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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung und eine Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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1a und 1b zeigen schematische Teil- und Gesamtdarstellungen einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, welche der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist.
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Die in Fig. la teilweise dargestellte Halbleitervorrichtung weist ein Substrat 10 mit einer eine Substratoberfläche 10a des Substrats 10 zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht 12 auf. Mindestens eine Stator-Elektrode 14, welche aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 gebildet ist, ist auf der Zwischenschicht 12 angeordnet. Die herkömmliche Halbleitervorrichtung umfasst auch mindestens eine Aktor-Elektrode 16, welche aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildet ist. Die mindestens eine Aktor-Elektrode 16 ist an einer aus einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 gebildeten Membran 18 derart aufgehängt, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode 16 mittels einer druck- oder schallwelleninduzierten Verwölbung der Membran 18 in Bezug zu der mindestens einen Stator-Elektrode 14 verstellbar ist/verstellt wird. Zusätzlich weist die herkömmliche Halbleitervorrichtung noch mindestens eine aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildete Referenz-Elektrode 20, mindestens eine aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 gebildete Referenz-Gegenelektrode 22 und mindestens eine aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 gebildete Leiterbahnzuführung 24 auf.
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Wie in 1b erkennbar ist, ist die herkömmliche Halbleitervorrichtung verpackt, indem das Substrat 10 mittels einer ersten Klebeschicht 26 an einer Leiterplatte 28 befestigt ist und die Leiterplatte 28 mittels einer zweiten Klebeschicht 30 an einem Trägersubstrat 32 festgeklebt ist. An dem Trägersubstrat 32 ist auch ein Deckel 34 mit mindestens einer Luftzufuhröffnung 36 derart befestigt, dass das mikromechanische Bauteil in einem von dem Trägersubstrat 32 und dem Deckel umgebenen Innenvolumen angeordnet ist.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2006 024 671 A1 ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, einer seismischen Masse und feststehenden Elektroden, sowie einer die seismische Masse und die feststehenden Elektroden überspannenden Membran. Die seismische Masse und die feststehenden Elektroden sind aus der gleichen Halbleiterschicht, welche auf einer Substratoberfläche des Substrats und mindestens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht abgeschieden ist, gebildet. An einer von der seismischen Masse und den feststehenden Elektroden weg gerichteten Seite der Membran ist außerdem ein Chip befestigt.
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Aus der Schrift
US 2014/0109680 A1 ist ein mikroelektromechanischer Aufbau eines Bauteils bekannt, bei dem eine Membran oberhalb einer Elektrode angebracht ist. Dabei weist die Membran nach innen, in Richtung der Elektrode gerichtete Strukturen auf, die aus der Membranebene hervorstehen und sich mit der Membran bei einer Aktivierung bewegen.
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Aus der Schrift
US 2015/0068314 A1 ist ein mikromechanischer kapazitver Drucksensor bekannt, bei dem die bewegliche Elektrode an einer oberen Membran befestigt ist. Die Membran weist dabei mehrere Schichten auf, die sich bei einer Aktivierung der Membran gemeinsam bewegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Ausbildung einer verwölbbaren Membran eines mikromechanischen Bauteils/einer Sensorvorrichtung mit der an der Membranaußenseite der Membran hervorstehenden Versteifungs- und/oder Schutzstruktur auf einfache Weise und ohne eine signifikante Steigerung der Herstellungskosten des mikromechanischen Bauteils/der Sensorvorrichtung. Mittels einer auf diese Weise bewirkten Versteifung der jeweiligen Membran kann deren Verwölbungsverhalten als Reaktion auf einen Druck oder auf Schallwellen an ihrer Membranaußenseite für eine sensorische Nutzung der Membran
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verbessert werden. Außerdem gewährleistet die vorliegende Erfindung einen vorteilhaften Schutz der Membran vor einer Verschmutzung der Membranaußenseite und eine Steigerung einer Robustheit der Membran gegenüber mechanischem Stress. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, erleichtert die vorliegende Erfindung auch eine Integration des mikromechanischen Bauteils in kostengünstigere und kleinere Packages. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit für mikromechanische Bauteile/Sensorvorrichtungen eine Reduzierung ihrer Herstellungskosten, eine Verkleinerung ihrer Baugröße und eine Steigerung ihrer Robustheit gegenüber Verschmutzungen und einem mechanischen Stress.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur zumindest ein an der Membranaußenseite hervorstehendes Gitter. Mittels des an der Membranaußenseite hervorstehenden Gitters ist ein verlässlicher Partikelschutz für die Membranaußenseite, selbst bei deren Nutzung als Sensorfläche zum Messen eines Außendrucks auf ihrer Membranaußenseite (bei bekannten Innendruck auf ihrer Membraninnenseite) oder zum Detektieren von Schallwellen sichergestellt.
