispielsweise kann hierfür ein Trench-Prozess eingesetzt werden.In order to decouple the sensitive section of the sensor structure from the remaining section of the sensor structure or a sensor frame, all-round release is carried out after the sensor structure has been completed. In a first step, a lateral exemption can be implemented. The lateral release takes place in the form of a material removal, which is carried out from the front of the sensor structure and / or the substrate. In particular, this allows at least one trench or groove to be introduced into the arrangement, which extends vertically from the front of the arrangement in the direction of the rear of the substrate. For example, a trench process can be used for this.

Durch die seitliche Freistellung unter Nutzung des Hohlraums kann eine dreidimensionale Freistellung der Sensorstruktur auf der Vorderseite des Substrats realisiert werden, wobei der Vorgang ohne Rückseitenprozesse durchführbar ist und auch die hierzu notwendigen Handhabungsschritte reduziert. Insbesondere kann ein Abschnitt der Sensorstruktur von einer restlichen Sensorstruktur oder einem Sensorrahmen entkoppelt werden.Due to the lateral clearance using the cavity, a three-dimensional clearance of the sensor structure on the front of the substrate can be realized, the process being able to be carried out without rear-side processes and also reducing the handling steps required for this. In particular, a section of the sensor structure can be decoupled from a remaining sensor structure or a sensor frame.

Es kann vorzugsweise eine Vielzahl von Substratanordnungen auf dem waferförmigen Substrat ausgebildet werden, welche in einem Schritt voneinander separierbar sind. Vorzugsweise weisen die jeweiligen Substratanordnungen jeweils einen umlaufenden Abstand in Form eines Kanals auf, welcher zum Separieren nutzbar ist.A plurality of substrate arrangements, which can be separated from one another in one step, can preferably be formed on the wafer-shaped substrate. The respective substrate arrangements preferably each have a circumferential distance in the form of a channel, which can be used for separation.

Durch das Verfahren kann ein Sensor mit einer dreidimensionalen Stressentkopplung ohne Rückseitenprozesse oder die Verwendung eines zweiten waferförmigen Substrats ermöglicht werden.The method enables a sensor with a three-dimensional stress decoupling without rear processes or the use of a second wafer-shaped substrate.

Die durch die Vermeidung von Rückseitenprozesse erreichte geschlossene Rückseite des waferförmigen Substrats ist Vorteilhaft bei der Fertigung einer allseitigen Freistellung, da hier eine Perforation des Substrats vermieden wird. Insbesondere bei Prozessschritten, die eine Kühlung des waferförmigen Substrats bzw. Wafers mittels Gas von der Rückseite benötigen, kann eine Perforation des Substrats die Prozessierung erschweren.The closed rear side of the wafer-shaped substrate achieved by avoiding rear-side processes is advantageous in the production of an all-round exemption, since perforation of the substrate is avoided here. In particular in the case of process steps which require cooling of the wafer-shaped substrate or wafer by means of gas from the rear, perforation of the substrate can make processing more difficult.

Die geschlossene Rückseite ist weiterhin bei der Aufbau- und Verbindungstechnik vorteilhaft, da somit vollflächige Kleber, wie beispielsweise ein DAF (Die Attached Film), verwendet werden können. Hierdurch kann auf bereits in Großserie befindliche Prozesse zurückgegriffen werden.The closed back is also advantageous in the construction and connection technology, since full-surface adhesives such as a DAF (Die Attached Film) can be used. This means that processes that are already in large series can be used.

Des Weiteren kann durch das Verfahren ein Rückschleifen des Substrats auf nahezu beliebige Waferdicken und somit späteren Chipdicken ermöglicht werden. Die Einschränkung bei Rückseitenprozessen, bei der die Zielwaferdicke und somit die Chipdicke vor den Rückseitenprozessen eingestellt wird und auf eine handhabbare Minimalwaferdicke in der Fertigung von beispielsweise ≥300µm beschränkt ist, entfällt bei einer gemäß dem Verfahren hergestellten Substratanordnung ebenfalls.Furthermore, the method enables the substrate to be ground back to almost any wafer thickness and thus later chip thicknesses. The restriction in rear-side processes, in which the target wafer thickness and thus the chip thickness is set before the rear-side processes and is limited to a manageable minimum wafer thickness in the production of, for example, 300300 μm, also does not apply to a substrate arrangement produced according to the method.

