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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen.
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Bei kombinierten MEMS Bauelementen, also einer on-Chip Integration von mehreren Sensoren, beispielsweise Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, werden meistens in verschiedenen Kavernen unterschiedliche Drücke eingestellt. Nach derzeitigem Stand der Technik werden für Drehratensensoren sehr geringe Kavernendrücke verwendet, während bei Beschleunigungssensoren regelmäßig höhere Drücke Verwendung finden. Die Realisierung der unterschiedlichen Drücke in unterschiedlichen Kavernen kann mit Hilfe verschiedener Techniken erfolgen, so zum Beispiel dem Einsatz von Getter-Materialien, Verwendung des Oxid-Reseal Prozesses oder Verwendung des Laser-Reseal Prozesses wie in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102014202801 A1 gezeigt ist.
Bei dem Laser Reseal Prozess ist es erforderlich, eine Zugangsöffnung zu der zu verschließenden Kaverne zu erzeugen. Dies erfolgt auf dem Kappenwafer, und nicht auf dem Sensorwafer. Vorrichtungen mit einem ASIC als Kappe, bei denen also der Sensorwafer direkt mit einem ASIC-Wafer verbunden wird, ohne die Verwendung eines Kappenwafers, sind neue Konzepte für die Kavernenöffnung erforderlich. Die vorliegende Erfindungsmeldung zeigt eine besonders effiziente Realisierungsmöglichkeit auf.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren für die Herstellung eines wiederverschließbaren Zugangs zu einer Kaverne einer MEMS Vorrichtung und eine solche wiederverschlossene MEMS Vorrichtung zu schaffen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung einen wiederverschlossenen Kavernenzugang in Form einer Laserbohrung von einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung bis zur Kaverne aufweist. Vorteilhaft ist eine einfache Herstellung des Kavernenzugangs mittes Laser-Ablation möglich. Vorteilhaft kann durch die Erfindung ein MEMS Bauteil mit einem Medienzugang zu einer Kaverne, wie beispielsweise ein Drucksensor geschaffen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung einen wiederverschlossenen Kavernenzugang in Form einer Laserbohrung mit einem stoffschlüssigen Verschluss an der äußeren Oberfläche der Vorrichtung aufweist. Vorteilhaft lässt sich ein Laserbohrloch leicht mit Material verschließen, insbesondere wenn es einen geringen Durchmesser aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Verschluss aus einer erstarrten Schmelze aus dem Material an der äußeren Oberfläche der Vorrichtung besteht, welches den Kavernenzugang umgibt und insbesondere ein Laserschmelzverschluss ist. Vorteilhaft kann das Laserbohrloch durch Laserschmelzen leicht und effektiv geschlossen sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung an der äußeren Oberfläche eine Ausnehmung mit einem Boden aufweist und der Kavernenzugang mit dem Verschluss an dem Boden angeordnet ist. Vorteilhaft ist so der Verschluss vor mechanischen Belastungen geschützt angeordnet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Laserbohrung durch das ASIC Substrat bis zur Kaverne verläuft. Vorteilhaft lässt sich eine Laserbohrung durch verschiedene ASIC Schichten und Materialien hindurch in einem ASIC-Substrat anordnen. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die Ausnehmung durch das ASIC Substrat bis zu ASIC-Strukturen reicht. Vorteilhaft kann die Ausnehmung durch herkömmliche Ätzprozesse im Halbleiter hergestellt sein und die Laserbohrung muss nur noch die ASIC Strukturen durchqueren. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das ASIC Substrat rückgedünnt ist. Vorteilhaft ist so eine besonders kleine MEMS Vorrichtung geschaffen.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Laserbohrung durch das MEMS-Substrat, und insbesondere durch eine MEMS-Struktur, welche an einer inneren Oberfläche des MEMS Substrats angeordnet ist, bis zur Kaverne verläuft. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Laserbohrung durch das MEMS-Substrat (20) bis zu einer MEMS-Struktur (50) verläuft, welche an einer inneren Oberfläche des MEMS Substrats in der Kaverne (30) angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit wenigstens einem Substrat und einer Kaverne mit dem Verfahrensschritt:
- A: Herstellen eines Kavernenzugangs mittels Laserbohren durch ein Substrat von einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung bis zu einer Kaverne.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt A ein Schritt B: Verschließen des Kavernenzugangs mittels Laserschmelzen an einem Ende des Kavernenzugangs an der äußeren Oberfläche der Vorrichtung; durchgeführt wird.
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Besonders vorteilhaft ist, dass in das Substrat von der äußeren Oberfläche her eine Ausnehmung mit einem Boden eingebracht wird. Vorteilhaft ist dabei auch, dass das Substrat nach dem Schritt B von der äußeren Oberfläche her rückgedünnt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Schritt A durch ein ASIC Substrat gebohrt wird, wobei die Bohrung an einem Umfang ASIC-Strukturen durchquert.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Schritt A durch ein MEMS-Substrat, und insbesondere durch eine MEMS-Struktur, welche an einer inneren Oberfläche des MEMS Substrats angeordnet ist, bis zur Kaverne hindurch gebohrt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Schritt A durch ein MEMS-Substrat bis zu einer MEMS-Struktur, welche an einer inneren Oberfläche des MEMS Substrats in der Kaverne angeordnet ist, gebohrt wird.
