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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement, ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement und eine entsprechende Anordnung.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Drehrate und Magnetfeld sind bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Ein genereller Trend in der Consumer-Elektronik ist die Miniaturisierung der Bauelemente. Dies dient zum einen der Kostenreduktion (durch kleinere Chipflächen), aber ein kleiner Footprint der Bauelemente ist auch von großem Kundenvorteil, da der Platz auf den Applikationsleiterplatten, beispielsweise in Mobiltelefonen, insbesondere aber in Wearables und Hearables, stark limitiert ist. Zudem dürfte es in den nächsten Jahren neue Applikationen für MEMS-Sensoren geben, z. B. in Smart Contact Lenses, die eine extreme Größenreduktion sowohl bzgl. der lateralen (Footprint) als auch der vertikalen Abmessungen (Bauhöhe) erfordern, siehe dazu z. B. die
US 2016 0 097 940 A1 . Auch für Smart Clothes dürfte eine Bauhöhenreduktion von großem Vorteil sein.
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Im Stand der Technik sind üblicherweise mehrere Chips für die verschiedenen Messgrößen in einem Plastikgehäuse (z. B. LGA, BGA, QFN) als so genanntes Systemin-Package (SiP) verbaut. Die genannten Systeme weisen unterschiedliche getrennte Chips auf, die mittels einer Drahtbondverbindung oder über Lötbälle funktional verbunden sind. Alternativ können MEMS- und ASIC-Chips bereits auf Waferebene vertikal integriert werden. Vertikale Integration bezeichnet dabei das Zusammenfügen von MEMS und ASIC-Wafer im Verbund, wobei elektrische Kontakte zwischen den MEMS-Funktionselementen und dem ASIC hergestellt werden. Beispiele für vertikale Integrationsverfahren sind u. a. bekannt aus der
US 7 250 353 B2 ,
US 7 442 570 B2 ,
US 2010 0 109 102 A1 ,
US 2011 0 049 652 A1 ,
US 2011 0 012 247 A1 ,
US 2012 0 049 299 A1 und
DE 10 2007 048 604 A1 .
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Der effektivste Weg zur Miniaturisierung der MEMS-Bauelemente besteht in der Verwendung von Chip Scale Packages (CSP), bei denen jegliche Substrate, Kleber, Bonddrähte, Moldmassen etc. entfallen und „nackte“ Silizium-Chips („bare die“) direkt auf die Applikationsleiterplatte montiert werden.
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Die
DE 10 2013 222 616 A1 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einer ersten ungehäusten Sensoreinrichtung und wenigstens einer zweiten ungehäusten Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtungen sind miteinander funktional verbunden, wobei die Sensoreinrichtungen im Wesentlichen vertikal derart übereinander angeordnet sind, dass eine in der Grundfläche größere Sensoreinrichtung eine in der Grundfläche kleinere Sensoreinrichtung vollständig überdeckt.
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Vertikal integrierte CSP-Bauelemente sind bereits auf dem Markt verfügbar, z. B. in Form eines dreiachsigen Beschleunigungssensors MC3672 von mCube
(https://mcubemems.com/product/mc3672-3-axis-accelerometer/). Zwar ist der Footprint dieses Sensors mit weniger als 1,5 mm2 extrem klein, doch die Bauhöhe liegt mit 0,74 mm im Bereich des Industriestandards von 0,6 - 1,0 mm für Sensoren im CE- (Consumer Electronics) Markt. Die Herstellung deutlich dünnerer Sensoren wird aus mehreren Gründen mit abnehmender Bauhöhe immer herausfordernder.
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Erstens ist das Handling von sehr dünnen Waferstacks schwierig. Waferdicken im Bereich unterhalb von 300 µm, spätestens aber unterhalb 200 µm sind mit normalem Fertigungsequipment kaum noch sicher handhabbar. Die Gefahr von Waferbruch steigt extrem an. Dies gilt umso mehr, wenn der Waferstack hohe intrinsische Spannungen aufweist, etwa aufgrund eines komplexen Stapels von Funktionsschichten aus verschiedenen Materialien, wie es sowohl bei einem MEMS- als auch bei einem ASIC-Wafer üblich ist. Es ist zwar möglich, mit temporären Bond-/Debond-Verfahren sogenannte Handle Wafer zur Stabilisierung des Waferverbunds für bestimmte kritische Weiterverarbeitungsschritte zu verwenden, jedoch sind diese Verfahren relativ kostenintensiv und stehen auch nicht in jeder Halbleiter-Fabrik zur Verfügung.
