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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Waferstapel mit einem MEMS-Wafer und einem Kappenwafer, mit wenigstens einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne, welche zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer nebeneinander benachbart angeordnet sind, wobei die erste Kaverne von einem ersten Bondrahmen und die zweite Kaverne von einem zweiten Bondrahmen umgeben ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne eine Sägestraße angeordnet ist.
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MEMS Sensoren werden für eine Vielzahl von Messsignalen verwendet. Beispiele sind u.a. Druck, Drehrate, Beschleunigung. Ein wichtiger Aspekt ist der Schutz des empfindlichen Sensorelements vor Umwelteinflüssen, z.B. Partikel, Feuchte. Deshalb wird das MEMS Sensorelement mit einer Kappe geschützt. Diese Kappe wird in einem Waferprozess mit dem Sensorwafer verbunden. Dies geschieht durch einen Bondprozess, beispielsweise einen eutektischen Bondprozess mit Aluminium und Germanium. In der weiteren Verarbeitung müssen die einzelnen Chips aus dem Wafer vereinzelt werden. Hierfür kann z.B. ein Sägeprozess verwendet werden. Zwischen den zukünftigen Chips sind dazu sogenannte Sägestraßen, oder Ritzgräben (engl. scribe lines) angelegt, in denen entlang gesägt wird. Beim Sägeprozess dürfen die empfindlichen Sensorelemente nicht beschädigt werden. Auch darf die Verbindung zu der vor Umwelteinflüssen schützenden Kappe nicht beschädigt werden. Insbesondere bei einem Sägeprozess ist es vorteilhaft, wenn in den Bereichen zwischen den einzelnen Chips die die Sägestraße enthalten, keine Hohlräume vorhanden sind. Hohlräume in der Sägestraße können zu Randausbrüchen (engl. chipping) an der Vordeseite und auch der Rückseite des Chips führen. Sind diese Ausbrüche zu groß, dann ist nicht nur ein optischer Makel vorhanden, sondern die Verbindung des Sensorelements zur Kappe oder sogar das Sensorelement an sich kann beschädigt sein. In beiden Fällen führt dies zu einer Fehlfunktion des Sensorelements. Andererseits ist es notwendig, das Sensorelement vor flüssigem Eutektikum während des Bondvorgangs zu schützen. Dies erfordert Reservoire, in denen das Eutektikum aufgefangen wird. Diese benötigen Reservoire erfordern Chipfläche und gehen damit direkt in die Herstellkosten ein.
Die vorliegende Erfindung setzt an dieser Stelle an und zeigt eine Möglichkeit auf, die Sägestraße durch geeignete Bondstrukturen für den Sägeprozess zu stabilisieren und gleichzeitig ein Reservoir für flüssiges Eutektikum bereit zu stellen. Damit kann die benötigte Chipfläche verringert werden und somit die Herstellkosten für den MEMS Sensor gesenkt werden.
Die Druckschrift
DE 4239132 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Drucksensoren bei dem ein MEMS Wafer aus Silizium auf einen Sockelwafer aus Glas anodisch gebondet wird und zum Vereinzeln der Chips durch den Bondrahmen gesägt wird. Die Druckschrift
DE 19700734 A1 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensoren, bei dem ein Kappenwafer auf einen MEMS-Wafer mittels Sealglas gebondet wird. Die Sägestraße zum Vereinzeln der Chips verläuft durch den gemeinsamen Bondrahmen zwischen zwei benachbarten Kavernen.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Vereinzeln mikromechanischer Chips zu entwickeln, bei dem Randausbrüche (chipping) vermindert werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Waferstapel mit einem MEMS-Wafer und einem Kappenwafer, mit wenigstens einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne, welche zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer nebeneinander benachbart angeordnet sind, wobei die erste Kaverne von einem ersten Bondrahmen und die zweite Kaverne von einem zweiten Bondrahmen umgeben ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne eine Sägestraße angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass, die Sägestraße in einem Innenbereich zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer strukturiert ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem MEMS-Substrat und einem Kappensubstrat, mit wenigstens einer ersten Kaverne, welche zwischen dem MEMS-Substrat und dem Kappensubstrat angeordnet und von einem Bondrahmen umgeben ist, mit einem Randbereich, der außerhalb der ersten Kaverne, neben dem Bondrahmen, zwischen MEMS-Substrat und Kappensubstrat angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Randbereich strukturiert.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung durch Vereinzeln eines solchen Waferstapels mittels Sägen entlang der Sägestraße, wobei der MEMS-Wafer, der Kappenwafer und der Innenbereich durchtrennt werden.
