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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem MEMS Substrat und einem Kappensubstrat, welche wenigstens eine erste Kaverne umgeben, mit wenigstens einem Kontaktpad, welches außerhalb der ersten Kaverne angeordnet ist, wobei eine MEMS Struktur in der ersten Kaverne angeordnet und mittels einer Leiterbahn mit dem Kontaktpad verbunden ist, wobei die Leiterbahn wenigstens teilweise in dem MEMS Substrat verläuft.
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Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie MEMS Sensoren müssen vor der Umwelt geschützt werden um einwandfrei zu funktionieren. Dies umfasst Umwelteinflüsse von Druck, Feuchte, Partikel etc.
Erreicht wird dies, indem das MEMS Bauelement mit einer Kappe verschlossen wird. Während dem Herstellungsprozess wird hierzu ein MEMS Wafer mit einem Kappen Wafer gebondet, dies kann z.B. eutektisches Bonden mittels Al/Ge sein. Um die Funktion des MEMS Bauelements sicherzustellen und keine fehlerhaften Teile weiter zu verarbeiten und an den Kunden auszuliefern, wird das MEMS Bauelement elektrisch vermessen. Dies erfordert sowohl geeignete Messpads als auch den Zugang zu diesen Messpads. Realisiert wird dies, indem außerhalb des geschützten Bereichs des MEMS Bauelements eine Öffnung hergestellt wird, die einen Zugang zu Messpads auf dem MEMS Substrat ermöglicht.
Wird ein ASIC auf Waferlevel mit einem MEMS gebondet, ist der bisherige Ansatz jedoch nicht mehr möglich. In diesem Fall bildet der ASIC die Kappe und das MEMS-Signal wird auf die Kappe geleitet, durch den ASIC verarbeitet und das ASIC-Signal wird auf die Kappenrückseite geführt. Ein direkter Zugang zu den MEMS-Signalen ist nicht mehr möglich. Eine Charakterisierung der MEMS-Signale ist nur indirekt über die jeweilige ASIC-Schaltung möglich. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass erst nach einem Waferbondverfahren schlechte MEMS-Bauteile identifiziert werden können, das heißt MEMS-Wafer mit geringer Ausbeute werden durch einen teuren ASIC-Kappenwafer, das Bondverfahren und alle weiteren Prozessschritt veredelt, bevor eine Entscheidung darüber gefällt werden kann, ob dies wirtschaftlich ist. Weiter muss der ASIC Zusatzschaltungen aufweisen, um anhand der MEMS-Signale zu prüfen, ob jedes einzelne MEMS-Element voll funktional ist. Dies bedingt Zusatzfunktionen die in jedem ASIC vorgehalten werden müssen. Weiter müssen durch diese Zusatzfunktionen des ASICs auch die MEMS-Signale abgeprüft werden. Dies kann nicht so effizient ausgeführt werden, wie ein MEMS-Signaltest auf Waferlevel über Pads. Bei einem derartigen Waferleveltest wird eine sehr teure und aufwendige Auswerte-Elektronik verwendet, die speziell nur für diesen Zweck entwickelt wird und mit der jeder MEMS-Chip entwickelt wird. Durch die dauerhafte Nutzung dieser Elektronik spielen die Kosten für die Auswerte-Elektronik eine untergeordnete Rolle. Bei einem Test eines MEMS-Chips über eine Auswerteschaltung in einem zugeordneten ASIC, die nur einmalig genutzt wird, spielen die Kosten der Auswerteschaltung jedoch eine wichtige Rolle. Insbesondere können komplexe Prüfaufgaben, wie sie beispielsweise für Automotivanwendungen notwendig sind, nicht in einer einfachen ASIC-Schaltung realisiert werden. Weiter muss die ASIC-Schaltung weit im Vorfeld entwickelt werden. Werden während der Entwicklungsphase oder der Serienphase neue Tests für die MEMS-Signale notwendig, so kann darauf nicht reagiert werden. Somit ist eine neuartige Realisierung sowohl des Zugangs als auch der Anordnung der Messpads notwendig, die in der folgenden Beschreibung der Erfindungsmeldung dargestellt wird.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem MEMS Substrat und einem Kappensubstrat, welches wenigstens von einer ersten Kaverne umgeben, mit wenigstens einem Kontaktpad, welches außerhalb der ersten Kaverne angeordnet ist, wobei eine MEMS Struktur in der ersten Kaverne angeordnet und mittels einer Leiterbahn mit dem Kontaktpad verbunden ist, wobei die Leiterbahn wenigstens teilweise in dem MEMS Substrat verläuft. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Kontaktpad an einer Oberfläche des Kappensubstrats angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kontaktpad in einer zweiten Kaverne angeordnet ist, welche vom MEMS Substrat und vom Kappensubstrat gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn die zweite Kaverne einen Padzugang durch das MEMS Substrat nach außen aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leiterbahn eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem MEMS Substrat und dem Kappensubstrat aufweist.
