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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen erläutert.
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Bei mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen werden auf einer Membran angebrachte piezoresistive Halbleiterwiderstände als mechanisch-elektrische Wandler verwendet. Diese Halbleiterwiderstände nehmen nicht nur mechanische Spannungen auf, die sich durch den Druckeinfluss auf die Membran ergeben, sondern ebenfalls mechanische Spannungen, die durch mechanische Störeinflüsse bedingt werden. Derartige Störeinflüsse umfassen eine Verformung des Substrats, auf dem die Drucksensorvorrichtung montiert ist, eine Verformung des Packages über die Temperatur beim Herstellungsprozess, z.B. beim Lötprozess, sowie eine Verformung des Packages oder der AVT-Elemente (AVT = Aufbau- und Verbindungstechnik) bei Temperaturwechseln im Betrieb, welche bei einem Moldpackage besonders groß sind.
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Weitere Störeinflüsse entstehen durch Spannungen auf dem Drucksensorelement selbst, und zwar durch das Temperaturverhalten der Deckschichten und das Temperaturverhalten der Metallisierung, insbesondere bei großflächigen Bondpads.
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In gewissem Umfang sind derartige Störeinflüsse durch einen geeigneten elektrischen Abgleich zu beherrschen, z.B. bei den dielektrischen Deckschichten. Der Einfluss der Metallisierung sowie der AVT-seitig eingekoppelten Spannung unterliegt einer erheblichen Abhängigkeit von der Historie des Bauteils, beispielsweise aufgrund eines Kriechens des Metalls, insbesondere während und nach dem Lötprozess. Dies kann nicht durch einen elektrischen Abgleich vor Auslieferung der Bauelemente kompensiert werden.
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Deshalb ist eine zusätzliche mechanische Entkopplung des Sensorkerns, z.B. Membran einschließlich Piezowiderstände und ggf. eines zusätzlichen Temperatursensors/ einer Temperaturdiode/eines Temperaturwandlers bei einer Drucksensorvorrichtung, erwünscht. Bestehende Ansätze dazu umfassen ein seitliches Frei-Trenchen der Membran oder ein allseitiges Freiätzen der Membran, wobei in der Regel mehrere Verbindungen zum Chiprand bestehen bleiben, um elektrische Verbindungen zu realisieren, wie beispielsweise in der
DE 10 2017 202 605 A1 offenbart.
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Für Anwendungen im Kfz-Bereich und zunehmend auch im Consumer-Goods-Bereich ist eine Medienresistenz von großer Bedeutung, denn Drucksensorvorrichtungen werden oft in einer Umgebung mit aggressiven Medien, wie z.B. Abgasen, Motoröl oder Kühlmittel usw., verbaut. Heutzutage ist eine Vorderseitenvergelung für Medienresistenz bekannt, allerdings ohne Stressentkopplung.
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Moldpackages, die eine sehr hohe Medienrobustheit aufweisen, werden üblicherweise für Inertialsensoren eingesetzt, nicht aber für Drucksensoren. Der Grund dafür ist, dass eine Drucksensorvorrichtung einen Zugang zur Umgebung, eine Öffnung, den sogenannten Druckzugang, benötigt und dass Moldpackages bei der Verbiegung durch Temperaturwechsel einen starken mechanischen Spannungseintrag auf die Drucksensorvorrichtung aufweisen. Für eine standardmäßige Drucksensorvorrichtung, beispielsweise mit einer unter Verwendung von porösem Silizium hergestellten Kaverne, würde es starke Einschnitte in der Performance bedeuten und vor allem die Genauigkeit der Druckmessung negativ beeinflussen.
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Moldpackages sind medienrobust, kostengünstig und klein, haben allerdings große Biegeeffekte bei Temperaturwechseln, wodurch im Package eine variierende mechanische Spannung entsteht. Daher ist für Drucksensorvorrichtungen, die in einem Moldpackage verbaut werden, eine Stressentkopplung notwendig.
