DE19927970A1 - Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements - Google Patents
Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen ElementsInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements wird zunächst eine erste Zwischenschicht, die auf eine erste Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterwafers aufgebracht ist, strukturiert, um eine Ausnehmung zu erzeugen. Der erste Halbleiterwafer wird über die erste Zwischenschicht mit einem zweiten Halbleiterwafer verbunden, derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum definiert wird. Nach dem Dünnen von einem der Wafer von einer der ersten Zwischenschicht abgewandten Oberfläche her, um eine membranartige Struktur über dem Hohlraum zu erzeugen, werden unter Verwendung von Standard-Halbleiterprozessen elektronische Komponenten in dem gedünnten Halbleiterwafer erzeugt. Abschließend wird zumindest eine definierte Öffnung erzeugt, um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zu schaffen.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Erzeugen eines mikro-elektromechanischen Elements, und spe
zieller eines solchen mikro-elektromechanischen Elements,
bei dem eine mikromechanische Struktur und elektronische
Komponenten in dem gleichen Halbleiterwafer angeordnet sind.
Aufgrund der schnellen Entwicklung auf dem Gebiet der Halb
leiterindustrie und der Mikroelektronik verdrängen mikrome
chanische Elemente, beispielsweise mikromechanische Druck
meßzellen auf Siliziumbasis, mehr und mehr klassische mecha
nische Druckwandler. Mikromechanische Elemente werden bei
spielsweise in der Automatisierungs- und Medizin-Technik,
sowie in Kfz-Anwendungen in großen Mengen eingesetzt. Vor
zugsweise werden dabei mikro-elektromechanische integrierte
Systeme verwendet, die die Verbindung von mechanischen und
elektronischen Funktionen auf einem Substrat realisieren.
Neben den in CMOS- oder ähnlicher Technologie hergestellten
elektronischen Bauelementen, bei denen es sich beispielswei
se um Meßwandler, Verstärker, Speicher, Mikrocontroler,
usw., handelt, befinden sich dabei in denselben Schichten
mechanische Bauelemente. Diese können beispielsweise Membra
nen von Drucksensoren, elastische Platten von Ventilen oder
Pumpen, schwingende Massen von Beschleunigungssensoren, be
wegliche Finger oder einseitig eingespannte Arme von Schal
tern und dergleichen sein. Über die von der Planartechnolo
gie gewohnte mehr oder weniger glatte Oberfläche hinaus sind
diese mechanischen Strukturen dreidimensional und umfassen
freitragende Strukturen und vergrabene Hohlräume.
Es war bisher bekannt, solche Hohlräume durch naßchemisches
Ätzen zu erzeugen, bzw. durch Verbinden zweier zuvor einzeln
fertig bearbeiteter Scheiben. Als Verbindungstechnik zum
Verbinden der einzeln bearbeiteten Scheiben kommen dabei ein
Waferbonden (Silicon Fusing Bonding), ein anodisches Bonden
oder ein Kleben in Frage. In jedem Fall sind bei herkömmli
chen Verfahren vor dem Verbinden der einzelnen Scheiben die
selben vollständig bearbeitet, so daß danach keine Verarbei
tungsschritte mehr stattfinden müssen, die zu einer Beein
trächtigung der mechanischen Strukturen führen können.
Beim naßchemischen Unterätzen von Strukturen tritt das Pro
blem des sogenannten "Sticking" auf, bei dem die freitragen
de Struktur beim Trocknen der Flüssigkeit durch Kapillar
kräfte an der benachbarten Oberflächen haften bleibt und so
mit ihre Beweglichkeit verliert. Kleine Gräben, Löcher und
Spalten bereiten überdies Probleme beim Benetzen mit Flüs
sigkeiten (beispielsweise mit Ätzlösungen, Reinigungswasser,
Photolack) und beim Entfernen der Flüssigkeiten, beispiels
weise durch Blasen, die in Ecken haften bleiben können. Beim
Abschleudern können Tropfen zurückbleiben, die beim Ein
trocknen Ränder erzeugen. Auch die Reinigung durch Bürsten
ist problematisch, da die beweglichen Strukturen dabei abge
brochen werden können. Andererseits ist jedoch eine reine
Oberfläche der Strukturen notwendig, um die Herstellungsver
fahren zum Erzeugen der Auswertestrukturen, wie z. B. ein
CMOS-Verfahren, anwenden zu können. Durch die Gefahr der
Verschleppung von Partikeln und Kontaminationen kann bei of
fenen Strukturen die CMOS-Fähigkeit nicht mehr gegeben sein,
d. h. bestimmte Prozeßabläufe sind in einer CMOS-Linie nicht
erlaubt. Darüberhinaus wird beim Vereinzeln der Chip aus dem
Waferverbund mit einer Wafersäge mit Wasser gespült, das in
offene Hohlräume eindringen kann, und somit das Problem be
züglich Partikeln und Kontaminationen noch erschweren kann.