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Vorteilhaft ist auch, dass das Kappensubstrat eine integrierte elektronische Schaltung, insbesondere ein ASIC aufweist.
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Die Erfindung erlaubt es, MEMS Strukturen allgemein, insbesondere auch Sensorstrukturen elektrisch zu charakterisieren, wobei auf dem MEMS Substrat keine Messpads vorhanden sind. Die Lösung besteht in einer Kontaktierung von Messpads auf einem zweiten Substrat, welches mittels einem Bondverfahren mit dem ersten Substrat verbunden ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, insbesondere einen Waferstapel oder einen Teil eines Waferstapels, mit einem MEMS Substrat und einem Kappensubstrat, welche eine Mehrzahl erster Kavernen umgeben, mit wenigstens einem Kontaktpad, welches in der zweiten Kaverne angeordnet ist, wobei MEMS Strukturen jeweils in den ersten Kavernen angeordnet sind, wobei eine MEMS Struktur in einer ersten Kaverne, ausgewählt aus der Mehrzahl erster Kavernen, mittels einer Leiterbahn mit dem Kontaktpad in der zweiten Kaverne verbunden ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, insbesondere einen Waferstapel oder einen Teil eines Waferstapels, mit einem MEMS Substrat und einem Kappensubstrat, welche eine Mehrzahl erster Kavernen umgeben, mit einer Mehrzahl von Kontaktpads, welche in der zweiten Kaverne angeordnet sind, wobei MEMS Strukturen in den ersten Kavernen angeordnet und mittels Leiterbahnen mit den Kontaktpads in der zweiten Kaverne verbunden sind.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit Kontaktpads im Stand der Technik.
- 2 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit offenliegenden Kontaktpads im Stand der Technik.
- Die 3 a und b zeigen schematisch den Schichtaufbau einer Kappe aus Silizium und einer ASIC-Kappe in Schnittdarstellung.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Kontaktpads in einem Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit offenliegenden Kontaktpads gemäß dem Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt schematisch einen Waferstapel mit einer Anordnung mikromechanischer Vorrichtungen mit Kontaktpads im Stand der Technik.
- 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit einem Chip mit Kontaktpads.
- 8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit mehreren Chips mit Kontaktpads.
- 9 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit Kontaktpads in der Sägestraße.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit Kontaktpads im Stand der Technik. Die Schnittdarstellung zeigt ein MEMS Substrat 10 und ein Kappensubstrat 20, welche an Bondrahmen 80 mittels Bondverbindung 90 miteinander verbunden sind. Die beiden Substrate schließen eine erste Kaverne 60 und eine zweite Kaverne 70 ein. In der ersten Kaverne ist an einer inneren Oberfläche des MEMS Substrats eine MEMS Struktur 30 angeordnet. In der zweiten Kaverne sind an der inneren Oberfläche des MEMS Substrats Kontaktpads 40, sogenannte Messpads angeordnet. Die Kontaktpads sind mittels elektrischer Leiterbahnen 50, welche in oder auf dem MEMS Substrat verlaufen mit Teilen der MEMS Struktur verbunden. Die Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung erfolgt üblicherweise auf Waferlevel durch Bonden eines Kappenwafers auf einen MEMS Wafer.