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Für die Realisierung eines Druckzugangs zum aktiven Sensorbereich (Membranbereich bei einer Drucksensorvorrichtung) kann man einen Filmmold verwenden, was allerdings einen Rahmen um den Sensorkern zur Erzielung eines definierten Abstandes zur Membran bedingt. Alternativ kann man auch geformte Moldtools verwenden. Diese sind allerdings teuer und unflexibel. Ebenso kann man keine hundertprozentige Abdichtung mit dem Moldtool erreichen, so dass die Moldmasse teilweise in den abgedichteten Bereich (Druckzugang) eintreten kann. Für den Einbau in einem Moldpackage wird also eine Barriere, ein Rahmen um den Sensorbereich als Schutz vor der Moldmasse, benötigt. Diese Barriere kann man analog zu den Inertialsensoren als eine Kappe, die über dem eigentlichen Sensorbereich eine Öffnung hat, realisieren. Innerhalb dieser Barriere, nachstehend als Kappe bezeichnet, kann man z.B. Gel um den stressentkoppelten Sensorkern einfüllen, um eine Medienresistenz zu ermöglichen. Für die Vergelung wird eine Öffnung von einem Durchmesser von mehreren 100 µm benötigt. Die Größe hängt von mehreren Parametern ab, u.a. von dem Durchmesser und der Positionierungsgenauigkeit der Einspritzdüse, der Membrangröße und der Konstruktion für die Stressentkopplung.
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Bei Inertialsensoren wird als Kappe üblicherweise ein Wafersubstrat verwendet, das von einer Seite für die Bereiche der Bondpads und des eigentlichen Sensorbereichs großflächig getrencht wird. Die durchgängigen Öffnungen in der Kappe, also Löcher im Kappenwafersubstrat, die bei Inertialsensoren üblicherweise nur über den Bondpads gebraucht werden, werden in der Regel mittels eines Standard-Trenchschrittes realisiert. Diese Öffnungen bzw. Öffnung wird noch vor dem Bonden des Kappenwafersubstrats auf das Sensorwafersubstrat hergestellt.
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Im Fall von der Verwendung eines Kappenwafersubstrats für eine stressentkoppelte Sensorvorrichtung sollte das Kappenwafersubstrat zunächst keine Öffnung über dem Sensorbereich haben, bevor er auf den Sensorwafer gebondet wird. Die sich dadurch ergebende Dichtigkeit ist für die Rückseitenkühlung mit einem Prozessgas, beispielsweise Helium, während des Rückseiten-Trenchprozesses zur Herstellung eines Cloud-Trench (Bildung einer Kavität durch isotropes Ätzen über anisotrop geätzte Kanäle) erforderlich. Zum einen würde das Kappenwafersubstrat instabil und schwierig bei der Weiterverarbeitung, zum anderen für das manuelle Handling, wenn dort Löcher für die Bondpadbereiche und für den Sensorbereich im Voraus hergestellt wären. Weiterhin wird das Kappenwafersubstrat benötigt, damit man den rückseitigen Trenchprozess durchführen kann.
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Würde man eine durchgehende Öffnung im Kappenwafersubstrat mittels eines Standard-Trenchprozesses nach dem Bonden des Kappenwafersubstrats auf das Sensorwafersubstrat durchführen, dann würde bei diesem Trenchschritt jedoch die Oberfläche des Sensorwafersubstrats unter der Öffnung undefiniert angeätzt. Das sollte vermieden werden, um große Membrandicken- und damit Empfindlichkeitsstreuungen zu vermeiden. Eine weitere Möglichkeit, eine Öffnung im Kappenwafersubstrat mit dem Bonden auf dem Sensorwafersubstrat zu erstellen, ist ein mechanisches oder mechanisch-chemisches Schleifen. Bei dieser Methode kann man jedoch mechanische Last auf den stressentkoppelten Sensorbereich und Verbindungsstege zum umgebenden Sensorsubstrat nicht vermeiden. Am kritischsten ist bei diesem Rückschleifen des Kappenwafersubstrats bis zur Öffnung, dass eine dünne Siliziummembran zum Schluss übrig bleibt und beim Weiterschleifen unkontrolliert brechen kann, sodass Bruchstücke dieser Restmembran die Sensoroberfläche sowie Stressentkopplungsstrukturen schädigen können bzw. irgendwo heften bleiben können oder in den Stressentkopplungsstrukturen stecken bleiben können und somit die Funktion der Stressentkopplung stören können. Ebenso können die Schleifpartikel auch nach der Reinigung in den Stressentkopplungsstrukturen bleiben, z.B. klebend oder frei. Derartige Partikel können zur Reduktion der Stressentkopplung auch zu Signalstörungen und zur zusätzlichen Bläschenbildung beim Vergelungsprozess führen. Ebenso kann dabei eine Beschädigung der Oberfläche des Sensorbereichs durch Schleifpartikel und Ätzchemikalien nicht komplett vermieden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 6.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee liegt in einem Prozessfluss, der es erlaubt, eine Stressentkopplung auf der Rückseite der Sensorvorrichtung in Kombination mit einer Vorderseitenöffnung zu realisieren. Insbesondere sind bei diesem Prozessfluss eine Verfüllung mit einem Schutzgel sowie ein gleichzeitiger Einbau in ein Moldpackage realisierbar.