Überdies ist es bekannt, membranartige Strukturen durch die
Verwendung eines KOH-Rückseitenätzens zu erzeugen, nachdem
die elektronischen Komponenten auf der Vorderseite eines Wa
fers fertiggestellt sind. Durch die bei einer KOH-Ätzung
auftretenden schrägen Ätzkanten tritt hier jedoch ein hoher
Verlust an Integrationsdichte auf, insbesondere, wenn eine
hohe Stückzahl mikro-elektromechanischer Komponenten aus ei
nem Wafer gebildet wird.
Unterschiedliche Verfahren zum Herstellen von Halbleiter
druckfühlern sind ferner in der DE 37 43 080 A1 beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen
Elements zu schaffen, das die Anwendung herkömmlicher Stan
dardhalbleiterfertigungsprozesse zur Erzeugung elektroni
scher Komponenten in dem Wafer, in dem auch mikromechanische
Elemente gebildet sind, ermöglicht, wobei das Verfahren die
Erzeugung der mikro-elektromechanischen Elemente mit einer
hohen Ausbeute ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen eines
mikro-elektromechanischen Elements gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeu
gen eines mikro-elektromechanischen Elements, bei dem zu
nächst eine erste Zwischenschicht, die auf eine erste Haupt
oberfläche eines ersten Halbleiterwafers aufgebracht ist,
strukturiert wird, um eine Ausnehmung zu erzeugen. Im An
schluß wird der erste Halbleiterwafer über die erste Zwi
schenschicht mit einem zweiten Halbleiterwafer verbunden,
derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlos
sener Hohlraum definiert wird. Danach wird einer der Wafer
von einer der ersten Zwischenschicht abgewandten Oberfläche
her gedünnt, um eine membranartige Struktur über dem Hohl
raum zu erzeugen. Anschließend werden elektronische Kompo
nenten in dem gedünnten Halbleiterwafer erzeugt, vorzugswei
se unter Verwendung von Standard-Halbleiterfertigungsprozes
sen, woraufhin zumindest eine definierte Öffnung, um einen
Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zu schaf
fen, erzeugt wird.
Somit bleibt erfindungsgemäß der Hohlraum, der zusammen mit
der membranartigen Struktur ein mikromechanisches Element
definiert, stets hermetisch abgeschlossen, bis die elektro
nischen Komponenten, beispielsweise eine integrierte Schal
tung, fertiggestellt sind, so daß die oben beschriebenen
Probleme bei der Anwendung beispielsweise eines CMOS-Verfah
rens zur Erzeugung einer integrierten Schaltung erfindungs
gemäß nicht auftreten. Überdies entfallen aufgrund des her
metisch abgeschlossenen Hohlraums die vorher erwähnten Pro
bleme des Beseitigens der Ätzflüssigkeiten aus den Hohlräu
men, da aufgrund der hermetischen Abgeschlossenheit während
der Herstellung der integrierten Schaltung keine Medien, wie
z. B. Flüssigkeiten, Gase, Feststoffe und dergleichen, in den
Hohlraum eindringen können. Folglich ermöglicht das erfin
dungsgemäße Verfahren die Herstellung von mikro-elektrome
chanischen Elementen, beispielsweise Drucksensoren oder ge
steuerten Ventilen, mit einer verringerten Anzahl von Bear
beitungsschritten, so daß die vorliegende Erfindung eine ko
stengünstige Herstellung ermöglicht.