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Vorteilhaft ist eine Strukturierung der Sägestraße durch geeignete geometrische Strukturen, deren Hohlraum während des Bondprozesses verfüllt wird. Somit wird die Sägestraße durch Eutektikum verfüllt und Randausbrüche (engl. Chipping) bei der Vereinzelung werden minimiert. Gleichzeitig wird die Sägestraße auch genutzt um ein Reservoir für flüssiges Eutektikum zur Verfügung zu stellen. Vorteilhaft kann die Sägestraßen-Breite verkleinert werden, beispielsweise von 80 µm auf 60 µm oder sogar 40 µm. Denn es muss keine Reserve für eventuelles Chipping mehr vorgehalten werden, sondern nur noch die Sägeblatt-Toleranz. Vorteilhaft muss durch eine „gestreifte“ Bondung auch nicht mehr so viel Volumen für verquetschtes Eutektikum eingeplant werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit Kaverne, Bondrahmen und Sägestraße im Stand der Technik.
- 2 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen MEMS-Wafer mit angelegten Kavernen, Bondrahmen und Sägestraßen im Stand der Technik.
- 3 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit entfallener äußerer Schutzzone um den Bondrahmen.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
- Die 7 a und b zeigen schematisch die Wirkung erfindungsgemäßer Strukturen in der Sägestraße.
- 8 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Waferstapel in einem Ausführungsbeispiel.
- 9 zeigt schematisch und ausschnittsweise im Querschnitt einen Waferstapel mit einer erfindungsgemäß strukturierten Sägestraße vor dem Bonden.
- 10 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit Kaverne, Bondrahmen und Sägestraße im Stand der Technik. Dargestellt ist ausschnittsweise ein MEMS-Wafer 10 mit einer ersten Kaverne 30 welche mikromechanische Strukturen enthält und einem ersten Bondrahmen 35, welcher die Kaverne umschließt. Ein Sensorelement in der Kaverne ist zum Schutz vor einfließendem Eutektikum von einer inneren Schutzzone 110 umgeben. Diese ist wiederum umgeben von dem Bondrahmen zur Verbindung mit einer vor Umwelteinflüssen schützenden Kappe, einer äußeren Schutzzone 120 zum Auffangen von flüssigem Eutektikum und einer daran anschließenden Sägestraße 50. Dieser Aufbau setzt sich in den angrenzenden Chips fort. Dies ist in 2 dargestellt.
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2 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen MEMS-Wafer mit angelegten Kavernen, Bondrahmen und Sägestraßen im Stand der Technik. Gezeigt ist der MEMS Wafer 10 mit einer ersten Kaverne 30 und einer zweiten Kaverne 40, welche zwischen dem nebeneinander benachbart angeordnet sind, wobei die erste Kaverne von einem ersten Bondrahmen 35 und die zweite Kaverne von einem zweiten Bondrahmen 45 umgeben ist, und zwischen den beiden Kavernen eine Sägestraße 50 angeordnet ist.
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3 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit entfallener äußerer Schutzzone um den Bondrahmen. Augenscheinlich fällt in den 1 und 2 der nötige Platzbedarf für die äußere Schutzzone 120 auf. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Entfall oder wenigstens einer deutlichen Verkleinerung der äußeren Schutzzone und der Kombination des Auffangbereichs für flüssiges Eutektikum in der Sägestraße. Man kann die Sägestraßenbreite reduzieren. Gleichzeitig wird das Chipping beim Vereinzeln durch die „Stabilisierung“ verringert. Durch eine Reduzierung der Sägestraßenbreite können auf einem Wafer mehr Chips untergebracht werden, was zu einer Kostenreduktion der Produktionskosten pro Chip führt. Schematisch ist dies in 3 dargestellt. Die gezeigte Vorrichtung weist eine mikromechanische Struktur der Kaverne 30 auf. Sie ist von der inneren Schutzzone 110 und dem Bondrahmen 35 umgeben. Außerhalb des Bondrahmens schließt sich unmittelbar die Sägestraße 50 an.