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Das Kappensubstrat bildet einen Rahmen für einen möglichen Filmmoldprozess bzw. sonstigen Moldprozess. Die Vorderseitenöffnung lässt sich erstellen, ohne dass auf dem Sensorbereich schädliche Einflüsse wirken können. Insbesondere hat das Kappensubstrat beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren noch keine durchgehende Öffnung über dem Sensorbereich, wenn es auf das Sensorsubstrat gebondet wird.
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Das Öffnen des Kappensubstrats zum Bilden der Vorderseitenöffnung erfolgt ohne zusätzlichen Spannungseintrag, ohne Schädigungen und Verunreinigungen mit Schleifpartikeln und Kappensubstratüberresten, sowie ohne Ätzschaden durch Ätzchemikalien über dem Sensorbereich. Weiterhin ist das Sensorsubstrat mit dem darauf gebondeten Kappensubstrat zur Vorderseite hin durch die Isolationsschicht des SOI-Wafers, die erst nach dem Trenchätzprozess zur Stressentkopplung auf der Unterseite des Sensorbereichs entfernt wird, dicht. Deshalb kann man auf einen zusätzlichen Handlingwafer oder Tapes zum Abdichten verzichten. Damit reduzieren sich die Prozesszeit sowie die Prozesskosten signifikant.
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Die erste Siliziumschicht des Kappensubstrats schafft einen Abstand zum Sensorbereich, was wesentlich zur Stressentkopplung beiträgt, insbesondere bei Aufbringen zusätzlicher Verpackungsschichten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kaverne über Trenchgräben mit der zweiten Rückseite verbunden, wobei auf der zweiten Rückseite ein Abdeckfilm vorgesehen ist. Dies ermöglicht einen Ätzprozess zum Bilden der Kaverne unter gleichzeitiger Beibehaltung der Stabilität.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Rückseite mittelbar oder unmittelbar auf ein Trägersubstrat gebondet ist, wobei und eine Moldverpackung vorgesehen ist, welche die mikromechanische Sensorvorrichtung derart umgibt, dass die Durchgangsöffnung zumindest teilweise freigelegt ist. Dies erhöht die Medienresistenz.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der Sensorbereich einen Drucksensorbereich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Kappensubstrat ein SOI-Substrat mit einer an der ersten Vorderseite befindlichen ersten Siliziumschicht, einer an der ersten Rückseite befindlichen zweiten Siliziumschicht und einer dazwischenliegenden Isolationsschicht und wobei die Durchgangsöffnung in der ersten Siliziumschicht breiter gestaltet ist als in der zweiten Siliziumschicht. Dies ermöglicht ein Vergelen, bei dem gewährleistet ist, dass das Gel ohne Blasenbildung auch den Spannungsentlastungsgraben zumindest teilweise befüllt.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1a)-l) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2a)-d) unterschiedliche Ausgestaltungen des Trenchgitters des Kappensubstrats der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3a),b) unterschiedliche Ausgestaltungen der zweiten Durchgangsöffnung des Kappensubstrats der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a)-l) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a) bezeichnet Bezugszeichen K ein Kappensubstrat in Form eines SOI-Substrats, welches eine erste Vorderseite VK und eine erste Rückseite RK aufweist. An der ersten Vorderseite VK befindet sich eine erste Siliziumschicht S1, und an der ersten Rückseite RK befindet sich eine zweite Siliziumschicht S2, wobei zwischen der ersten und zweiten Siliziumschicht S1, S2 eine dazwischenliegende Isolationsschicht O, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, angeordnet ist.
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Weiter mit Bezug auf 1b) wird ein Trenchgitter G, welches sich durch die zweite Siliziumschicht S2 bis zur Isolationsschicht O erstreckt, durch einen Trenchätzprozess ausgehend von der ersten Vorderseite VK gebildet. Das Trenchgitter G ist stabilitätsoptimiert und dient der Stabilität der verbleibenden Isolationsschicht O während der nachfolgenden Prozessschritte und sollte eine möglichst geringe Stegbreite aufweisen, da es in einem späteren Prozessschritt entfernt wird.