Der mikromechanische Sensor kann beispielsweise ein kapazitativer Drucksensor sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Konzept lässt sich darüber hinaus auch auf andere MEMS-Sensoren in Oberflächenmikromechanik übertragen. Entsprechende MEMS-Sensoren können auch Beschleunigungs- oder Drehratensensoren sein.The micromechanical sensor can be a capacitive pressure sensor, for example, but is not limited to this. The concept can also be transferred to other MEMS sensors in surface micromechanics. Corresponding MEMS sensors can also be acceleration or rotation rate sensors.

Gemäß einer Ausführungsform wird das waferförmige Substrat durch einen sogenannten „Advanced Porous Silicon Membrane“(APSM)-Prozess bereitgestellt. Hierdurch kann in einem Schritt, beispielsweise durch Ätzverfahren oder anodische Oxidation ein poröser Abschnitt in ein waferförmiges Substrat eingebracht werden, welcher anschließend beispielsweise durch Aufdampfen oder Abscheiden vorderseitig oder rückseitig verdeckt wird. Durch thermische Umlagerung des porösen Abschnittes entsteht ein Hohlraum, also eine vergrabene Kavität. Insbesondere können typische Kavitätstiefen von 2-8 µm und die Dicke der darüber befindlichen Siliziumschicht im Bereich von 3-30 µm realisiert werden. Es entsteht somit eine unterhalb der ursprünglichen Siliziumoberfläche angelegte vergrabene Kavität, welche für andere Funktionen zur Verfügung steht, wie beispielsweise der rückseitigen Freistellung des Sensorkerns. Die Nutzung dieser Kavität zur rückseitigen Freistellung eines stressentkoppelten Sensorkerns kann durch einen kapazitiven Sensorkern ermöglich werden, indem beispielsweise eine Referenz-Druckkavität oberhalb der ursprünglichen Wafer-Oberfläche bzw. der Vorderseite des Substrats aufgebracht wird.According to one embodiment, the wafer-shaped substrate is provided by a so-called “Advanced Porous Silicon Membrane” (APSM) process. As a result, in one step, for example by etching processes or anodic oxidation, a porous section can be introduced into a wafer-shaped substrate, which is subsequently covered, for example by vapor deposition or deposition, on the front or rear. A thermal cavity of the porous section creates a cavity, i.e. a buried cavity. In particular, typical cavity depths of 2-8 µm and the thickness of the silicon layer above it can be realized in the range of 3-30 µm. A buried cavity is thus created below the original silicon surface, which is available for other functions, such as, for example, the release of the sensor core on the back. The use of this cavity for releasing a stress-decoupled sensor core from the back can be made possible by a capacitive sensor core, for example by applying a reference pressure cavity above the original wafer surface or the front of the substrate.