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2 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit offenliegenden Kontaktpads im Stand der Technik. Nach dem Waferbonden wird beispielsweise durch Trench-Ätzen ein Padzugang 75 im Kappensubstrat geöffnet. Dadurch werden die Kontaktpads 40 zugänglich gemacht und können als Messpads benutzt werden. Die Messpads können mit Messnadeln 100 elektrisch kontaktiert werden, um die MEMS Struktur 30 zu prüfen.
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Außerdem werden die Kontaktpads in einem späteren Verpackungsprozess als Bondpads genutzt, um mit Hilfe von Drahtbonds die MEMS Struktur elektrisch mit einer Auswerteschaltung, beispielsweise einem ASIC zu verbinden.
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Der vorstehend beschriebene Aufbau der mikromechanischen Vorrichtung im Stand der Technik ist jedoch unmöglich oder unverhältnismäßig aufwändig zu realisieren, wenn das Kappensubstrat eine integrierte Schaltung (IC, ASIC) aufweist. In dem Fall wären keine Kontaktpads aus Metall (z.B. AI) auf dem MEMS Substrat herstellbar, oder sie würden einen unverhältnismäßig hohen Zusatzaufwand benötigen.
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Weiterhin ist es bei Verwendung eines ASICs als Kappensubstrat nicht möglich bzw. erfordert einen sehr hohen Aufwand, einen Zugang zur Messkaverne durch den ASIC zu realisieren. Dies liegt an dem komplexen Schichtstapel, der geöffnet werden müsste und aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Schichten besteht (Si Substrat, unterschiedliche Dielektrika wie Si02, SiN, SiON ..., Metallschichten). Die einzelnen Schichten können zudem selbst Strukturen aufweisen. Im Stand der Technik hingegen wird als Kappensubstrat meist ein Siliziumsubstrat verwendet, dass durch einen Trench einfach zu öffnen ist, da es nur aus einem Material (Si) besteht.
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Die 3 a und b zeigen dazu schematisch den Schichtaufbau einer Kappe aus Silizium und einer ASIC-Kappe in Schnittdarstellung. 3a zeigt eine Kappe aus Silizium. Ein Zugang 75 kann durch anisotropes Ätzen in dem homogenen Kappenmaterial leicht angelegt werden. 3b zeigt eine Kappe bestehend aus einem ASIC mit mehreren Schichten aus verschiedenen Materialien. Ein Zugang 75 verliefe senkrecht zu diesen unterschiedlichen Schichten durch sie hindurch und wäre daher mit einem einzelnen Ätzverfahren nicht einfach herzustellen.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Kontaktpads in einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Stand der Technik, wie er unter 1 beschrieben ist, sind die Kontaktpads 40 in der zweiten Kaverne 70 an der inneren Oberfläche des Kappensubstrat 20 angeordnet. Dies erfordert eine elektrische Verbindung zwischen dem Kappensubstrat und dem MEMS Substrat. Die Leiterbahnen 50 weisen dazu eine elektrisch leitende Verbindung 55 auf. Eine Realisierungsmöglichkeit besteht darin, durch eine eutektische AI / Ge Verbindung die Substrate miteinander an geeigneten Stellen elektrisch zu verbinden. Diese Verbindung kann entweder innerhalb der ersten oder der zweiten Kaverne angeordnet sein.
In einer besonders platzsparenden Anordnung kann der Kontakt in der zweiten Kaverne angeordnet sein. Bei der Anordnung des Kontakts in der ersten Kaverne kann ein besonders gut geschützter Kontaktbereich erzeugt werden.