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Zweitens bietet der Waferbow ein Problem. Der bereits genannte komplexe Schichtstapel im MEMS-ASIC-Waferstack führt zudem zu erhöhten Werten für den Waferbow (also die Durchbiegung des Wafers während bzw. nach der Prozessierung). Insbesondere beim Waferbonden, also dem Zusammenfügen von MEMS- und ASIC-Wafer, können sich sehr hohe mechanische Spannungen am Bondinterface ausbilden, z. B. da aufgrund von Temperaturinhomogenitäten im Waferbonder nicht alle Bereiche auf dem Wafer gleichzeitig die Bondverbindung eingehen. Selbst wenn eine simultane Bondung aller Waferbereiche erfolgte, könnten sich, da die meisten Bondprozesse bei gegenüber Raumtemperatur stark erhöhten Temperaturen erfolgen, durch die unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten der Materialien im Schichtstapel deutliche Verspannungen und somit hohe Bow-Werte im Waferverbund einstellen. Die Waferbow-Werte werden in den meisten Fällen umso größer sein, je dünner der Waferstack ist. Beim Rückdünnen des Waferstacks steigt der Waferbow demnach sukzessive an. Übersteigen die Bow-Werte aber bestimmte Maximalwerte (diese sind Equipment-abhängig, liegen aber typischerweise im Bereich von wenigen 100 µm), können die Wafer nicht mehr weiterprozessiert werden, da beispielsweise eine Vakuumansaugung auf einem Waferchuck nicht mehr möglich ist.
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Drittens stellen sich Performanceeinbußen ein. Starkes Rückdünnen des Waferstacks führt i.a. zu einer massiv erhöhten Biegeempfindlichkeit von MEMS-Bauelementen. Es ist z. B. von kapazitiven Beschleunigungssensoren bekannt, dass mechanischer Stress, der von der Applikationsleiterplatte auf das MEMS-Substrat und von dort auf die beweglichen MEMS-Strukturen und die Auswerteelektroden übertragen wird, große Fehlersignale (insbesondere Offsetsfehler, aber auch Empfindlichkeitsfehler) generieren kann. Zur vereinfachenden Illustration kann man einen Wafer oder Waferstack als Biegezunge betrachten. Die Biegesteifigkeit nimmt dann in dritter Potenz mit der Dicke zu. Bei einer Halbierung der Waferdicke ist die Biegesteifigkeit also um einen Faktor 8 reduziert. Dementsprechend größer können die Fehlersignale des MEMS-Bauelements aufgrund von extern eingeprägtem mechanischen Stress sein, egal, was die Ursache des mechanischen Stresses ist (z. B. Leiterplattenverbiegung durch die Montage, thermomechanischer Stress aufgrund von Temperaturänderungen, Stressrelaxation durch Alterung).
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Negative Einflüsse von mechanischem Stress auf die Performance beispielsweise von Beschleunigungssensoren sind seit langem bekannt. Zur Reduktion dieses Einflusses wurden optimierte Oberflächenmikromechanikprozesse (z. B. gemäß der
DE 10 2011 080 978 A1 ) und Sensortopologien (z. B. gemäß der
DE 10 2009 045 391 A1 für x/y-Beschleunigungssensoren und gemäß der
DE 10 2009 000 167 A1 für z-Beschleunigungssensoren) entwickelt, bei denen zwei mikromechanische Schichten freigestellt und für komplexe Massen- bzw. Elektrodenanordnungen verwendet werden können. Über diese neuartigen Technologien und Designs kann der Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorperformance (Offset- und Empfindlichkeitsfehler) massiv reduziert werden, was auch für die vorliegende EM von Bedeutung ist.
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Die typischen Gesamtdicken der Funktionsschichten von MEMS-Wafern liegen in der Größenordnung von 20 - 40 µm. Sie setzen sich zusammen aus den Dicken von Opferschichten, in Oberflächenmikromechanik-Prozessen insbesondere Oxidschichten, und oftmals mehreren elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere aus polykristallinem Silizium, in denen die Funktionsstrukturen wie z. B. seismische Massen, Federn, Aufhängungen, Membranen, Elektroden, Zuleitungen etc. realisiert werden. Die Gesamtdicke des MEMS-Wafers, die üblicherweise im Bereich von 200 - 700 µm liegt, wird also weniger durch die Funktionsschichten, sondern durch die Dicke des MEMS-Substratwafers bestimmt.