Der Sensorkern bildet vorzugsweise einen Abschnitt der Sensoranordnung aus, welcher für funktionale Aufgaben, wie beispielsweise eine kapazitative Druckmessung, ausgestaltet ist.The sensor core preferably forms a section of the sensor arrangement which is suitable for functional tasks, such as a capacitive pressure measurement, is designed.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Sensorstruktur durch mindestens einen vorderseitig in das Substrat und die Sensorstruktur eingebrachten Trenchgraben seitlich freigestellt, wobei der mindestens eine Trenchgraben sich bis zur vergrabenen Kavität erstreckt. Der mindestens eine Trenchgraben kann durch ein plasma-unterstütztes Ätzen, wie beispielsweise reaktives lonentiefenätzen, in die Substratanordnung eingebracht werden. Alternativ kann ein nass-chemisches Ätzverfahren unter Verwendung von einer Maske zum Herstellen des Trenchgrabens verwendet werden.According to a further embodiment, the sensor structure is laterally exposed by at least one trench trench introduced into the substrate and the sensor structure on the front side, the at least one trench trench extending as far as the buried cavity. The at least one trench can be introduced into the substrate arrangement by plasma-assisted etching, such as reactive ion depth etching. Alternatively, a wet chemical etching process using a mask to make the trench can be used.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch das Einbringen des mindestens einen Trenchgrabens mindestens eine mechanische Feder geformt, welche einen freigelegten Sensorkern mit einem Sensorrahmen verbindet. Durch das Ausbilden eines federnden Abschnitts der Vorderseite des Substrats und/oder der Sensorstruktur kann eine mechanische Entkopplung des, beispielsweise drucksensitiven Bereichs vom umgebenden Substrat bzw. des umliegenden Sensorrahmens ermöglicht werden. Der mindestens eine Trenchgraben bildet mindestens eine Feder auf, welche basierend auf der Form und Dicke definierte Dämpfungs- und Schwingungseigenschaften aufweist. Die mindestens eine auf der Vorderseite ausgebildete Feder weist vorzugsweise zwei Endabschnitte auf, wobei ein Endabschnitt mit dem Sensorkern und ein Endabschnitt mit dem Sensorrahmen bzw. dem den Sensorkern umgebenden Abschnitt verbunden ist. Das Einbringen des Trenchgrabens und das gleichzeitige Ausbilden einer federnden Verbindung zwischen dem Sensorkern und dem Sensorrahmen entsprechen dem seitlichen Freistellen der Sensorstruktur.According to a further embodiment, the introduction of the at least one trench trench forms at least one mechanical spring which connects an exposed sensor core to a sensor frame. By forming a resilient section of the front side of the substrate and / or the sensor structure, a mechanical decoupling of the, for example pressure-sensitive area from the surrounding substrate or the surrounding sensor frame can be made possible. The at least one trench trench forms at least one spring which has damping and vibration properties that are defined based on the shape and thickness. The at least one spring formed on the front preferably has two end sections, one end section being connected to the sensor core and one end section being connected to the sensor frame or the section surrounding the sensor core. The introduction of the trench trench and the simultaneous formation of a resilient connection between the sensor core and the sensor frame correspond to the lateral release of the sensor structure.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nach dem seitlichen und dem rückseitigen Freistellen der Sensorstruktur, die freigelegte Sensorstruktur mit einer Schutzkappe bedeckt. Hierdurch kann eine Integration des Sensors, beispielsweise in ein Moldpackage, ermöglicht werden. Insbesondere kann nach der Separierung die gesamte Substratanordnung durch Gießen oder Kleben in ein Gehäuse oder auf eine Leiterplatine positioniert werden.According to a further embodiment, after the sensor structure has been released from the side and from the back, the exposed sensor structure is covered with a protective cap. This enables the sensor to be integrated, for example in a mold package. In particular, after the separation, the entire substrate arrangement can be positioned by casting or gluing in a housing or on a printed circuit board.

Im Falle eines Drucksensors kann der Druckzugang in der Schutzkappe und die Kappendicke nahezu beliebig gestaltet werden. Beispielsweise können nur einige wenige Trenchlöcher mit sehr geringem Durchmesser entlang des Randes der Schutzkappe angelegt werden. Dies ist für die Erzielung einer hohen Medien- und Partikelresistenz des Sensors sowie zur Erhaltung der mechanischen Stabilität der Schutzkappe vorteilhaft.In the case of a pressure sensor, the pressure access in the protective cap and the cap thickness can be configured almost as desired. For example, only a few trench holes with a very small diameter can be created along the edge of the protective cap. This is advantageous for achieving a high media and particle resistance of the sensor and for maintaining the mechanical stability of the protective cap.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorstruktur mindestens eine Membran und mindestens eine Referenz-Druckkavität auf, welche durch die seitliche und rückseitige Freistellung stressentkoppelt werden. Insbesondere kann nach der Ausbildung der vergrabenen Kavität, auf der nun wieder komplett geschlossenen Vorderseite des Substrats, eine komplexe Sensorstruktur, beispielsweise in Form eines kapazitiven Drucksensors, erzeugt werden.According to a further embodiment, the sensor structure has at least one membrane and at least one reference pressure cavity, which are decoupled from stress by the lateral and rear exemption. In particular, after the buried cavity has been formed, a complex sensor structure, for example in the form of a capacitive pressure sensor, can be produced on the front side of the substrate that is now completely closed again.