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5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit offenliegenden Kontaktpads gemäß dem Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist die mikromechanische Vorrichtung aus 4 nach dem Öffnen des Padzugangs 75 durch das MEMS Substrat 10 hindurch. Das MEMS Substrat kann in dem Bereich des Padzugangs geeignet präpariert werden, indem Schichten die nicht aus Silizium bestehen bereits frühzeitig im Herstellungsprozess an diesen Stellen entfernt werden. Dies erfordert keinen Zusatzaufwand, weil eine Strukturierung dieser Schichten in dem Bereich des Sensorelements ohnehin erfolgen muss. Durch den Padzugang können die Messnadeln 100 zugeführt und die Messpads 40 kontaktiert werden.
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Die Ausführungen bis hierher gehen davon aus, dass sowohl das Sensorelement als auch der Bereich der Messpads auf einem Chip realisiert werden. Dies ist im Stand der Technik der Fall, weil die Messpads später beim Verpackungsprozess als Bondpads führ Drahtbonds dienen.
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Bei der Herstellung der mikromechanischen Vorrichtungen auf Waferlevel ist daher für jede erste Kaverne, welche die MEMS Struktur enthält auch eine angrenzende zweite Kaverne mit den zugehörigen elektrisch verbundenen Kontaktpads vorgesehen. 6 zeigt schematisch einen Waferstapel mit einer Anordnung mikromechanischer Vorrichtungen mit Kontaktpads im Stand der Technik. Die Darstellung ist ausschnittsweise in Durchsicht und zeigt eine Anzahl mikromechanischer Vorrichtungen mit jeweils einer ersten Kaverne 60, welche eine MEMS Struktur 30 enthält, einer zweiten Kaverne 70, welche die Kontaktpads 40 enthält und Leiterbahnen 50, welche die Kontaktpads mit der MEMS Struktur elektrisch leitend verbinden. Um jede Kaverne ist ein Bondrahmen 80 angeordnet. Zwischen den einzelnen mikromechanischen Vorrichtungen, den Chips, sind Sägestraßen 200 vorgesehen.
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Im Unterschied zu MEMS Bauelementen mit separatem ASIC und einfacher Kappe kann ein Aufbau einer mikromechanischen Vorrichtung mit ASIC als Kappe jedoch völlig auf Drahtbonds verzichten. Die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen MEMS Substrat und Kappensubstrat mit ASIC können stattdessen direkt an der Bondnaht hergestellt werden. Damit ist es auch nicht mehr notwendig, dass das Sensorelement und die zugehörigen Messpads auf demselben Chip liegen. Der wesentliche Vorteil ist, dass dadurch die Chipgröße wesentlich reduziert werden kann und somit Produktionskosten gesenkt werden können, da die Messpads auf dem Chip mit dem Sensorelement entfallen kann. Die Verbindung zwischen den Messpads und dem Sensorelement erfolgt über elektrische Leiterbahnen, die über Chipgrenzen hinweg realisiert werden kann.
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7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit einem Chip mit Kontaktpads. Dargestellt ist ausschnittsweise in Durchsicht ein Teil eines Waferstapels mit einem MEMS Substrat und einem Kappensubstrat, welche eine Mehrzahl erster Kavernen 60 umgeben, mit Kontaktpads 40, welche in einer zweiten Kaverne 70 angeordnet sind, wobei MEMS Strukturen 30 jeweils in den ersten Kavernen angeordnet sind. Die MEMS Strukturen einer ausgewählten ersten Kaverne sind mittels Leiterbahnen 50 mit den Kontaktpads in der zweiten Kaverne verbunden. Alle Kavernen sind von eigenen Bondrahmen 80 umgeben. Auch verlaufen Sägestraßen 200 zwischen allen Kavernen, sodass nach dem Vereinzeln der Chips durch Sägen MEMS Chips ohne Kontaktpads hergestellt sind. Der Chip mit den Kontaktpads kann aussortiert werden.