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Insbesondere können alle Gitteröffnungen des Gitters wasserundurchlässig sein. Dies ist leicht realisierbar, indem die Gitteröffnungen des Gitters derart klein/schmal ausgebildet werden, dass gasförmige Medien durch die Gitteröffnungen des Gitters passieren können, Wassertropfen jedoch nicht. In diesem Fall kann das Gitter somit die Funktionen einer Gore-Membran verlässlich erfüllen.
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Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur zumindest teilweise auch mit einer hydrophoben Schutzschicht beschichtet sein. Auch auf diese Weise kann die Membranaußenseite der Membran vor einer Benetzung mit Flüssigkeiten geschützt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das mikromechanische Bauteil zumindest teilweise mit einer Moldmasse umgossen, wobei die Moldmasse die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur zumindest teilweise bedeckt. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, kann das mikromechanische Bauteil aufgrund seiner Ausstattung mit der an der Membranaußenseite hervorstehenden Versteifungs- und/oder Schutzstruktur mit der Moldmasse umgossen werden, wobei trotzdem die mittels der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur geschützte Membranaußenseite der Membran noch verlässlich als Sensorfläche zum Messen eines Außendrucks auf ihrer Membranaußenseite (bei bekannten Innendruck auf ihrer Membraninnenseite) oder zum Detektieren von Schallwellen verwendet werden kann.
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Zusätzlich können eine von der Moldmasse freiliegende Teilfläche der Membranaußenseite und/oder ein von der Moldmasse freiliegender Teil der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur mit einem Gel bedeckt sein. Die Vergelung lässt sich in diesem Fall sehr leicht realisieren, da ein Ausfließen des Gels durch seitliche Begrenzungen in der Moldmasse verlässlich verhindert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das mikromechanische Bauteil mittels eines auf der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur angeordneten Bondmaterials auf einer Leiterplatte festgebondet. Auch in diesem Fall stellt die an der Membranaußenseite hervorstehende Versteifungs- und/oder Schutzstruktur sicher, dass die Membranaußenseite weiterhin als Sensorfläche zum Messen eines Außendrucks auf ihrer Membranaußenseite (bei bekannten Innendruck auf ihrer Membraninnenseite) oder zum Detektieren von Schallwellen verwendet werden kann.
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Alternativ oder ergänzend kann an der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur mindestens ein Chip-zu-Chip-Kontakt angeordnet sein, über welchen das mikromechanische Bauteil jeweils elektrisch an der Leiterplatte und/oder einer anderen Leiterplatte angebunden ist. Eine elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauteils ist somit auf vergleichsweise einfache Weise realisierbar.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einer Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise eine Druck- und/oder Inertialsensorvorrichtung und/oder ein Mikrofon sein.
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Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein derartiges mikromechanisches Bauteil die oben beschriebenen Vorteile, wobei das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von mikromechanischen Bauteilen weitergebildet werden kann.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematische Teil- und Gesamtdarstellungen einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung;
- 2a und 2b schematische Teil- und Gesamtdarstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 3 eine schematische Gesamtdarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 4 eine schematische Gesamtdarstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 5 eine schematische Gesamtdarstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2a und 2b zeigen schematische Teil- und Gesamtdarstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das im Weiteren beschriebene mikromechanische Bauteil kann vorteilhaft als (Teil einer) Sensorvorrichtung verwendet werden. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise eine Druck- und/oder Inertialsensorvorrichtung und/oder ein Mikrofon sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die hier aufgezählten Beispiele von Sensorvorrichtungen nicht abschließend zu interpretieren sind.