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Anschließend mit Bezug auf 1c) wird unterhalb des Trenchgitters G eine erste Durchgangsöffnung KV in der ersten Siliziumschicht S1 ausgehend von der ersten Rückseite RK gebildet, welche sich bis zur Isolationsschicht O erstreckt.
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Bei beiden Trenchätzschritten dient die Isolationsschicht O als Ätzstoppschicht und bleibt dementsprechend unversehrt und damit mediendicht.
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Wie in 1d) dargestellt, wird ein Sensorsubstrat SE bereitgestellt, welches eine zweite Vorderseite VS und eine zweite Rückseite RS aufweist. An der zweiten Vorderseite VS weist das Sensorsubstrat SE einen am übrigen Sensorsubstrat SE über eine (nicht dargestellte) Federeinrichtung aufgehängten Sensorbereich SB auf, der durch einen lateralen Spannungsentlastungsgraben TR vom übrigen Sensorsubstrat SE mechanisch entkoppelt ist.
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Der Sensorbereich SB ist beispielsweise ein Drucksensorbereich, welcher eine (nicht dargestellte) Membran und darauf angebrachte piezoresistive Widerstände mit (ebenfalls nicht dargestellten) elektrischen Zuleitungen aufweist.
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Die erste Rückseite VR des Kappensubstrats K wird auf die zweite Vorderseite VS des Sensorsubstrats SE derart gebondet, dass sich die erste Durchgangsöffnung KV in der ersten Siliziumschicht S1 oberhalb des Sensorbereichs SB beabstandet von diesem befindet. Zum Bonden wird beispielsweise eine ringförmige Sealglasschicht SG verwendet.
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Zum Bonden sind auch andere Verfahren denkbar, wie z.B. ein eutektisches Bondverfahren oder ein Oxid-Oxid-Bondverfahren, sofern die notwendigen Schichten vorab entsprechend in die beteiligten Substrate K, SE eingebracht wurden.
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Weiter mit Bezug auf 1e) wird optional ein Abdeckfilm TA als Oberseitenschutz z.B. in Form eines Tapes oder eines dickflüssigen Lacks auf der ersten Vorderseite VK aufgebracht und ermöglicht eine besonders glatte Oberfläche für einen späteren Package-Moldprozess, z.B. zur besseren Abdichtung.
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Außerdem kann ein Rückschleifprozess des stabilen Verbundes des Kappensubstrats K und des Sensorsubstrats SE auf die gewünschte Zieldicke vorgenommen werden (nicht dargestellt). Dies dient insbesondere dazu, Einschränkungen beim späteren Cloudtrench-Prozess bezüglich der erreichbaren Trenchtiefe und damit der maximalen Restdicke des Sensorsubstrats SE zu erfüllen.
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Wie in 1f) dargestellt, erfolgt anschließend von der zweiten Rückseite RS ausgehend der Cloudtrench-Prozess. Dieser Prozess kann durch einen zweistufigen Ätzprozess realisiert werden, wobei zunächst Trenchgräben TC ausgehend von der Rückseite RS unter Verwendung einer geeigneten Maskierung gebildet werden. Im zweiten Schritt des Ätzprozesses wird mit Bezug auf 1g) eine im Inneren des Sensorsubstrats SE befindliche Kaverne CK unterhalb des Sensorbereichs SB ausgebildet. Die Kaverne CK, welche den Sensorbereich SB unterätzt und damit mechanisch entkoppelt, kann beispielsweise durch Ausschalten eines Passivier- und Sputteranteils in einem DRIE-Ätzprozess gebildet werden, sodass mit einer ungerichteten Weiterätzung am Grund der Trenchgräben TC eine Unterätzung zur Herstellung der Kaverne CK stattfindet.
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Beim zweiten Teilschritt des zweistufigen Ätzprozesses erfolgt eine Kühlung des Sensorsubstrats SE von der zweiten Rückseite RS her mittels eines Prozessgases, beispielsweise Helium. Durch die verbliebene Isolationsschicht O oberhalb der ersten Durchgangsöffnung KV ist ein Ätzstopp und zugleich eine Abdichtung des Substratverbunds bei der Heliumkühlung gewährleistet.