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Ähnlich verhält es sich bei ASIC- oder CMOS-Wafern. Der Gesamtstapel aus dotierten Silizium-Schichten zur Herstellung von Transistoren und dem Metall-Oxid-Stapel zur Verdrahtung weist lediglich eine kumulierte Dicke von typisch 5 - 10 µm auf. Die Gesamtdicke des CMOS-Wafers wird im Wesentlichen durch die Dicke des Wafersubstrats bestimmt, welche zumindest etliche zehn Mikrometer beträgt, meistens aber sogar einige hundert Mikrometer.
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Verbindet man einen MEMS-Wafer mit einem CMOS-Wafer über ein metallisches Bondverfahren und führt die elektrischen Signale mittels TSVs auf die Rückseite (Außenseite) des CMOS-Wafers (s. ), tragen ferner das Bondinterface mit einer Dicke von typisch 1 - 3 µm sowie die Passivier- und Umverdrahtungsschichten auf der CMOS-Rückseite mit typisch 10 - 15 µm zur Gesamtdicke bei.
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In Summe sind somit bei einem vertikal integrierten MEMS-ASIC-Waferstapel mit TSVs Schichten von insgesamt ca. 40 - 60 µm unmittelbar funktionsrelevant, während der Rest des Waferstacks durch die Substratdicken von MEMS und ASIC bestimmt ist, um die o. g. Risiken bzgl. Handling, Verarbeitbarkeit und Performance beherrschbar zu lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 10 sowie eine entsprechende Anordnung nach Anspruch 15.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein ultradünnes vertikal mit einem ASIC-Bauelement integriertes MEMS-Bauelements und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu schaffen, wobei die Dicke des Gesamtstapels (ASIC-Dicke + MEMS-Dicke) unterhalb von 300 µm liegen kann, bevorzugt sogar unterhalb von 250 µm. Prinzipiell lassen sich erfindungsgemäß durch extremes Rückdünnen sogar Gesamtdicken des Waferstapels in der Größenordnung von 100 µm erreichen, letztlich nur hart limitiert durch die o. g. kumulierten Dicken der Funktionsschichten von 40 - 60 µm.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und das entsprechende mikromechanische Bauelelement weisen den Vorteil auf, dass durch die Reduktion der Gesamtbauhöhe eines MEMS-Bauelements ermöglicht ist, besonders Bauhöhen-kritische Applikationen bedienen zu können. Zugleich werden durch Detailaspekte der Erfindung zum einen die Fertigbarkeit und zum anderen die Performance des MEMS-Bauelements sicher erhalten. Vorteilhafterweise kann auch der Footprint des MEMS-Bauelements besonders klein ausgestaltbar sein, da manche Applikationen sowohl Bauhöhen- als auch Footprintlimitiert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Bonden durch einem metallischen Bondprozess, wobei vor dem Bonden eine erste Bondschicht auf die erste Vorderseite und eine zweite Bondschicht auf die zweite Vorderseite aufgebracht werden, welche beim Bonden in einem thermischen Prozess miteinander verbunden werden. Dies minimiert eine Verbiegung bzw. Verspannung des mikromechanischen Bauelelents.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht eine der ersten und zweiten Bondschicht aus Aluminium und die andere der ersten und zweiten Bondschicht aus Germanium, und wobei der thermische Prozess ein thermisch aktivierter Diffusionsprozess mit einer Temperatur unterhalb von 420°C ist. Eine derartige Materialkombination liefert besonders gute Resultate.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb des umlaufenden Bondrahmens mindestens ein weiterer Bondbereich vorgesehen, welcher das ASIC-Bauelement und das MEMS-Bauelement miteinander verbindet. Dies erhöht die Biegesteifigkeit zusätzlich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Bondbereich mit einem mechanischen Stützsteg oder einem mechanischem Stützpfeiler des MEMS-Bauelements verbunden, welcher vom mikromechanischen Funktionselement entkoppelt ist. Dies entkoppelt das mikromechanische Funktionselement vom mechanischen Stabilisierungsbereich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Bondbereich mit einem mechanischen Stützsteg verbunden, der die Kaverne in eine erste Teilkaverne und in eine zweite Teilkaverne trennt, welche hermetisch voneinander abgedichtet sind, wobei in der ersten Teilkaverne ein erstes mikromechanisches Funktionselement und in der zweiten Teilkaverne ein zweites mikromechanisches Funktionselement vorgesehen ist. So lassen sich kleinere stabile Teilkavernen erzeugen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Bondbereich mit einem mechanischen Stützpfeiler verbunden, welcher durch das mikromechanische Funktionselement geführt ist. So lassen sich Stabilisierungselemente an beliebigen Orten der Kaverne herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die elektrischen Kontakelemente Lötkugeln und/oder Lötpads.