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Das in 2a teilweise dargestellte mikromechanische Bauteil hat ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Außerdem weist das mikromechanische Bauteil mindestens eine auf der Substratoberfläche 10a und/oder mindestens einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht 12 angeordnete Stator-Elektrode 14 auf. Die mindestens eine Stator-Elektrode 14 ist jeweils aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1, welche auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12 abgeschieden ist, gebildet. Die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 kann beispielsweise eine polykristalline Siliziumschicht sein. Bevorzugter Weise ist die mindestens eine Zwischenschicht 12 eine Isolierschicht, wie beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht und/oder eine siliziumreiche Nitridschicht.
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Das mikromechanische Bauteil hat auch mindestens eine verstellbar angeordnete Aktor-Elektrode 16, welche jeweils aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildet ist. Auch die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 kann eine polykristalline Siliziumschicht sein. Die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 ist auf der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 und/oder mindestens einer die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 zumindest teilweise abdeckenden ersten Opferschicht 50, welche evtl. zumindest teilweise (weg-)geätzt ist, abgeschieden. Die mindestens eine erste Opferschicht kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein.
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Außerdem überspannt eine Membran 18 mit einer von der mindestens einen Stator-Elektrode 14 und der mindestens einen Aktor-Elektrode 16 weg gerichteten Membranaußenseite 18a die mindestens eine Stator-Elektrode 14 und die mindestens eine Aktor-Elektrode 16. In dem Beispiel der 2a und 2b ist die Membran 18 mittels eines zumindest aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildeten Rahmenteils 52 derart aufgespannt, dass die Membran 18 eine hermetische Verkapselung oder Dünnschichtverkappung zumindest der Elektroden 14 und 16 bildet. Zumindest die mindestens eine Stator-Elektrode 14 und die mindestens eine Aktor-Elektrode 16 sind somit in einem von der Membran 18 überspannten und luftdicht abgedichteten Volumen V angeordnet, was einen verlässlichen Schutz der Elektroden 14 und 16 bewirkt.
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Bevorzugter Weise ist die Membran 18 außerdem zumindest teilweise verwölbbar, z.B. aufgrund eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membranaußenseite 18a vorherrschenden Außendruck und einem an ihrer von der Membranaußenseite 18a weg gerichteten Membraninnenseite 18b vorherrschenden Innendruck oder aufgrund eines Auftreffens von Schallwellen auf der Membranaußenseite 18a. Zusätzlich kann die mindestens eine Aktor-Elektrode 16 derart direkt oder indirekt an der Membraninnenseite 18b der Membran 18 aufgehängt sein, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode 16 mittels einer druck- oder schallwelleninduzierten Verwölbung der Membran 18 in Bezug zu der mindestens einen Stator-Elektrode 14 verstellbar ist. In diesem Fall kann die Membranaußenseite 18a der Membran 18 zumindest teilweise als Sensorfläche S zum Messen des Außendrucks (bei bekannten Innendruck) oder zum Detektieren von Schallwellen genutzt werden.
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Die Membran 18 ist aus einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 gebildet. Die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 kann auch eine polykristalline Siliziumschicht sein. Insbesondere kann die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 auf der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 und/oder auf mindestens einer die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 zumindest teilweise abdeckenden (nicht skizzierten) zweiten Opferschicht, welche evtl. zumindest teilweise (weg-)geätzt ist, abgeschieden sein. Die mindestens eine zweite Opferschicht kann ebenfalls eine Siliziumdioxidschicht sein.
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Zusätzlich weist das mikromechanische Bauteil noch eine Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 auf, welche an der Membranaußenseite 18a hervorsteht und aus einer vierten Halbleiter- und/oder Metallschicht P4 gebildet ist. Die vierte Halbleiter- und/oder Metallschicht P4 ist auf der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 und/oder mindestens einer die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 zumindest teilweise abdeckenden (nicht dargestellten) Schicht abgeschieden. Die vierte Halbleiter- und/oder Metallschicht P4 kann ebenfalls eine polykristalline Siliziumschicht sein. Die mindestens eine die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 zumindest teilweise abdeckende Schicht kann eine Opferoxidschicht sein, welche evtl. zumindest teilweise (weg-)geätzt ist.
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Mittels einer durch die an der Membranaußenseite 18a hervorstehende Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 realisierten Versteifung der Membran 18 kann ein Spaltabstand d zwischen der mindestens einen Stator-Elektrode 14 und ihrer jeweils zugeordneten Aktor-Elektrode 16 homogenisiert werden. Ebenfalls können mittels der durch die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 realisierten Versteifung der Membran 18 eine Druck- oder Schallwellen-Empfindlichkeit des mikromechanischen Bauteils gesteigert und eine Nichtlinearität zwischen einer Änderung eines auf der Membranaußenseite 18a vorherrschenden Druckniveaus und einer Änderung des Spaltabstands d unterdrückt/reduziert werden.