Die durch das Verfahren herstellbare Substratanordnung bzw. Vielzahl an Substratanordnungen kann vorzugsweise als Basis für Sensoren in Oberflächenmikromechanik im Consumer- und im Automotive-Bereich eingesetzt werden.The substrate arrangement or a plurality of substrate arrangements that can be produced by the method can preferably be used as the basis for sensors in surface micromechanics in the consumer and automotive sectors.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gegenstände näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1 einen schematischen Schnitt durch ein waferförmiges Substrat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 einen schematischen Schnitt durch das waferförmige Substrat mit einer aufgebrachten Sensorstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
  • 3 einen schematischen Schnitt durch eine Substratanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Preferred exemplary embodiments of the objects according to the invention are explained in more detail below on the basis of highly simplified schematic representations. Show here
  • 1 2 shows a schematic section through a wafer-shaped substrate according to an embodiment of the invention,
  • 2nd a schematic section through the wafer-shaped substrate with an applied sensor structure according to an embodiment of the invention and
  • 3rd a schematic section through a substrate arrangement according to an embodiment of the invention.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf. Die 1 bis 3 dienen insbesondere zum Verdeutlichen eines Verfahrens zum Herstellen von mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung.In the figures, the same structural elements have the same reference numbers. The 1 to 3rd are used in particular to illustrate a method for producing at least one stress-decoupled substrate arrangement.

Die 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein waferförmiges Substrat 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere ist ein Abschnitt des Substrats 1 bzw. ein Substratabschnitt 1 dargestellt. Ein Wafer besteht aus einer Vielzahl aus Abschnitten des Substrats 1, welche in mindestens einem Verfahrensschritt voneinander separierbar sind.The 1 shows a schematic section through a wafer-shaped substrate 1 according to an embodiment of the invention. In particular, is a portion of the substrate 1 or a substrate section 1 shown. A wafer consists of a plurality of sections of the substrate 1 which can be separated from one another in at least one method step.

Das Substrat 1 weist eine Vorderseite 2 und eine Rückseite 4 auf, welche eine vergrabene Kavität 6 beidseitig in vertikaler Richtung V abdecken. Gemäß dem Ausführungsbespiel ist die horizontale Ausdehnung der vergrabenen Kavität 6 begrenzt.The substrate 1 has a front 2nd and a back 4th on which is a buried cavity 6 Cover on both sides in the vertical direction V. According to the exemplary embodiment, the horizontal extent of the buried cavity 6 limited.

Die vergrabene Kavität 6 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Hohlraum ausgeführt.
In der 2 ist ein schematischer Schnitt durch das waferförmige Substrat 1 mit einer aufgebrachten Sensorstruktur 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Sensorstruktur 8 wird auf die Vorderseite 2 des Substrats 1 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht. Dies kann schichtweise oder durch separates Anfertigen der Sensorstruktur 8 und anschließendes stoffschlüssiges Verbinden der Sensorstruktur 8 mit dem Substrat 1 erfolgen.
The buried cavity 6 is designed according to the embodiment as a cavity.
In the 2nd is a schematic section through the wafer-shaped substrate 1 with an applied sensor structure 8th according to an embodiment of the Invention shown. The sensor structure 8th is going to the front 2nd of the substrate 1 applied in the context of the inventive method. This can be done in layers or by making the sensor structure separately 8th and then integrally connecting the sensor structure 8th with the substrate 1 respectively.