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mikromechanische Funktionselement aus einer Mehrzahl vertikal gestapelter mikromechanischer Funktionsschichten gebildet. Damit lassen sich besonders stressrobuste mikromechanische Funktionselemente herstellen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a1), a2)
und 1b)-e) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3a),b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 3a) eine horizontale Querschnittsdarstellung durch den Bondrahmen zeigt und wobei 3b) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A' von 3a) zeigt;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 8 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer achten 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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1a1), a2) und 1b)-e) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bezugszeichen 1 in 1a1) bezeichnet ein ASIC-Bauelement mit einer ersten Vorderseite V1 und einer ersten Rückseite R1, wobei an der ersten Vorderseite V1 eine Leiterbahneinrichtung U1 vorgesehen ist. Die Leiterbahneinrichtung U1 dient zur elektrischen Verdrahtung von Signalen von (nicht dargestellten) ASIC-Schaltungskomponenten, welche in dem entsprechenden ASIC-Substrat S1 untergebracht sind.
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Auf der Vorderseite V1 ist eine erste metallische Bondschicht ringförmig aufgebracht, welche in nachfolgenden Schritten für einen Bondprozess verwendet wird. Beispielsweise ist die erste metallische Bondschicht B1 aus Aluminium hergestellt und hat eine ringförmige geschlossene Gestalt.
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In 1a2) bezeichnet Bezugszeichen 2 ein MEMS-Bauelement mit einer zweiten Vorderseite V2 und einer zweiten Rückseite R2, wobei an der zweiten Vorderseite V2 ein in einer Kaverne K angeordnetes mikromechanisches Funktionselement F2 vorgesehen ist. Beispielsweise ist das mikromechanische Funktionselement F2 ein federnd gelagerter Inertialsensor.
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Das MEMS-Bauelement S2 weist ein MEMS-Substrat 2 und einen darauf aufgebrachten Funktionsschichtbereich SF2 auf, wobei der Funktionsschichtbereich SF2 eine Mehrzahl von mikromechanischen Funktionsschichten, insbesondere Oxidschichten, Polysiliziumschichten und Metallschichten usw. aufweist, in denen das mikromechanische Funktionselement F2 gebildet ist.
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Auf der zweiten Vorderseite V2 ist eine zweite metallische Bondschicht B2 aufgebracht, welche beispielsweise aus Germanium besteht und welche ebenfalls wie die erste metallische Bondschicht ringförmig umlaufend mit den gleichen Dimensionen wie denjenigen der ersten metallischen Bondschicht B1 aufgebracht ist, welche in dem besagten Bondprozess mit der ersten metallischen Bondschicht B1 zu verbinden ist.
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Obwohl die Prozessschritte gemäß 1a1) und 1a2) sowie die in den übrigen Figuren dargestellten Prozessschritte anhand von einzelnen Chips dargestellt werden, können diese selbstverständlich auch im Waferverbund unter Verwendung eines MEMS-Wafers und eines ASIC-Wafers (nicht dargestellt) durchgeführt werden.
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Weiter mit Bezug auf 1b) wird nunmehr die erste Vorderseite V1 auf die zweite Vorderseite V2 zum Stapeln des ASIC-Bauelements 1 und des MEMS-Bauelements 2 unter Verwendung der ersten metallischen Bondschicht B1 und der zweiten metallischen Bondschicht B2 gebondet. Bei diesem Bondprozess wird die Kaverne K mittels eines durch den Bondprozess gebildeten umlaufenden Bondrahmens B hermetisch verschlossen.