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Außerdem kann eine Membranspannweite der Membran 18, bzw. Ausdehnungen der Sensorfläche S über eine Dimensionierung der vierten Halbleiter- und/oder Metallschicht P4 festgelegt werden, während eine laterale Abmessung der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht P3 als hermetische Verkapselung oder Dünnschichtverkappung unabhängig von der späteren Membranspannweite der Membran 18 erfolgt. Das von der Membran 18 überspannte und luftdicht abgedichtete Volumen V kann somit vergleichsweise groß sein, ohne dass dazu die Nachteile einer vergleichsweise großen Membranspannweite in Kauf genommen werden müssen. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, kann die an der Membranaußenseite 18a hervorstehende Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 auch zum Schutz der Membranaußenseite 18a vor einer Beschmutzung, vor einer Benetzung mit einer Flüssigkeit und vor einer Beschädigung genutzt werden.
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Die Möglichkeit zur Überspannung und luftdichten Abdichtung eines vergleichsweise großen Volumens V mittels der Membran 18 kann zur Integration mindestens einer weiteren Sensorelektrode 56 (zusätzlich zu den Elektroden 14 und 16) in das Volumen V genutzt werden. In der Ausführungsform der 2a und 2b ist beispielhaft noch mindestens eine seismische Masse 56 als „Inertialsensor-Elektrode 56“ zusätzlich zu den Elektroden 14 und 16 in das Volumen V integriert. Die mindestens eine weitere Sensorelektrode/seismische Masse 56 kann beispielsweise aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildet sein. Mindestens eine mit der mindestens einen weiteren Sensorelektrode/seismischen Masse 56 zusammenwirkende (nicht skizzierte) Gegen-Elektrode, welche ebenfalls in das Volumen V integriert ist, kann aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 oder aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht P2 gebildet sein. Als Alternative oder als Ergänzung zu der mindestens einen weiteren Sensorelektrode/seismischen Masse 56 und ihrer mindestens einen Gegen-Elektrode können auch die mindestens eine oben beschriebene Referenz-Elektrode und ihre mindestens eine Referenz-Gegenelektrode in das Volumen V integriert sein. Des Weiteren kann auch mindestens eine Leiterbahnzuführung 24 aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht P1 gebildet sein.
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Die an der Membranaußenseite 18a hervorstehende Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 kann auch eine elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauteils erleichtern. Beispielsweise kann mindestens ein Bondpad 58 an der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 befestigt sein, ohne dass dies eine Verformbarkeit der Membran 18, insbesondere ihrer Sensorfläche S beeinträchtigt.
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Wie in 2b erkennbar ist, kann das hier beschriebene mikromechanische Bauteil auf einfache Weise in ein Package integriert sein/werden, beispielsweise indem eine von der Substratoberfläche 10a weg gerichtete Befestigungsfläche 10b des Substrats 10 mittels einer ersten Klebeschicht 26 an einer Leiterplatte 28 befestigt ist/wird und eine von dem mikromechanischen Bauteil weg gerichtete Befestigungsfläche 28a der Leiterplatte 28 mittels einer zweiten Klebeschicht 30 an einem Trägersubstrat 32 festgeklebt ist/wird. Zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Bauteils mit der Leiterplatte 28 ist/wird der mindestens eine Bondpad 58 des mikromechanischen Bauteils über je einen Drahtbond 60 an jeweils einem Kontakt 62 der Leiterplatte 28 angebunden. Sofern gewünscht, kann die Leiterplatte 28 auch über mindestens einen weiteren Drahtbond 64 an einem Kontakt 66 des Trägersubstrats 32 elektrisch angebunden sein/werden. Wahlweise kann auch eine von dem mikromechanischen Bauteil und der Leiterplatte 28 weg gerichtete Befestigungsfläche 32a des Trägersubstrats 32 über mindestens einen daran befestigten Lötpad 68 an einer weiteren Vorrichtung befestigbar sein. Die Leiterplatte 28 kann insbesondere ein Silizium-Chip mit einer CMOS-Schaltung zur Ansteuerung und zum Auslesen des mikromechanischen Bauteils sein.