Diese Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht, indem ein
hermetisch abgeschlossener Hohlraum in einer Zwischenschicht
gebildet wird, die zum Verbinden zweier Halbleiterwafer ver
wendet wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Er
findung ist auf beiden Halbleiterwafern eine Zwischenschicht
aufgebracht, von denen eine oder beide strukturiert werden,
um nach dem Verbinden den Hohlraum zu bilden, wobei es sich
bei den zwischenschichten um isolierende oder leitende
Schichten handelt, die beispielsweise aus Oxid (thermisch
oder TEOS), Polysilizium, Nitrid oder Metall bestehen kön
nen. Diese zwischenschichten können mittels bekannter Ver
bindungsverfahren, beispielsweise einem Waferbonden (Silicon
Fusion Bonding), einem anodischen Bonden oder einem Kleben,
miteinander verbunden werden. Alternativ kann eine größere
Anzahl von zwischenschichten zwischen den zu verbindenden
Wafern verwendet werden, um damit die Erzeugung eines Hohl
raums mit Bereichen einer variablen Höhe zu ermöglichen.
Zum Öffnen des hermetisch abgeschlossenen Hohlraums kann da
bei eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden, wobei ein
Zugang zu dem Hohlraum bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung durch Erzeugen einer definierten
Öffnung in der membranartigen Struktur realisiert wird, da
dies ohne größeren Aufwand das Erzeugen eines Zugangs zu dem
Hohlraum ermöglicht. Die Öffnung kann durch eine Vielzahl
von Verfahren in der membranartigen Struktur definiert wer
den, beispielsweise durch das Verwenden einer Nadel oder ei
ner Klinge, durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrah
lung oder durch Ätzverfahren. Wird mittels des erfindungsge
mäßen Verfahrens eine Mehrzahl von mikro-elektromechanischen
Elementen in einem Wafer erzeugt, die nachfolgend vereinzelt
werden, kann durch das Vereinzeln der Zugang zu dem vorher
hermetisch abgeschlossenen Hohlraum geschaffen werden, indem
beim Strukturieren der einen oder mehreren Zwischenschichten
ein Kanal strukturiert wird, der bis zu der Grenzfläche
reicht, an der dann vereinzelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um
Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren herzustellen,
eignet sich jedoch auch zur Erzeugung von Fluidsystemen, die
zusammen mit Sensoren, Aktoren und/oder Auswertelogiken als
ein Mikrosystem realisiert sind.
Um einen Differenzdrucksensor zu erzeugen, werden erfin
dungsgemäß mindestens zwei nach außen hermetisch abgeschlos
sene Hohlräume in der oder den zwischen den Wafern angeord
neten Zwischenschichten gebildet, die über einen Kanal ver
bunden sind, wobei dann die über einem der Hohlräume ange
ordnete membranartige Struktur mit einer Öffnung versehen
wird, so daß über diese Öffnung ein Druck an die Unterseite
der nicht geöffneten membranartigen Struktur angelegt werden
kann, so daß der Differenzdruck zwischen Oberseite und Un
terseite dieser Membran erfaßt werden kann.
Das Verhältnis von Hohlraumvolumen zum Strömungswiderstand
des Verbindungskanals kann in weiten Grenzen so gestaltet
werden, daß die Ansprechzeit, d. h. die Zeitkonstante, des
Sensors in einem gewünschten Bereich liegt. Somit ist bei
spielsweise ein Variometer für Anwendungen in der Luftfahrt
realisierbar.
Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Her
stellung von Beschleunigungssensoren, wobei in der membran
artigen Struktur eine Mehrzahl von Öffnungen derart reali
siert wird, daß die membranartige Struktur eine Trägerstruk
tur für die bewegliche Masse bildet.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab
hängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a bis 1c schematische Querschnittansichten zur Er
läuterung eines Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 schematisch eine Explosionsdarstellung zur Veran
schaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Dif
ferenzdrucksensors; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur weiteren Erläu
terung des Ausführungsbeispiels des erfindungsge
mäßen Verfahrens zur Herstellung eines Differenz
drucksensors.
Bezugnehmend auf Fig. 1 werden zunächst die Schritte zum
Herstellen des mikromechanischen Elements und der elektro
nischen Komponenten eines mikro-elektromechanischen Elements
beschrieben, wobei bis zum Ende des in den Fig. 1a bis 1c
gezeigten Verfahrens sämtliche Hohlräume des mikromechani
schen Elements hermetisch abgeschlossen sind.