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Das bei dieser Ausführungsform verwendete metallische Bondverfahren ist ein eutektisches Bonden der ersten metallischen Bondschicht B1 aus Aluminium auf die zweite metallische Bondschicht B2 aus Germanium. Hierbei werden normalerweise Temperaturen knapp oberhalb des eutektischen Punkts, also im Temperaturbereich von 430°C bis 460°C verwendet. Um möglicherweise auftretende Verbiegungen des ASIC-Bauelements 1 und des MEMS-Bauelements 2 zu verhindern, wird der Stapel bei dieser ersten Ausführungsform unterhalb des eutektischen Punkts gebondet werden, für die Materialkombination Aluminium-Germanium vorzugsweise im Bereich von 390°C bis 420°C, besonders bevorzugt zwischen 400°C und 410°C. Bei diesen reduzierten Bondtemperaturen bildet sich keine Flüssigphase aus, sondern die Materialpartner Aluminium und Germanium verbinden sich über Festkörper-Diffusionsprozesse. Da diese wesentlich langsamer ablaufen als Diffusions- und Mischprozesse in der Flüssigphase, ist auch die räumliche und zeitliche Homogenität des Bondprozesses stark verbessert. Im Resultat führt dies zu geringeren Verspannungen im Stapel und somit zu geringeren Verbiegungswerten, was die Weiterprozessierung erleichtert und insbesondere später ein stärkeres Rückdünnen des Stapels erlaubt, wie nachstehend ausführlich beschrieben.
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Obwohl in 1b) nicht ausdrücklich dargestellt, können durch den Bondprozess auch (nicht dargestellt) elektrische Kontakte zwischen dem ASIC-Bauelement 1 und dem MEMS-Bauelement 2 hergestellt werden.
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Weiter mit Bezug auf 1c) wird das ASIC-Substrat S1 mittels eines Schleifprozesses und CMP-Prozesses (chemisch-mechanisches Polieren) auf eine vorgegebene Zieldicke d1 rückgedünnt.
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Wie in 1d) dargestellt, erfolgt anschließend das Bilden von einem oder mehreren Durchkontakten T1 ausgehend von der rückgeschliffenen ersten Rückseite R1 und von einer Umverdrahtungseinrichtung RR1 auf der ersten Rückseite R1, wobei die Durchkontakte T1 die Leiterbahneinrichtung U1 elektrisch mit der Umverdrahtungseinrichtung RR1 kontaktieren.
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Insbesondere weist die Umverdrahtungseinrichtung RR1 ebenso wie die Leiterbahneinrichtung U1 eine Mehrzahl von leitfähigen und nicht leitfähigen Schichten auf.
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Weiterhin werden elektrische Kontaktelemente L1, beispielsweise Lotkugeln, auf entsprechenden Bereichen der Umverdrahtungseinrichtung RR1 gebildet, welche zur externen elektrischen Anbindung der Umverdrahtungseinrichtung RR1 und damit des gesamten gestapelten Bauelements ausgestaltet sind. Eine derartige elektrische Anbindung kann beispielsweise unter Zuhilfenahme einer (nicht dargestellten) Leiterplatte realisiert werden.
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Schließlich erfolgt gemäß 1e) ein Rückdünnen der zweiten Rückseite R2 und somit des MEMS-Substrats S2 auf eine zweite vorgegebene Zieldicke d2. Ebenso wie das Rückdünnen des ASIC-Substrats 1 erfolgt dies mittels eines Schleifprozesses und CMP-Prozesses.
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Bei bekannten gestapelten mikromechanischen Bauelementen beträgt die Dicke mindestens eines der beiden Bauelemente des Stapels nach dem Rückdünnen noch einige hundert Mikrometer, typischerweise 300 bis 600 Mikrometer.
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Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform wird in dem Prozessschritt gemäß 1e) die zweite Zieldicke d2 des MEMS-Substrats S2 derart eingestellt, dass sie in der Größenordnung von 100 Mikrometern liegt. Da das Rückdünnen des MEMS-Bauelements 1 in diesem Fall bis auf das Lasermarking und (im Waferverbund) Vereinzeln, beispielsweise durch Sägen, der letzte Prozessschritt ist, besteht bei den vorhergehenden kritischen Prozessschritten kein Problem bezüglich des Waferhandlings bzw. der Waferverbiegung.
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Somit zeigt die Darstellung in 1e) den Endzustand des gestapelten mikromechanischen Bauelements 100 mit den elektrischen Kontaktelementen L1, welche ebenfalls innerhalb gewisser Grenzen in ihrer Größe reduziert sein können, um beispielsweise nach dem Löten auf einer (nicht gezeigten) Leiterplatte einen möglichst geringen Überstand (Abstand zwischen der Oberseite der Leiterplatte zur Unterseite des mikromechanischen Bauelements 100) zu realisieren. Für die Applikation ist insbesondere die Gesamthöhe des Bauelements, d. h. Überstand plus Stapeldicke, entscheidend.