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Das mikromechanische Bauteil ist außerdem zumindest teilweise mit einer Moldmasse 70 umgossen, wobei die Moldmasse 70 die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 zumindest teilweise bedeckt. Die Sensorfläche S der Membran 18 bleibt beim Moldprozess unbedeckt von der Moldmasse 70, um die vorteilhafte Sensitivität der Sensorfläche S weiterhin zu gewährleisten. Das in 2b dargestellte Package, welches auch als Film-Assisted Mold Package bezeichnet werden kann, ist deutlich kostengünstiger herstellbar als die in 1b skizzierte Verpackung gemäß dem Stand der Technik. Es wird darauf hingewiesen, dass, da der Rand der Moldmasse 70 lediglich die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 und nicht die Membran 18 kontaktiert, die Membranspannweite der Membran 18, bzw. Ausdehnungen der Sensorfläche S, selbst bei Schwankungen im Moldprozess nicht verändert wird. (Eine Kantenposition der erstarrten Moldmasse 70 kann bei Moldprozessen leicht variieren.) Als vorteilhafte Weiterbildung ist in der Ausführungsform der 2a und 2b noch eine von der Moldmasse 70 freiliegende Teilfläche der Membranaußenseite 18a und/oder ein von der Moldmasse 70 freiliegender Teil der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 mit einem Gel 72 bedeckt. Die Vergelung ist leicht ausführbar, da ein Ausfließen des Gels 72 durch die seitlichen Begrenzungen der Moldmasse 70 verlässlich verhindert ist. Durch die Verwendung des Gels 72 ist eine Robustheit der Membran 18 gegenüber Verschmutzungen verbessert, da sich auf der Membranaußenseite 18a/Sensorfläche S keine Ablagerungen bilden können und selbst reaktive Chemikalien die Membranaußenseite 18a/Sensorfläche S nicht/kaum angreifen können. Eine Druck- oder Schallwellen-Empfindlichkeit der Membran 18 bleibt somit auch in Anwesenheit von reaktiven Chemikalien unbeeinträchtigt.
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3 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 3 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als Ergänzung zu der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform noch ein an der Membranaußenseite 18a hervorstehendes Gitter 74 als Teil seiner Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 auf. Das Gitter 74 ermöglicht als „Schutzgitter“ einen Partikelschutz der Membranaußenseite 18, um eine Verschmutzung der Membranaußenseite 18 zu verhindern. Optionaler Weise kann an das Gitter 74 ein anderes elektrisches Potential angelegt sein als an die Membran 18, in welchem Fall das Gitter 74 auch eine Abschirmung der Membran 18 vor elektromagnetischer Strahlung bewirkt, und auf diese Weise eine elektromagnetische Robustheit des mikromechanischen Bauteils verbessert. Außerdem ist die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 zumindest teilweise mit einer hydrophoben Schutzschicht 76 beschichtet, wodurch ein Feuchteschutz der Membran 18 realisiert ist. Alternativ oder ergänzend zu der hydrophoben Schutzschicht 76 können alle Gitteröffnungen 74a des Gitters 74 auch derart klein ausgebildet sein, dass sie wasserundurchlässig sind. Mittels einer ausreichend feinen Perforation des Gitters 74 kann das Gitter 74 somit auch die Funktionen einer Gore-Membran erfüllen. In diesem Fall können Gasmoleküle noch problemlos durch die Gitteröffnungen 74a des Gitters 74 diffundieren, Tropfen von Flüssigkeiten werden jedoch durch das Gitter 74 von der Membran 18 abgehalten. Sofern eine Beschichtung des mindestens einen Bondpads 58 mit der hydrophoben Schutzschicht 76 unerwünscht ist, z.B. weil der mindestens eine Bondpad 58 aus Aluminium ist, kann die hydrophobe Beschichtung 76 durch einen Temperschritt selektiv von dem mindestens einen Bondpad 58 entfernt werden. Im Allgemeinen ist dies jedoch nicht notwendig, da die hydrophobe Beschichtung 76 so dünn ausbildbar ist, dass sie beim Drahtbonden leicht durchstoßen werden kann, und trotzdem einen verlässlichen Flüssigkeitsschutz der Membran 18 bewirkt.
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Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 3 und ihrer Vorteile wird auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform verwiesen.