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Der Kern der Erfindung besteht in einem Herstellungsverfahren für einen Kavernenzugang mittels Laser Ablation. Vorteilhaft lässt sich dies mit einem nachfolgenden Laser Reseal Prozess verknüpfen. Vorteilhaft lässt sich das Verfahren zur Herstellung insbesondere zur Herstellung vom MEMS Bauteilen mit mehreren Kavernen mit unterschiedlichen Kaverneninnendrücken und mit einer Kappe aus einem ASIC-Substrat anwenden. Zur Herstellung verschiedener Innendrücke ist das Öffnen und Wiederverschließen einzelner Kavernen vorteilhaft. Bei der Verwendung einer Verkappungstechnik mit ASIC wird der MEMS-Wafer direkt mit dem ASIC Wafer verbunden. Der bisherige Ansatz, den Kavernenzugang in einem Silizium-Kappenwafer mit einem konventionellen Silizium-Trenchverfahren anzulegen, ist dann aber nicht mehr möglich. Der ASIC Wafer besitzt eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialschichten, i.d.R. Si, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Metall (AI oder auch Cu). Mit dem bisher verwendeten Si-Trenchverfahren kann dieser Materialstapel nicht vollständig geätzt werden. Ein Ätzverfahren, bei dem für jede zu ätzende Schicht ein passender Prozess verwendet wird ist ebenfalls nicht zielführend, da in einer Schicht lateral verteilt mehrere Materialien vorkommen können (beispielsweise Oxid, AI). Zusätzlich ist bei Schichten, die nur aus einem Material bestehen, ein Wechsel des Ätzprozesses je nach Schichtmaterial notwendig und daher eine komplexe Abfolge von Fertigungsschritten erforderlich, die nicht wirtschaftlich darstellbar ist. Typischerweise besteht ein ASIC aus dem Si Grundmaterial mit darauf abgeschiedenen 3 bis 6 Metalllagen, die jeweils durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind. Insgesamt sind daher ca. 10 Schichten zu ätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht die geschilderte Problematik, indem anstelle eines Ätzverfahrens ein Laser-Ablationsverfahren eingesetzt wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem MEMS Substrat, einem ASIC Substrat und einer Kaverne.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserbohren hergestellten Kavernenzugang.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem in einer Ausnehmung angelegten Kavernenzugang.
- 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung.
- 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Ausnehmung im ASIC Substrat, welche bis zu ASIC Strukturen reicht und mit einem darin angelegten Kavernenzugang.
- 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung eines ASIC Substrats, welche bis in die Nähe von ASIC Strukturen reicht.
- 8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung eines rückgedünnten ASIC Substrats.
- 9 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang, welcher durch das MEMS Substrat und durch die MEMS Struktur reicht.
- 10 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang, welcher durch das MEMS Substrat bis zu einer MEMS Struktur reicht.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem MEMS Substrat, einem ASIC Substrat und einer Kaverne.
Ein ASIC-Substrat 10 und ein MEMS-Substrat 20 sind aufeinander gebondet und umschließen eine Kaverne 30. In der Kaverne, auf dem MEMS-Substrat ist eine MEMS-Struktur 50, beispielsweise eine bewegliche Struktur eines Inertialsensors angeordnet. Das ASIC-Substrat stellt also eine Kappe für die MEMS Vorrichtung dar. ASIC Strukturen 40 weisen zur Kaverne hin und sind somit ebenfalls von äußeren Einflüssen geschützt. Derartige Vorrichtungen werden günstig auf Waferebene hergestellt und anschließend vereinzelt.
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2 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem erfindungsgemäß durch Laserbohren hergestellten Kavernenzugang.
Ein Kavernenzugang 60 wird durch den ASIC Wafer oder das ASIC Substrat 10 hergestellt, indem mittels eines Lasers das abzutragende Material verdampft wird. Dies wird als Laser Ablation oder Laserbohren bezeichnet. Der große Vorteil gegenüber einem Ätzverfahren besteht in der Vielzahl an Materialien, die gleichzeitig durch den Laser bearbeitet werden können. Daher ist für die Herstellung des Zugangs zu der Kaverne die Anzahl der Materialschichten und deren Zusammensetzung nicht relevant. Die Laserleistung zum Abtrag des Schichtstapels kann auf die Dicken der Materialien abgestimmt werden. Die ASIC Strukturen 40 beinhalten verschiedene Materialien, z.B. Si, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, AI, Cu (oder wenigstens zwei dieser Materialien).
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang.