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Das erfindungsgemäße ultradünne mikromechanische Bauelement zielt auf Applikationen mit extremer Baugrößen- und insbesondere Bauhöhensensitivität ab. Hierzu zählen insbesondere die Verwendung eines derartigen mikromechanischen Bauelements in einer Kontaktlinse, beispielsweise einer Multifokallinse, wobei Beschleunigungssensoren Änderungen der Positionen bzw. der Blickrichtung von linkem und rechtem Auge messen können und aus der Relativorientierung der beiden Augen auf den angestrebten Fokuspunkt schließen lassen, wie dies z. B. aus der
US 2015/077658 A1 bekannt ist.
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Ultradünne mikromechanische Bauelemente können zudem zusammen mit einer miniaturisierten Batterie, einem Mikrocontroller und einem Bluetooth-Sensor in sogenannten Smart Pills oder Digital Pills in Tablettenform geschluckt werden, um medizinische Daten, z. B. Druck oder Beschleunigung im Magen-Darm-Trakt bzw. allgemeine Bewegungsformen und Aktivitätsmuster von Patienten zu überwachen. Selbstverständlich ist für die Systemintegration in einer leicht einnehmbaren Tablette eine geringe Baugröße von offensichtlichem Vorteil.
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Auch in Smart Patches (Pflaster) ist die Verwendung sehr dünner mikromechanischer Bauelemente vorteilhaft, um die Systemintegration zu vereinfachen und den Tragekomfort zu erhöhen.
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In Smart Clothes (Kleidung) können ultradünne mikromechanische Bauelemente zur Überwachung körperlicher Aktivitäten ebenfalls eingesetzt werden. Je dünner diese mikromechanischen Bauelemente sind, desto weniger sichtbar und spürbar werden sie für den Benutzer sein.
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Ultradünne mikromechanische Bauelemente lassen sich ferner einfach in oder auf flexiblen Leiterplatten integrieren und eignen sich dadurch allgemein für zahlreiche neue Einbaulagen und Anwendungsfelder.
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Sofern Auswertemittel, z. B. kapazitive Elektrodenflächen oder Piezo-Widerstände, in dem MEMS-Bauelement 1 angeordnet bzw. aufgehängt sind, liegt das Verhältnis der MEMS-Waferdicke d2 zur ASIC-Waferdicke d1 bevorzugt im Bereich 1:1 bis 4:1, besonders bevorzugt im Bereich 1,5:1 bis 2,5:1. Die im Vergleich zum ASIC-Bauelement 1 etwas größere Dicke des MEMS-Bauelements 2 führt zu verbesserter Performance, da das MEMS-Bauelement 1 trotz der geringeren Gesamtstapeldicke noch vergleichsweise biegesteif ist.
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Im umgekehrten Fall, sofern die Auswertemittel auf dem ASIC-Bauelement 1 angeordnet bzw. aufgehängt sind, liegt das Verhältnis der MEMS-Waferdicke d2 zur ASIC-Waferdicke d1 bevorzugt im Bereich 1:4 bis 1:1, bevorzugt im Bereich 1:2,5 bis 1:1,5. Bei einer derartigen Anordnung der Auswertemittel führt die im Vergleich zum MEMS-Bauelement 2 etwas größere Dicke des ASIC-Bauelements 1 zu verbesserter Performance.
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Bevorzugt weisen die elektrischen Kontaktelemente L1 eine Höhe (Dicke) von maximal 100 Mikrometer vor dem Löten bzw. von maximal 70 Mikrometer, besonders bevorzugt von maximal 50 Mikrometer, nach dem Löten auf. Dadurch ergibt sich in Verbindung mit der sehr geringen Stapeldicke eine sehr niedrige Bauhöhe auf der Applikationsleiterplatte.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das mikromechanische Bauelement 100' gemäß 2 unterscheidet sich von dem mikromechanischen Bauelement 100, welches zuvor beschrieben wurde, darin, dass keine Lotkugeln, sondern Lotpads P1 als elektrische Kontaktelemente auf der Umverdrahtungseinrichtung RR1 ausgebildet werden. Dies geschieht vorzugsweise über ein galvanisches Abscheideverfahren. Mittels dieses galvanischen Abscheideverfahrens lassen sich einfach besonders geringe Überstände nach dem Löten auf die Leiterplatte realisieren.