Insbesondere kann hierdurch die Anzahl der Nutzchips auf dem Wafer gesteigert werden, wenn Messpads nur für eine Stichprobenkontrolle erforderlich sind und daher nicht für jeden Sensorchip ein Chip mit Messpads erforderlich ist. Dies ist häufig im Falle von Consumer Anwendungen der Fall.
Das wesentliche Merkmal besteht darin, dass die elektrische Verbindung zwischen den Messpads und dem Sensorelement über Chipgrenzen hinweg, d.h. auch insbesondere über / unter einer Sägestraße hindurch verbunden wird. Dies unterscheidet sich zum Stand der Technik.
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Für Automobilanwendungen oder Anwendungen bei denen eine besonders hohe Messtiefe notwendig ist, ist es sinnvoll jeden MEMS-Chips zu prüfen. Mit der neuen Anordnung ist es möglich eine Messung des MEMS-Signals für jeden Chip vorzunehmen und dabei trotzdem Platz zu sparen. So können die Signale von mehreren Chips in einen separaten Chip geführt werden und dort über die Kontakte gleich mehrere Chips geprüft werden. Da diese Kontakte nur zur Prüfung vorhanden sind und später nicht mit Bonddrähten versehen werden müssen, können die Kontakte sehr vieler Chips in einem separierten Chip zusammengefasst werden.
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8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit mehreren Chips mit Kontaktpads. Dargestellt sind ausschnittsweise in Durchsicht drei zusammenhängende Teile eines Waferstapels bei denen jeweils zwei MEMS Chips einem Chip mit Kontaktpads zugeordnet sind. Die drei Teile sind durch gestrichelte Linien markiert. Jedes Teil des Waferstapels weist eine Mehrzahl erster Kavernen 60 auf (hier zwei), die jeweils MEMS Strukturen 30 enthalten. Dem zugeordnet ist eine zweite Kaverne 70 mit einer Mehrzahl von Kontaktpads 40, welche in der zweiten Kaverne angeordnet sind. Die MEMS Strukturen in allen ersten Kavernen sind mittels Leiterbahnen 50 mit den Kontaktpads in der zweiten Kaverne verbunden. Alle Kavernen sind von eigenen Bondrahmen 80 umgeben. Sägestraßen 200 verlaufen ebenfalls zwischen allen Kavernen, sodass nach dem Testen und danach dem Vereinzeln der Chips durch Sägen MEMS Chips ohne Kontaktpads hergestellt sind, die sämtlich getestet sind. Der Chip mit den Kontaktpads kann wieder aussortiert werden. Dies gilt für jedes derartige Teil des Waferstapels.
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In einer besonders günstigen Anordnung können die Messpads auch in der Sägestraße angeordnet werden, damit wird der Zusatzplatzbedarf für die Messpads auf das geringstmögliche Maß reduziert. 9 zeigt schematisch eine solche erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in Form eines Waferstapels mit einer Mehrzahl von Chips mit MEMS Strukturen und mit Kontaktpads in der Sägestraße. Im Unterschied zu der Darstellung in 8 sind ausschnittsweise in Durchsicht sechs zusammenhängende Teile eines Waferstapels dargestellt, bei denen jeweils zwei MEMS Chips 60, 30 einem Bereich mit Kontaktpads 40 zugeordnet sind. Dieser Bereich ist schmal ausgestaltet, liegt zwischen den beiden MEMS Chips in der Sägestraße 200 und ist nicht mit einem eigenen Bondrahmen ausgestattet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- MEMS Substrat
- 20
- Kappensubstrat
- 30
- MEMS Struktur
- 40
- Kontaktpad
- 50
- Leiterbahn
- 55
- elektrische Verbindung zwischen dem MEMS Substrat und dem Kappensubstrat
- 60
- erste Kaverne
- 70
- zweite Kaverne
- 80
- Bondrahmen
- 90
- Bondverbindung
- 75
- Padzugang
- 100
- Messnadeln
- 200
- Sägestraße