Wie in Fig. 1a gezeigt ist, wird zunächst eine auf einen
ersten Halbleiterwafer 2 aufgebrachte Zwischenschicht 4
strukturiert, um eine Ausnehmung 6 in derselben zu bilden.
Der Halbleiterwafer 2 wird nachfolgend über die Zwischen
schicht 4 mit einem zweiten Halbleiterwafer 8 verbunden, der
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit ei
ner Zwischenschicht 10 versehen ist. Durch das Verbinden der
beiden Wafer 2 und 8 wird durch die Ausnehmung 6 ein herme
tisch abgeschlossener Hohlraum 12 definiert, wie in Fig. 1b
zu sehen ist. Nach dem Verbinden der beiden Wafer 2 und 8
wird der erste Wafer 2 von der dem Wafer 8 abgewandten
Hauptoberfläche desselben her gedünnt, um oberhalb des Hohl
raums 12 eine membranartige Struktur 14 zu erzeugen. Dabei
bleibt der in der Zwischenschicht 4 gebildete Hohlraum 12
hermetisch abgeschlossen.
Fig. 1b zeigt die hergestellte mikromechanische Struktur,
wobei durch das Herstellungsverfahren derselben ermöglicht
ist, daß in dem gedünnten Wafer 2, in dem die membranartige
Struktur 14 gebildet ist, integrierte Schaltungsstrukturen
16 mittels herkömmlicher Standard-Halbleiterprozesse erzeugt
werden, die zur Auswertung von durch die Membran 14 erzeug
ten Signalen dienen kann. Dadurch wird aus der mikromechani
schen Struktur die in Fig. 1c gezeigte mikro-elektromecha
nische Struktur, bei der in einem Halbleiterwafer 2 zum ei
nen eine mikromechanische gefertigte Membran 14 als auch ei
ne integrierte Schaltung 16, die beispielsweise mittels her
kömmlicher CMOS-Techniken hergestellt ist, gebildet ist. Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht diese Herstellung ei
nes mikro-elektromechanischen Elements unter Verwendung her
kömmlicher Standard-Halbleiterfertigungsprozesse, beispiels
weise CMOS-Prozesse, da bis zur Vollendung der integrierten
Schaltung der Hohlraum 12 stets hermetisch verschlossen
bleibt. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die ko
stengünstige Herstellung von mikro-elektromechanischen Ele
menten mit einer, verglichen mit herkömmlichen Verfahren,
reduzierten Anzahl von Verfahrensschritten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Material für
die Halbleiterwafer vorzugsweise Silizium verwendet, wobei
die Zwischenschicht, bzw. die Zwischenschichten 4 und 10 in
Fig. 1, vorzugsweise aus einem Oxid, aus Polysilizium, aus
einem Nitrid oder Metall besteht bzw. bestehen. Hierbei ist
anzumerken, daß, obwohl bei dem oben beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel auf beiden Wafern eine Zwischenschicht ange
ordnet ist, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich
eine Zwischenschicht notwendig ist, in der die Ausnehmung
strukturiert wird. Bei alternativen Ausführungsbeispielen
kann eine Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen den Wafern
vorgesehen werden, so daß es möglich ist, durch unterschied
liche Strukturierung der einzelnen Schichten Hohlräume mit
Bereichen unterschiedlicher Höhen zu erzeugen. Ferner wäre
es alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren möglich,
auch in der auf das zweite Substrat 8 aufgebrachten Zwi
schenschicht 10 eine Strukturierung vorzusehen, so daß diese
zusammen mit der in der Zwischenschicht 4 vorgesehenen
Strukturierung nach dem Verbinden der Wafer den Hohlraum de
finiert. Dabei ist anzumerken, daß eine quasi unbegrenzte
Möglichkeit der Strukturierung von Zwischenschichten zum Er
zeugen unterschiedlicher Hohlräume existiert, solange die
Hohlräume nach dem Verbinden der beiden Wafer hermetisch ab
geschlossen sind. Die Strukturierung zur Erzeugung dieser
Hohlräume kann durch bekannte Strukturierungsverfahren, bei
spielsweise Photolithographie und Naß- bzw. Trocken-Ätzen
oder durch selektive Abscheidung erfolgen.