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3a),b) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 3a) eine horizontale Querschnittsdarstellung durch den Bondrahmen zeigt und wobei 3b) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A' von 3a) zeigt.
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Beim mikromechanischen Bauelement 100a gemäß der dritten Ausführungsform gemäß 3a),b) ist die Kaverne K der ersten Ausführungsform in eine erste Teilkaverne K1 und eine zweite Teilkaverne K2 aufgeteilt.
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Innerhalb des umlaufenden Bondrahmens B ist ein weiterer Bondbereich BST vorgesehen, welcher das ASIC-Bauelement 1 und das MEMS-Bauelement 2 miteinander verbindet. Der weitere Bondbereich BST ist mit einem mechanischen Stützsteg 21 verbunden, welcher die erste Teilkaverne K1 und die zweite Teilkaverne K2 hermetisch voneinander abdichtet.
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In der ersten Teilkaverne K1 ist ein erstes mikromechanisches Funktionselement F2a, und in der zweiten Teilkaverne K2 ist ein zweites mikromechanisches Funktionselement F2b vorgesehen. Die Aufhängungen des ersten mikromechanischen Bauelements F2a sind mit Bezugszeichen A2a und A2a' bezeichnet. Die Aufhängungen des zweiten mikromechanischen Bauelements F2b sind mit Bezugszeichen A2b und A2b' bezeichnet.
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Das erste mikromechanische Bauelement F2a und das zweite mikromechanische Bauelement F2b bilden einen zweiachsigen Beschleunigungssensor in Form von zwei unabhängigen Feder-Massesystemen, wobei das erste mikromechanische Bauelement F2a in eine erste Richtung und das zweite mikromechanische Bauelement F2b in eine zweite Richtung auslenkbar ist, welche zur ersten Richtung orthogonal verläuft.
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Der mechanische Stützsteg 21, welcher bei dem vorliegenden Beispiel aus dem mikromechanischen Funktionsschichtbereich SF2 gebildet ist, dient zur zusätzlichen Stabilisierung, sodass die Gesamtsteifigkeit des Stapels signifikant erhöht ist. Hingegen dient der äußere umlaufende Bondrahmen B der hermetischen Abdichtung des mikromechanischen Bauelements 100a. Beim Auftreten von mechanischen Spannungen werden die mikromechanischen Funktionselemente F2a, F2b also kleinere Signalfehler, z. B. Offsets und Empfindlichkeitsfehler bei einem Beschleunigungssensor, aufweisen als ohne den Stabilisierungssteg.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das mikromechanische Bauelement 100b gemäß der vierten Ausführungsform, welche in 4 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem mikromechanischen Bauelement 100a gemäß der dritten Ausführungsform dadurch, dass der weitere Bondbereich BST' und der (nicht dargestellte) mechanische Stützsteg die Kaverne K' nicht in zwei Teilkavernen K1, K2 trennt, sondern die Kaverne K' eine gemeinsame Kaverne für das erste mikromechanische Bauelement F2a und das zweite mikromechanische Bauelement F2b mit homogenem Gasdruck ist. Ansonsten ist die vierte Ausführungsform analog zur dritten Ausführungsform aufgebaut.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das mikromechanische Bauelement 100c gemäß der fünften Ausführungsform weist ein einzelnes mikromechanisches Funktionselement F2" auf, welches an zwei Aufhängungen A2a'', A2b'' aufgehängt ist. In der Kaverne K'' gibt es mechanische Stützpfeiler (nicht dargestellt), welche über weitere Bondbereiche BST'' eine Verbindung zwischen MEMS-Bauelement 2 und ASIC-Bauelement 1 ausbilden und welche durch das mikromechanische Funktionselement (F'') hinduch geführt sind.
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Auch durch eine derartige Anordnung von säulenförmigen Stützpfeilern lässt sich die Stabilität des Stapels erhöhen.
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6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß 6 weist ein erstes mikromechanisches Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c auf, wie es in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde.
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Weiterhin weist die Anordnung ein gestapeltes zweites mikromechanisches Bauelement 200 auf, welches wesentlich größere Dimensionen als das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c aufweist. Das zweite mikromechanische Bauelement 200 ist analog zum ersten mikromechanischen Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c aufgebaut, beispielsweise als Stapel von einem ASIC-Bauelement 201 und einem MEMS-Bauelelent 202, welche über einen Bondrahmen BO verbunden sind.