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4 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 4 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der Ausführungsform der 2a und 2b lediglich durch das Gitter 74 und einen zwischen der Membranaußenseite 18a seiner Membran 18 und mindestens einem freistehenden Bereich 54a seiner Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 ausgebildeten Spalt 78. Die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 kontaktiert die Membran 18 lediglich mittels mindestens eines verankerten Bereichs 54b der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54. Die Ausbildung der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 mit ihrem mindestens einen freistehenden Bereich 54a, welcher um den Spalt 78 von der Membran 18 beabstandet ist, steigert eine Stressrobustheit der Membran 18, indem der Spalt 78 ein Einleiten von mechanischem Stress über die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 in die Membran 18 verhindert/unterbindet. Der Spalt 78 gewährleistet damit eine vorteilhafte Stressentkopplung der Membran 18. Selbst wenn die auf der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 liegende Moldmasse 70 aufgrund ihres von dem Material der Membran 18 stark abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder aufgrund von Änderungen von Materialeigenschaften während der Produktlebensdauer einen gewissen mechanischen Stress auf die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 überträgt, verhindert der Spalt 78 die Stressübertragung auf die Membran 18.
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Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4 und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungsform der 2a und 2b verwiesen.
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5 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 5 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil ist im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen verpackt, indem das mikromechanische Bauteil mittels eines auf der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 angeordneten Bondmaterials 80 auf einer Leiterplatte 28 festgebondet ist. Auch hier kann die Leiterplatte 28 insbesondere ein Silizium-Chip mit einer CMOS-Schaltung zur Ansteuerung und zum Auslesen des mikromechanischen Bauteils sein. Das Bondmaterial 80 kann insbesondere als „Bondrahmen“ geformt sein. Mittels mindestens einer in dem „Bondrahmen“ ausgebildeten Öffnung ist ein Druck- oder Schallwellenzugang 82 von einer Außenseite des verpackten mikromechanischen Bauteils zu der als Sensorfläche S genutzten (Teilfläche der) Membranaußenseite 18a der Membran 18 realisierbar. Als Druck- oder Schallwellenzugang 82 kann ein Kanal zwischen zwei benachbarten Schichten der Halbleiter- und/oder Metallschichten P1, P2, P3 und P4 ausgebildet sein. Mittels einer vergleichsweise dünnen Ausbildung des Kanals ist ein ausreichender Schutz gegenüber einem Eindringen von Verschmutzungen oder Flüssigkeiten gewährleistbar.
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Wahlweise kann an der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur 54 noch mindestens ein Chip-zu-Chip-Kontakt 84 angeordnet sein, über welchen das mikromechanische Bauteil jeweils elektrisch an der Leiterplatte 28 angebunden ist. Zum Bilden des mindestens einen Chip-zu-Chip-Kontakts 84 kann ein metallisches Bondverfahren, ein eutektisches Bondverfahren, ein Direktbondverfahren oder ein Thermokompressionsbondverfahren ausgeführt werden. Bevorzugt wird ein eutektisches Bondverfahren unter Verwendung von Aluminium und unter Verwendung von Germanium oder Kupfer und Zinn ausgeführt. Mittels mindestens eines auf einer von dem mikromechanischen Bauteil weg gerichteten Befestigungsfläche 28a der Leiterplatte 28 angeordneten Lötballs 86 kann die Leiterplatte 28 an einer weiteren Vorrichtung befestigt werden.
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Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5 und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungsform der 2a und 2b verwiesen.
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Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können als Sensorvorrichtungen, wie beispielsweise als Druck- und/oder Inertialsensorvorrichtungen und/oder als Mikrofone, insbesondere für Consumer- oder Automobil-Anwendungen, eingesetzt werden. Die vorausgehend beschriebenen Packages der sind deutlich kostengünstiger herstellbar als das in 1b schematisch dargestellte Package gemäß dem Stand der Technik. Außerdem bieten die oben beschriebenen Packages eine Minimierung von Einflüssen durch mechanischen Stress und eine Steigerung einer Robustheit des jeweiligen mikromechanischen Bauteils gegenüber Verschmutzungen.
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6 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf diese mikromechanischen Bauteile beschränkt.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird eine erste Halbleiter- und/oder Metallschicht auf einer Substratoberfläche eines Substrats und/oder mindestens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht abgeschieden. Beispiele für die Materialien der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht und der mindestens einen Zwischenschicht sind oben schon genannt. Aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht wird zumindest mindestens eine auf der Substratoberfläche und/oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete Stator-Elektrode gebildet.