Die Verbindung der Wafer kann mittels bekannter Verbindungs
verfahren erfolgen, wobei die beiden Wafer mit der oder den
Verbindungsschichten aufeinandergelegt und mittels speziel
ler Prozesse miteinander verbunden werden, beispielsweise
anodischen Bondverfahren, Klebeverfahren oder dem sogenann
ten Silicon Fusing Bonding. Nach diesem Verbinden entsteht
aus den zunächst in der bzw. den Zwischenschichten struktu
rierten Ausnehmung, bzw. den Ausnehmungen, ein hermetisch
abgeschlossener Hohlraum 12, wie er in Fig. 1b gezeigt ist.
Im Anschluß wird einer der beiden Halbleiterwafer auf eine
vorgegebene Dicke gedünnt, so daß über dem Hohlraum eine
membranartige Struktur entsteht. Dabei kann der zu dünnende
Wafer vorzugsweise aus einem SOI-Material (Silicon on Insu
lator) bestehen, wodurch ein exaktes Dünnen erleichtert
wird. Durch dieses Dünnen wird oberhalb der strukturierten
Bereiche, d. h. über den Hohlräumen, eine sensorspezifische
Zone bzw. eine Membran erzeugt, während die übrige Fläche
des gedünnten Wafers für die Integration elektronischer
Schaltungen dienen kann.
Die nach diesem Verfahren hergestellten mechanischen Struk
turen, von denen beispielhaft eine in Fig. 1b gezeigt ist,
weisen jetzt noch eine nach oben geschlossene und planare
Oberfläche und in der Tiefe einen oder mehrere hermetisch
abgeschlossene Hohlräume auf. Damit kann der gedünnte Wafer
mit den üblichen CMOS-Technologien bearbeitet werden.
Die Form der hermetisch abgeschlossenen Hohlräume ist im
Grundriß beliebig, im einfachsten Fall rechteckig, vieleckig
oder rund, und kann langgestreckte und gewundene Kanäle ent
halten oder aus mehreren isolierten oder mit Kanälen verbun
denen Strukturen bestehen. Die Höhe der Hohlräume ist durch
die Dicke der strukturierten Schicht gegeben, wie in Fig.
1a gezeigt ist, und damit im einfachsten Fall einheitlich.
Durch eine mehrfache Strukturierung einer einzelnen Schicht
oder durch eine Strukturierung mehrere Schichten kann je
doch, wie bereits oben erwähnt wurde, die Höhe der Hohlräume
beliebig variiert werden, das heißt, es können Hohlräume mit
Bereichen unterschiedlicher Höhe erzeugt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Schritt des Verbindens der beiden Wafer
in einem Vakuum durchgeführt, so daß bei möglichen nachfol
genden Hochtemperaturprozessen kein Überdruck durch die
thermische Expansion eines in den hermetisch abgeschlossen
Hohlräumen enthaltenen Gases entsteht. Somit kann eine Be
schädigung der über dem oder den Hohlräumen erzeugten mem
branartigen Strukturen vermieden werden, da beispielsweise
einem Unterdruck von 1 bar im kalten Zustand, der beispiels
weise bei einem Vakuum in dem Hohlraum vorliegt, leichter zu
widerstehen ist, als einem Überdruck von 3 bar in einem Dif
fusionsofen bei beispielsweise 1100°C, wenn die Verbindung
der Wafer nicht in einem Vakuum stattfindet. Je nach Anwen
dung der erfindungsgemäß erzeugten mikromechanischen Struk
tur ist es jedoch auch möglich, den Hohlraum mit einem spe
ziellen Gas bei einem beliebigen Druck zu füllen.
Erfindungsgemäß wird nun nach Abschluß des in den Fig. 1a
bis 1c gezeigten Verfahrens zumindest eine definierte Öff
nung erzeugt, um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlos
senen Hohlraum zu schaffen. Dadurch kann durch das in Fig.
1c gezeigte Element beispielsweise ein Differenzdrucksensor
oder alternativ auch ein Beschleunigungssensor realisiert
werden, wenn die Öffnungen in dem membranartigen Bereich 14
beispielsweise so definiert werden, daß sie eine Träger
struktur für eine bewegliche Masse definieren.