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Da die Sägestraße jedoch eine typische Größe zwischen 40 µm und 80 µm Breite besitzt, besteht die Gefahr, dass zu viel Eutektikum aus dem Bereich des Bondrahmens in die Sägestraße ausfließt und somit die Verbindung des MEMS Substrats zu der Kappe mangelhaft ist. Im Vergleich dazu beträgt die Breite der äußeren Schutzzone 120 typisch zwischen 5 µm und 25 µm. Aus diesem Grund ist es notwendig spezielle Strukturen in der Sägestraße anzufertigen, die dieses Manko aufheben. Ziel ist es hierbei, die Sägestraße mit Eutektikum zu verfüllen, ohne jedoch zu viel Eutektikum aus dem Bondrahmenbereich ausfließen zu lassen. Dies wird erreicht durch ein optimales Verhältnis von Bondstrukturen in der Sägestraße zu unstrukturierten Flächen der Sägestraße. Dieses Verhältnis stellt das Auffangvolumen für flüssiges Eutektikum dar. Die Optimierung der Sägestraße erfordert die Kenntnis der Bondrahmengeometrie und der Schichtdicken der beteiligten Komponenten des Bondprozesses, da dadurch das Volumen des flüssigen Eutektikums und das benötigte Auffangvolumen berechnet werden kann. Der weitere Vorteil der verfüllten Sägestraße besteht in der Möglichkeit bei der Vereinzelung mittels Säge das Chipping zu minimieren. Einige Beispiele für die erfindungsgemäße Strukturierung der Sägestraße sind in den 4 - 6 dargestellt. In 7 ist die Wirkungsweise gegen Randausbrüche (Chipping) illustriert.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist in teildurchlässiger Draufsicht eine mikromechanische Vorrichtung als Ausschnitt aus einem Waferstapel mit einem MEMS-Substrat 10 bedeckt von einem Kappensubstrat 20, mit einer ersten Kaverne 30, welche zwischen dem MEMS-Substrat und dem Kappensubstrat angeordnet und von einem Bondrahmen 35 umgeben ist. Innerhalb des Bondrahmens ist eine innere Schutzzone 110 angeordnet. Außerhalb der Kaverne, neben dem Bondrahmen, zwischen MEMS-Substrat und Kappensubstrat ist ein Randbereich 100 angeordnet, welcher strukturiert ist. Der Randbereich ist der verbliebene Teil der Sägestraße 50 nach dem Durchsägen des Waferstapels. Der Randbereich ist strukturiert indem darin Querstreben 60 angeordnet sind, welche vom Bondrahmen 35 ausgehend senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 55 des Bondrahmens angeordnet sind. Die Haupterstreckungsrichtung des Bondrahmens ist parallel zur vormaligen Sägestraße. Die Stege oder Querstreben 60 sind sowohl auf dem MEMS-Wafer aus einem ersten Bondmaterial, beispielsweise Aluminium, als auch auf dem Kappenwafer aus einem zweiten Bondmaterial, beispielsweise Germanium vorhanden und reagieren bei dem eutektischen Bondprozess ebenfalls zu einem Eutektikum. Alternativ kann auch auf dem Sensorwafer Germanium (Ge) und auf dem Kappenwafer Aluminium (AI) verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Bondmaterialien gleich strukturiert, d.h. die lateralen Abmessungen sind identisch. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Insbesondere durch einen Bondversatz bei der Justage von Sensorwafer zu Kappenwafer können aufgrund der Justagetoleranzen nur teilweise Überlappungen der einzelnen Bondmaterialien entstehen. Dies kann insofern vermieden werden, wenn die lateralen Abmessungen der einzelnen Bondkomponenten unterschiedlich strukturiert sind, z.B. indem das erste Bondmaterial auf dem Sensorwafer größer als das zweite Bondmaterial auf dem Kappenwafer ausgelegt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Bondmaterial auf dem Sensorwafer schmaler als das zweite Bondmaterial auf dem Kappenwafer. Bei geeigneter Ausführung kann somit immer eine vollständige Überlappung des ersten und zweiten Bondmaterials gewährleistet werden.
5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel aus 4 sind hier in der Sägestraße 50 beziehungsweise im Randbereich 100 Längsstreben 70 angeordnet, welche vom Bondrahmen 35 beabstandet sind und parallel zur Haupterstreckungsrichtung 55 des Bondrahmens verlaufen. Eine weitere Ausführungsform ist die Verwendung von einer oder mehrere Streben parallel zur Längs-Ausrichtung der Sägestraße, also Längsstreben 70.