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Als Verfahrensschritt S2 wird dann eine zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht auf der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht und/oder mindestens einer die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht zumindest teilweise abdeckenden ersten Opferschicht abgeschieden. Auch für die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht und die mindestens eine erste Opferschicht sind mögliche Materialien oben schon genannt. Aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht wird zumindest mindestens eine Aktor-Elektrode gebildet.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird eine dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht auf der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht und/oder mindestens einer die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht zumindest teilweise abdeckenden zweiten Opferschicht abgeschieden. Beispiele für die Materialien der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht und der mindestens einen zweiten Opferschicht sind oben schon beschrieben. Aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht wird zumindest eine die mindestens eine Stator-Elektrode und die mindestens eine Aktor-Elektrode überspannende Membran mit einer von der mindestens einen Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode weg gerichteten Membranaußenseite gebildet. Optionaler Weise kann die mindestens eine Aktor-Elektrode direkt oder indirekt an einer von der Membranaußenseite weg gerichteten Membraninnenseite der Membran befestigt werden.
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Ein Abscheiden einer vierten Halbleiter- und/oder Metallschicht auf der Membranaußenseite und/oder mindestens einer die Membranaußenseite zumindest teilweise abdeckenden Schicht wird als Verfahrensschritt S4 ausgeführt. Als vierte Halbleiter- und/oder Metallschicht kann beispielsweise eine polykristalline Siliziumschicht abgeschieden werden. Aus der vierten Halbleiter- und/oder Metallschicht wird zumindest eine an der Membranaußenseite hervorstehende Versteifungs- und/oder Schutzstruktur gebildet. Die mindestens eine die Membranaußenseite zumindest teilweise abdeckende Schicht kann eine Opferoxidschicht sein, deren Strukturierung mindestens eine Kontaktfläche der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur an der Membranaußenseite und evtl. auch mindestens ein Kontaktloch festlegt. Sofern die mindestens eine Schicht vor dem Abscheiden der vierten Halbleiter- und/oder Metallschicht von mindestens einer Teilfläche der Membranaußenseite entfernt wird, kontaktiert die Versteifungs- und/oder Schutzstruktur die Membranaußenseite an der mindestens einen Teilfläche. Zumindest Teilbereiche der mindestens einen Schicht können jedoch auch als Ätzstopp beim Strukturieren der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur genutzt werden. Sofern gewünscht, kann die mindestens eine Schicht kann anschließend mittels eines Ätzverfahrens, bevorzugt mit gasförmigem Fluorwasserstoff, entfernt werden.
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In einem vor oder nach dem Verfahrensschritt S4 ausgeführten Verfahrensschritt S5 werden die mindestens eine erste Opferschicht und/oder die mindestens eine zweite Opferschicht zumindest teilweise derart entfernt, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode verstellbar angeordnet ist. Als Verfahrensschritt S5 können auch mehrere Ätzschritte, evtl. vor und nach dem Verfahrensschritt S4, ausgeführt werden. Auch eine Verwölbbarkeit der Membran kann mittels des Verfahrensschritts S5 so sichergestellt werden, dass eine druck- oder schallwelleninduzierte Verwölbung der Membran möglich ist. Sofern die mindestens eine Aktor-Elektrode direkt oder indirekt an der Membraninnenseite der Membran befestigt wird, ist die mindestens eine Aktor-Elektrode mittels einer druck- oder schallwelleninduzierten Verwölbung der Membran in Bezug zu der mindestens einen Stator-Elektrode verstellbar. Mittels der Ausbildung der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur kann ein Membrandurchmesser der Membran festgelegt werden. Dies eröffnet zusätzliche Designfreiheit für die Ausgestaltung des Membrandurchmessers der Membran, da der Membrandurchmesser der Membran insbesondere über einen zum Formen der Versteifungs- und/oder Schutzstruktur ausgeführten Trenchprozess sehr präzise eingestellt werden kann.
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Auch weitere Merkmale der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können mittels zusätzlicher Verfahrensschritte realisiert werden. Insbesondere die Merkmale der oben beschriebenen Packages können realisiert werden. Auf eine erneute Beschreibung dieser Merkmale wird hier jedoch verzichtet.