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Als Resultat des Cloudtrench-Prozesses ist der Sensorbereich SB in einem inselartigen, am übrigen Sensorsubstrat SE aufgehängten Bereich IB eingebettet, wobei der inselartige Bereich IB durch den lateralen Spannungsentlastungsgraben TR und die im Sensorsubstrat SE unterhalb des Sensorbereichs SB befindliche Kaverne CK vom übrigen Sensorsubstrat SE mechanisch entkoppelt ist.
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Alternativ zum Cloudtrench-Prozess ist auch ein großflächiger Trenchprozess von der zweiten Rückseite RS ausgehend möglich, falls für den späteren Prozess eine große durchgehende Rückseitenöffnung der zweiten Rückseite RS zu tolerieren ist.
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In einem darauffolgenden Prozessschritt, der in 1h) gezeigt ist, wird, falls vorhanden, der optionale vorderseitige Abdeckfilm TA entfernt, woraufhin die Prozessierung der ersten Vorderseite VK folgt.
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Optional ein Abdeckfilm TB als Oberseitenschutz z.B. in Form eines Tapes oder eines dickflüssigen Lacks auf die zweite Rückseite RS aufgebracht, um Beschädigungen durch Partikel, beispielsweise bei einer Chuckauflage, zu vermeiden. Bei der Vorderseiten-Prozessierung wird in einem kurzen, auch maskenlos möglichen, Siliziumätzschritt das Trenchgitter G entfernt, wobei wiederum die Isolationsschicht O als Ätzstopp dient. Durch Entfernen des Trenchgitters G wird eine zweite Durchgangsöffnung KV` gebildet, welche sich durch die zweite Siliziumschicht S2 bis zur Isolationsschicht O erstreckt. Dies führt zum in 1i) gezeigten Prozesszustand.
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Mit Bezug auf 1j) wird in einem weiteren Ätzschritt, beispielsweise per HF-Gasphasenätzen, die zurückbleibende membranartige Isolationsschicht O entfernt. Um die Bildung von giftigem Ammoniumhexafluorosilikat zu vermeiden, kann dies auch per Oxid-Trockenätzen mit C4F8 o.Ä. erfolgen (RIE-Trockenätzen). Der Angriff auf den Drucksensorbereich SB ist tolerabel, da nur eine dünne Isolationsschicht O zu entfernen ist und somit mit geringer Überätzzeit gearbeitet werden kann.
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Weiter mit Bezug auf 1k) erfolgt dann ein Überdecken des Sensorbereichs SB mit einem Gel GE, das die Durchgangsöffnung DR und den Spannungsentlastungsgraben TR zumindest teilweise befüllt, ausgehend von der ersten Vorderseite VK. Beim vorliegenden Beispiel füllt das Gel GE den Spannungsentlastungsgraben TR und die Durchgangsöffnung DR annähernd vollständig.
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Dadurch, dass die erste Durchgangsöffnung KV in der ersten Siliziumschicht S1 einen größeren Durchmesser aufweist als die zweite Durchgangsöffnung in der zweiten Siliziumschicht S2, ist es möglich, problemlos den Trenchgraben TR ohne Bläschenbildung zu erreichen, und somit unter Beibehaltung der Stressentkopplung eine Dämpfung im Trenchgraben TR vorzusehen.
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Schließlich mit Bezug auf 11) kann das rückseitige Tape TB auf einem Trägersubstrat TR aufgebracht werden und die Sensorvorrichtung in einem Moldprozess, z.B. unter Verwendung eines Stempels, mit einer Moldmasse MO ummoldet werden, sodass die Durchgangsöffnung DR freigelegt bleibt und einen Medienzugang zum Sensorbereich SB bildet.
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Alternativ kann der Abdeckfilm TB auf der zweiten Rückseite RS entfernt werden und können anschließend die Trenchgräben TC ebenfalls mittels eines Gels verfüllt werden.
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2a)-d) zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen des Trenchgitters des Kappensubstrats der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 2a) bis d) gezeigt, sind für das Trenchgitter G, G', G", G'" unterschiedliche Geometrien möglich, solange die Stabilitätsanforderungen erfüllt sind.
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3a),b) zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der zweiten Durchgangsöffnung des Kappensubstrats der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellungen der zweiten Durchgangsöffnung KV` bzw. KV'" in der zweiten Siliziumschicht S2 für die Anordnungen gemäß 2a) und b) sind in 3a) und b) dargestellt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017202605 A1 [0006]