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6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel aus 4 sind hier in der Sägestraße beziehungsweise im Randbereich 100 isolierte Strukturen 80 angeordnet. Als isolierte Strukturen können beispielsweise solche mit einer Grundfläche in Form von Rechtecken, Dreiecken, Kreisen, Vielecken oder ähnliche Geometrien verwendet werden.
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Weiterhin ist auch eine Kombination der oben genannten Geometrien möglich. Die vorstehenden Darstellungen, die sich jeweils auf eine vereinzelte mikromechanische Vorrichtung beziehen lassen sich auch auf einen ganzen Waferstapel mit einem MEMS-Wafer und einem Kappenwafer übertragen.
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Bei allen oben genannten Lösungen werden die Hohlräume in der Sägestraße, die durch die Strukturen in der Sägestraße vor dem Bondprozess vorhanden sind, durch die flüssige Phase des Eutektikums während dem Bondprozess weitgehend verfüllt. Für die Verfüllung stehen sowohl das Volumen aus den Strukturen in der Sägestraße als auch das Volumen des Eutektikums aus dem Bondrahmen das durch die Sägestraße aufgefangen wird zur Verfügung.
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Die 7 a und b zeigen schematisch die Wirkung erfindungsgemäßer Strukturen in der Sägestraße.
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7 a zeigt ausschnittsweise eine mikromechanische Vorrichtung im Stand der Technik. Dargestellt ist ein MEMS-Substrat 10 und ein Kappensubstrat 20 welche mittels eines ersten Bondrahmens 35 miteinander verbunden sind. Neben dem Bondrahmen, zwischen dem MEMS Substrat und dem Kappensubstrat ist ein ungefüllter Randbereich 100. Vor dem Vereinzeln der Vorrichtung verläuft hier die Sägestraße. Beim Durchsägen kommt es zu einem Randausbruch 200.
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7 b zeigt ausschnittsweise eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung. Vom Bondrahmen 35 gehen Querstreben 60 aus, welche beim Vereinzeln durchgesägt werden. Der Randbereich 100 ist mittels der Querstreben strukturiert. Das MEMS-Substrat 10 und das Kappensubstrat 20 werden von den Stegen fixiert, weshalb es beim Sägen nicht zu Randausbrüchen kommt.
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8 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Waferstapel in einem Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist in teildurchlässiger Draufsicht ein Waferstapel mit einem MEMS-Wafer 10 und einem darüber angeordneten Kappenwafer 20, mit wenigstens einer ersten Kaverne 30 und einer zweiten Kaverne 40, welche zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer nebeneinander benachbart angeordnet sind, wobei die erste Kaverne von einem ersten Bondrahmen 35 und die zweite Kaverne von einem zweiten Bondrahmen 45 umgeben ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne eine Sägestraße 50 angeordnet ist. Die Sägestraße ist in einem Innenbereich zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer strukturiert. In 8 ist die Linienstruktur im Unterschied zu 5 direkt mit dem Bondrahmen verbunden. Der Unterschied in 8 zu 5 ist, dass auf eine Verfüllung der Sägestraße in Bereichen der Sägestraße durch Eutektikum verzichtet werden kann, wenn das Sägeblatt links und rechts in Eutektikum sägt. Dies bewirkt, dass Chipping vermieden wird, da die Ränder des Sägeblatts nicht durch einen Hohlraum sägen. Chipping entsteht bevorzugt, wenn die Ränder des Sägeblatts sowohl durch einen Hohlraum und dann wieder durch Volumenmaterial sägen. Man kann sich vergegenwärtigen, dass in diesem Fall eine „freischwebende Membran“ entstehen würde, die gesägt wird, was leicht zu Chipping in der „Membran“ führen kann (u.a. durch Schwingungen, Verformungen). Auf dem Wafer ergeben sich dadurch in der Mitte der Sägestraße Bereiche 52, die nicht eutektisch gebondet werden. Diese müssen auch nicht unbedingt durch Eutektikum verfüllt werden, wenn die Breite B1 des verbliebenen Hohlraums 52 schmaler als die Breite B2 des Sägeblatts S ist. In diesem Fall sägt der Rand des Sägeblatts nicht durch einen Hohlraum und Randausbrüche werden somit unterbunden.