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Dabei ist das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c über Lotverbindungen B201, B201' auf einer Umverdrahtungseinrichtung R201 zwischen elektrischen Kontaktelementen L20, L20' des zweiten mikromechanischen Bauelements 200 angebracht, wobei die elektrischen Kontaktelemente L20, L20' zur externen Anbindung der Umverdrahtungseinrichtung R201 und damit des zweiten mikromechanischen Bauelements 200 ausgestaltet sind.
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Da die elektrischen Kontaktelemente L20, L20' eine größere Höhe aufweisen als das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c, ist es möglich, eine derartige Anordnung mittels der elektrischen Kontaktelemente L20, L20' auf einer Leiterplatte anzubringen, ohne dass das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c auf der Leiterplatte aufsitzt. Typische Überstände von derartigen elektrischen Kontaktelementen L20, L20', z. B. in Form von Lotkugeln, liegen nach dem Auflöten in der Größenordnung von 100 bis 200 Mikrometern.
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Eine derartige Anordnung könnte bildlich auch als Känguru-Anordnung mikromechanischer Bauelemente bezeichnet werden.
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7 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der siebenten Ausführungsform gemäß 7 ist das zweite mikromechanische Bauelement 200a ähnlich wie bei der sechsten Ausführungsform wesentlich größer als das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c.
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Bei dieser Ausführungsform hat das zweite mikromechanische Bauelement 200a die Ausgestaltung eines ASIC-Bauelements mit ASIC-Substrat 201a und einer vorderseitig angebrachten Leiterbahneinrichtung R201a. Beispielsweise könnte es sich um einen Mikrocontroller, Prozessor, monolithisch integrierten Sensor o.Ä. handeln. Wie bei der sechsten Ausführungsform ist auch hier eine Känguru-Anordnung realisiert, wobei das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c über Lotverbindungen B201a, B201a' auf der Vorderseite des zweiten mikromechanischen Bauelements 200a angeordnet ist.
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Der so gebildete Stapel läßt sich über die Kontaktelemente L20a, L20a'des zweiten mikromechanischen Bauelements 200a, welche auf der Leiterbahneinrichtung R201a vorgesehen sind, in Flip-Chip-Technik auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte anbringen.
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8 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung mikromechanischer Bauelemente gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der achten Ausführungsform ist ebenfalls eine Känguru-Anordnung realisiert, wobei das zweite mikromechanische Bauelement 200b mehrere Halbleiterchips C1, C2 enthält, welche über eine Kleberverbindung KL auf einem Trägersubstrat SM mit einer Umverdrahtungseinrichtung UV angeordnet sind. Bondverbindungen BO realisieren eine Verbindung zwischen Bondpads BP der Halbleiterchips C1, C2 untereinander bzw. mit dem Trägersubstrat SM. Die Halbleiterchips C1, C2 und die Schaltungskomponenten sind in einer Moldmasse M verpackt.
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Das erste mikromechanische Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c ist an der Unterseite über elektrische Kontaktelemente B100, B100' zwischen den elektrischen Kontaktelementen L20b, L20b' des zweiten mikromechanischen Bauelements in Känguru-Anordnung aufgehängt.
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Bei dieser Ausführungsform gibt es im Unterschied zwischen der sechsten und siebenten Ausführungsform keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem ersten mechanischen Bauelement 100, 100', 100a, 100b, 100c und den Chips C1, C2 des BGA-Moldpackages.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Insbesondere sind die angegebenen Materialien und Strukturen nur beispielhaft und nicht einschränkend angegeben.
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Obwohl es sich bei dem beschriebenen mikromechanischen Bauelement sich bevorzugt um einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor, einen Drucksensor oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Sensortypen, bevorzugt mit kapazitivem Auswerteprinzip, handelt, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell für beliebige MEMS-Bauelemente anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7250353 B2 [0003]
- US 7442570 B2 [0003]
- US 20100109102 A1 [0003]
- US 20110049652 A1 [0003]
- US 20110012247 A1 [0003]
- US 20120049299 A1 [0003]
- DE 102007048604 A1 [0003]
- DE 102013222616 A1 [0005]
- DE 102011080978 A1 [0010]
- DE 102009045391 A1 [0010]
- DE 102009000167 A1 [0010]
- US 2015077658 A1 [0048]