Die auf das waferförmige Substrat 1 aufgebrachte Sensorstruktur 8 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein kapazitiver Drucksensor ausgeprägt.The on the wafer-shaped substrate 1 applied sensor structure 8th is designed as a capacitive pressure sensor according to the exemplary embodiment.

Hierfür weist die Sensorstruktur 8 mindestens eine Membran 10 auf, welche eine Druckkammer 12 verdeckt. Die Membran 10 ist hier als eine Referenzkammermembran 10 ausgebildet, welche eine Referenzdruckkammer 12 zumindest bereichsweise verschließt.The sensor structure indicates this 8th at least one membrane 10 on which is a pressure chamber 12th covered. The membrane 10 is here as a reference chamber membrane 10 formed which is a reference pressure chamber 12th at least partially closed.

Die 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Substratanordnung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist ein Querschnitt durch eine für einen kapazitiven Drucksensor 16 einsetzbare Sensoranordnung 14 nach allseitiger Freistellung dargestellt.The 3rd shows a schematic section through a substrate arrangement 14 according to an embodiment of the invention. In particular, is a cross section through one for a capacitive pressure sensor 16 usable sensor arrangement 14 after all-round exemption.

Die Substratanordnung weist einen Substratabschnitt 1 mit einer Vorderseite 2 und einer Rückseite 4 auf. Auf dem dargestellten Substratabschnitt 1 ist vorderseitig die in 2 beschrieben Sensorstruktur 8 aufgebracht. In einem Verfahrensschritt wurde die Sensorstruktur 8 und die Vorderseite 2 des Substratabschnitts 1 seitwärts durch mindestens einen eingebrachten Trenchgraben 18 freigestellt. Der mindestens eine Trenchgraben 18 verläuft horizontal umfangsseitig und bildet einen Sensorkern 20 aus, welcher von einem Sensorrahmen 22 stressentkoppelt werden soll. Hierfür ist der Trenchgraben 18 in Form einer Feder ausgebildet.The substrate arrangement has a substrate section 1 with a front 2nd and a back 4th on. On the substrate section shown 1 is the front in 2nd described sensor structure 8th upset. In one step, the sensor structure 8th and the front 2nd of the substrate section 1 sideways through at least one trench 18th exempt. The at least one trench 18th runs horizontally on the circumference and forms a sensor core 20 from which of a sensor frame 22 should be decoupled from stress. The trench is for this 18th designed in the form of a spring.

Nach einem Ausbilden der Substratanordnung 14 kann der Sensorkern 20 mit einer Schutzkappe 24 verdeckt werden. Die Schutzkappe 24 kann auf der Vorderseite des Sensorrahmens 22 stoffschlüssig oder formschlüssig angeordnet werden und kann die Sensorstruktur 8 schützen. Die Schutzkappe 24 liegt gemäß dem Ausführungsbeispiel an einem Sensorrahmen 22 der Sensorstruktur 8 an.After forming the substrate assembly 14 can the sensor core 20 with a protective cap 24th be covered. The protective cap 24th can be on the front of the sensor frame 22 can be arranged cohesively or positively and the sensor structure 8th protect. The protective cap 24th lies according to the embodiment on a sensor frame 22 the sensor structure 8th on.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (8)