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Eine weitere Möglichkeit, einen strukturierten Innenbereich zu schaffen, ist die Erzeugung von Topographie in der Sägestraße. Dies kann erfolgen, indem die erste Bondkomponente, beispielsweise AI und die zweite Bondkomponente, beispielsweise Ge unterschiedlich strukturiert werden. Die Dicke der Schicht der strukturierten Bondkomponente erzeugt dadurch ein Volumen, dass zum Auffangen von Eutektikum genutzt werden kann. Weiterhin ist ein Erzeugen von Auffangvolumen möglich durch Strukturierung von Schichten unterhalb der Bondkomponenten (AI oder Ge). Dadurch wird, unabhängig ob die beiden Bondkomponenten unterschiedlich strukturiert sind, ebenfalls ein Auffangvolumen für einfließendes Eutektikum erzeugt.
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9 zeigt schematisch und ausschnittsweise im Querschnitt einen Waferstapel mit einer erfindungsgemäß strukturierten Sägestraße vor dem Bonden. Die Figur zeigt einen MEMS-Wafer 10 und darüber einem Kappenwafer 20 sowie eine erste angelegte Kaverne 30 und eine zweite angelegte Kaverne 40. Die erste Kaverne weist in einem Randbereich eine innere Schutzzone 110 und daneben einen ersten Bondrahmen 35 auf. Die zweite Kaverne weist in einem Randbereich ebenfalls eine innere Schutzzone 110 und daneben einen zweiten Bondrahmen 45 auf. Die Bondrahmen werden durch eine erste Bondkomponente 210 und eine zweite Bondkomponente 220 gebildet, welche zum Eutektischen Bonden bestimmt sind. Zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne, genauer zwischen dem ersten Bondrahmen und dem zweiten Bondrahmen ist eine Sägestraße 50 angeordnet. Die Sägestraße ist in einem Innenbereich 90 zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer strukturiert, indem dort unterschiedlich strukturierte erste und zweite Bondkomponenten in Kombination mit strukturierten Schichten 230 unterhalb der Bondkomponenten angeordnet sind. Hierdurch wird im Innenbereich zusätzliches Volumen 92 geschaffen
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Bei dem MEMS-Wafer kann es sich insbesondere um einen Sensorwafer handeln. Die Kappe des Sensorelements kann eine Si-Kappe sein. Es kann jedoch auch ein integrierter Schaltkreis (ASIC) sein.
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10 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
- A: Bereitstellen eines Waferstapels mit einem MEMS-Wafer und einem Kappenwafer, mit wenigstens einer ersten Kaverne und einer zweiten Kaverne, welche zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer nebeneinander benachbart angeordnet sind, wobei die erste Kaverne von einem ersten Bondrahmen und die zweite Kaverne von einem zweiten Bondrahmen umgeben ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne eine Sägestraße angeordnet ist, wobei die Sägestraße in einem Bereich zwischen dem MEMS-Wafer und dem Kappenwafer strukturiert ist.
- B: Vereinzeln des Waferstapels zu mikromechanischen Vorrichtungen mittels Sägen entlang der Sägestraße, wobei der MEMS-Wafer, der Kappenwafer und der Innenbereich durchtrennt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- MEMS-Wafer, MEMS Substrat
- 20
- Kappenwafer, Kappensubstrat
- 30
- erste Kaverne
- 35
- erster Bondrahmen
- 40
- zweite Kaverne
- 45
- zweiter Bondrahmen
- 50
- Sägestraße
- 52
- nicht gebondeter Bereich
- 55
- Haupterstreckungsrichtung
- 60
- Querstreben
- 70
- Längsstreben
- 80
- isolierte Strukturen
- 90
- Innenbereich
- 92
- zusätzliches Volumen im Innenbereich
- 100
- Randbereich
- 110
- innere Schutzzone
- 120
- äußere Schutzzone
- 200
- Randausbruch
- 210
- erste Bondkomponente
- 220
- zweite Bondkomponente
- 230
- strukturierte Schicht
- S
- Sägeblatt
- B1
- Breite des unverfüllten Hohlraums in der Sägestraße
- B2
- Breite des Sägeblatts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4239132 A1 [0002]
- DE 19700734 A1 [0002]