Der Kavernenzugang
60 weist nun an einem Ende des Kavernenzugangs
60 an einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats
10 einen Verschluss
65 auf. Das Verschließen der Kaverne geschieht mittels eines Laser Reseal Verfahrens bei einem definierten Druck, wie in der
DE 102014202801 A1 beschrieben ist. Es wird also eine Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung und bestimmtem Druck in der Kaverne eingeschlossen und der Kavernenzugang mit einem Laserschmelzverschluss versiegelt.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem in einer Ausnehmung angelegten Kavernenzugang.
Um den Verschluss vor mechanischen Belastungen zu schützen kann er an eine tiefere Position verlegt werden. Dazu wird vor dem Verschließen des Kavernenzugangs mittels eines Ätzverfahrens eine Schutzstruktur um den erstellten Kavernenzugang in Form einer Ausnehmung 70 im Grundmaterial (Silizium) des ASIC Substrats 10 hergestellt, die typischerweise 10µm tief ist. Der Kavernenzugang 60 beginnt somit am Boden dieser Ausnehmung.
Die Reihenfolge der Strukturierung des Kavernenzugangs mittels Laser Ablation und Ätzen der Schutzstruktur kann auch vertauscht werden, d.h. es wird zuerst die Schutzstruktur angelegt und anschließend die Laser Ablation durchgeführt.
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5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung.
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Der Kavernenzugang 60 weist den Verschluss 65 auf. Die Figur verdeutlicht die wesentliche Funktion der Schutzstruktur, die den Laser Reseal Verschluss 65 vor mechanischer Beschädigung schützt, indem die Ausnehmung 70 tiefer ausgeführt ist, als die Höhe des Laser Reseal Verschlusses 65 über dem Boden der Ausnehmung.
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6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einer Ausnehmung im ASIC Substrat, welche bis zu ASIC Strukturen reicht und mit einem darin angelegten Kavernenzugang.
Im Extremfall wird die Ausnehmung 70 mittels Ätzen so tief angelegt, dass die Ätzung durch das komplette Grundmaterial des ASICs (Silizium) hindurchgeht und auf dem Materialstapel unterschiedlicher Materialien stoppt. Die Laser Ablation zur Herstellung des Kavernenzugangs ist in diesem Fall nur noch für die Entfernung des Materialstapels aus z.B. Sililziumoxid, Siliziumnitrid und Metallen erforderlich.
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Für das Verschließen des Kavernenzugangs 60 mittels Laser Reseal ist jedoch noch eine hinreichende Menge Silizium oder ein anderes aufschmelzbares Material nötig.
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7 zeigt dazu schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung eines ASIC Substrats, welche bis in die Nähe von ASIC Strukturen reicht. Der Boden der Ausnehmung 70 ist noch weit genug von den ASIC Strukturen 40 entfernt um aus dem vorhandenen Silizium einen Laserschmelzverschluss 65 zu bilden.
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Ist die Ausnehmung 70 hinreichend tief ausgeführt worden, kann im weiteren Verlauf der Bearbeitung das ASIC Substrat 10 auch noch rückgedünnt, also bis auf eine geringere Dicke abgetragen werden. Dies kann beispielsweise mittels chemisch-mechanischem Polieren (CMP) geschehen. In 7 ist der Zustand vor dem Rückdünnen dargestellt.
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8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang in einer Ausnehmung eines rückgedünnten ASIC Substrats. Von einem ASIC Substrat ursprünglicher Dicke wird rückseitig ein Substratteil 12 abgetragen. Es bleibt ein rückgedünntes ASIC Substrat 11 bestehen. Das Rückdünnen, also das Verringern der Substrathöhe durch Abtragen von Material an der Rückseite ist insbesondere vorteilhaft, um die Bauhöhe des Elements zu reduzieren, um dadurch kleinere Verpackungsmaße zu erzielen.
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In alternativen Ausführungsbeispielen wird die Laserbohrung durch das MEMS Substrat gelegt. Hierbei sind verschiedene Bohrtiefen möglich.
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9 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang, welcher durch das MEMS Substrat und durch die MEMS Struktur reicht. Die Laserbohrung 60 wird also bis direkt in die Kaverne 30 geführt.
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10 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit einem durch Laserschmelzen wiederverschlossenen Kavernenzugang, welcher durch das MEMS Substrat bis zu einer MEMS Struktur reicht. Die Laser-Ablation führt also lediglich bis zur beweglichen MEMS Struktur 50. Da die MEMS Struktur selbst Öffnungen besitzt, ist durch die MEMS Struktur hindurch ein Gasaustausch möglich, und somit kann eine Druckeinstellung in der Kaverne 30 für den Laser Reseal Prozess erfolgen.
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Die unter den 9 und 10 beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch mit der oben beschriebenen Schutzstruktur in Form einer Ausnehmung oder auch mit dem Rückdünnen des Substrats, hier des MEMS-Substrats 20 kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- ASIC Substrat
- 11
- rückgedünntes ASIC-Substrat
- 12
- rückseitig abgetragener Substratteil
- 20
- MEMS Substrat
- 30
- Kaverne
- 40
- ASIC Struktur
- 50
- MEMS Struktur
- 60
- Kavernenzugang
- 65
- Verschluss
- 70
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014202801 A1 [0002, 0019]