Verfahren zum Herstellen mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung (14) für einen mikromechanischen Sensor (16), wobei - ein waferförmiges Substrat (1) mit einer vergrabenen Kavität (6) bereitgestellt wird, - mindestens eine Sensorstruktur (8) zum Ausbilden eines Sensors (16) auf einer Vorderseite (2) des Substrats (1) aufgebracht wird, - die Sensorstruktur (8) zumindest bereichsweise durch vorderseitigen Materialabtrag des Substrats (1) seitlich zumindest bereichsweise freigestellt wird und - die Sensorstruktur (8) mittels des bereichsweisen vorderseitigen Materialabtrags des Substrats (1) durch die Kavität (7) freigestellt wird.Method for producing at least one stress-decoupled substrate arrangement (14) for a micromechanical sensor (16), wherein a wafer-shaped substrate (1) with a buried cavity (6) is provided, at least one sensor structure (8) for forming a sensor (16) is applied to a front side (2) of the substrate (1), - The sensor structure (8) is at least partially released laterally at least partially by removing material from the front of the substrate (1) - The sensor structure (8) is exposed by means of the regionally front material removal of the substrate (1) through the cavity (7). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das waferförmige Substrat (1) mit der vergrabenen Kavität (6) durch einen APSM-Prozess bereitgestellt wird.Procedure according to Claim 1 The wafer-shaped substrate (1) with the buried cavity (6) is provided by an APSM process. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorstruktur (8) durch mindestens einen vorderseitig in das Substrat (1) und die Sensorstruktur (8) eingebrachten Trenchgraben (18) seitlich freigestellt wird, wobei der mindestens eine Trenchgraben (18) sich bis zur vergrabenen Kavität (6) erstreckt.Procedure according to Claim 1 or 2nd The sensor structure (8) is laterally exposed by at least one trench trench (18) introduced into the substrate (1) and the sensor structure (8) on the front side, the at least one trench trench (18) extending as far as the buried cavity (6). Verfahren nach Anspruch 3, wobei durch das Einbringen des mindestens einen Trenchgrabens (18) mindestens eine mechanische Feder geformt wird, welche einen freigelegten Sensorkern (20) mit einem Sensorrahmen (22) verbindet.Procedure according to Claim 3 wherein at least one mechanical spring is formed by introducing the at least one trench trench (18), which connects an exposed sensor core (20) to a sensor frame (22). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach dem seitlichen und dem rückseitigen Freistellen der Sensorstruktur (8), die freigelegte Sensorstruktur (8, 20) mit einer Schutzkappe (24) bedeckt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th The exposed sensor structure (8, 20) is covered with a protective cap (24) after the sensor structure (8) has been released from the side and from the rear. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorstruktur (8) mindestens eine Membran (10) und mindestens eine Referenz-Druckkavität (12) aufweist, welche durch die seitliche und rückseitige Freistellung stressentkoppelt werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 The sensor structure (8) has at least one membrane (10) and at least one reference pressure cavity (12), which are decoupled from stress by the lateral and rear exemption. Substratanordnung (14) mit einem mikromechanischen Sensor (16), aufweisend einen Substratabschnitt (1) mit einer Vorderseite (2) und einer Rückseite (4), wobei der Substratabschnitt (1) eine zwischen der Vorderseite (2) und der Rückseite (4) angeordnete Kavität (6) aufweist, aufweisend eine Sensorstruktur (8), welche auf der Vorderseite (2) angeordnet ist und seitwärts durch mindestens einen in die Vorderseite (2) eingebrachten Trenchgraben (18) freigestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trenchgraben (18) eine fluidleitende Verbindung zwischen der Vorderseite (2) des Substratabschnitts (1) und/oder der Sensorstruktur (8) und der Kavität (6) zur allseitigen Freistellung bereitstellt, wobei der mindestens eine Trenchgraben (18) als eine mechanische Feder geformt ist.Substrate arrangement (14) with a micromechanical sensor (16), comprising a substrate section (1) with a front side (2) and a back side (4), the substrate section (1) being between the front side (2) and the back side (4) Has arranged cavity (6), comprising a sensor structure (8), which is arranged on the front (2) and is laterally released by at least one trench trench (18) introduced into the front (2), characterized in that the at least one trench (18) provides a fluid-conducting connection between the front (2) of the substrate section (1) and / or the sensor structure (8) and the cavity (6) for all-round exposure, the at least one trench (18) being shaped as a mechanical spring . Mikromechanischer Sensor (16), wobei der mikromechanische Sensor (16) eine Substratanordnung (14) nach Anspruch 7 aufweist.Micromechanical sensor (16), the micromechanical sensor (16) following a substrate arrangement (14) Claim 7 having.
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