Nach Abschluß der in den Fig. 1a bis 1c gezeigten Verfah
rensschritte werden der oder die Hohlräume gemäß der Erfin
dung an vorbestimmten Stellen geöffnet. Dieses Öffnen kann
in einer Vakuumkammer, an Umgebungsluft, unter Schutzgas, in
einer speziellen Atmosphäre oder unter einer Flüssigkeit er
folgen. Jedenfalls dringt dieses Medium in den Hohlraum ein
und füllt ihn vollständig, wenn der Hohlraum zuvor unter Va
kuum war, wenn der Schritt des Verbindens der Wafer unter
einem Vakuum stattgefunden hat, wie oben erläutert wurde.
Das Öffnen des Hohlraums kann auf unterschiedliche Arten
realisiert werden. Bei der Herstellung eines Differenzdruck
sensors, wie sie nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. 2 und
3 näher erläutert wird, kann beispielsweise die über einem
der Hohlräume angeordnete membranartige Struktur durch Auf
stechen mit einer Nadel oder Klinge geöffnet werden. Um zu
verhindern, daß dabei zu erwartende Splitter in benachbarte
Hohlräume eindringen, können die die Hohlräume verbindenden
Kanäle labyrinthartig ausgestaltet werden. Alternativ ist es
möglich, die membranartige Struktur über einem der Hohlräume
mittels gepulster Laserstrahlung zu öffnen. Dieses Verfahren
vermeidet die Erzeugung von Splittern und möglicherweise Mi
krorissen, so daß die Zuverlässigkeit nicht gefährdet wird.
Ferner ist es möglich, die entstehenden Dämpfe und Schmelz
tropfen durch geeignete Gestaltung der Kanäle unschädlich zu
machen. Diese beiden Verfahren zum Öffnen der Hohlräume eig
nen sich für bereits gesägte, vereinzelte und möglicherweise
bereits in ein Gehäuse montierte Chips. Nach dem Öffnen er
folgt bei Drucksensoren die Montage der Röhrchen zum An
schluß an das druckführende Medium.
Üblicherweise werden in einem Wafer eine Mehrzahl von mi
kro-elektromechanischen Elementen gebildet, die dann in ein
zelne Chips vereinzelt werden. Dabei kann das Öffnen der
Hohlräume während des Sägens der Wafer erfolgen, wenn die
Kanäle bis zum Ritzrahmen, der die Sägestraßen definiert,
geführt worden sind. Dann sind die Kanäle von der Seitenflä
che der Chips zugänglich, was Vorteile bei der Montage bie
ten kann. Das Eindringen von Kühlwasser kann durch trockenes
Sägen, durch Anritzen und Brechen oder durch Schneiden mit
gepulsten Laserstrahlen vermieden werden.
Das Öffnen der Hohlräume kann ferner durch ein gezieltes Ät
zen, beispielsweise in einem Plasmaätzer, erfolgen. Dabei
wird auf die Scheibenoberfläche und somit die membranartige
Struktur eine Schutzschicht aufgebracht, beispielsweise eine
Passivierungsschicht oder ein Photolack, die Aussparungen an
den Stellen aufweist, an denen die Öffnung oder die Öffnun
gen gebildet werden sollen. Dort wird die Membran weggeätzt,
während sie an den geschützten Stellen bestehen bleibt. Das
dabei eindringende Gas verursacht im Gegensatz zu Flüssig
keiten keine Probleme in den Hohlräumen. Die Passivierung
kann nach diesem Ätzschritt auf dem Bauelement verbleiben,
während der Photolack durch Veraschen im Plasma entfernt
werden kann. Dieses Ätzverfahren kann vor dem Vereinzeln der
Chips für eine Mehrzahl von Elementen im Waferverbund oder
nach dem Vereinzeln der Chips erfolgen.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3 ein be
vorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah
rens zum Herstellen eines Differenzdrucksensors beschrieben.
Mikromechanisch integrierte Drucksensoren messen einen von
außen angelegten Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit
und verarbeiten ihn zu einem elektrischen Signal. Üblicher
weise werden diese Sensoren als Absolutdrucksensor ausge
staltet. Ein solcher Sensor kann beispielsweise den in Fig.
1c gezeigten Aufbau aufweisen, wobei eine dünne Schicht
über einem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum liegt und
nach dem Prinzip eines Dosenbarometers als Membran wirkt. Um
von Temperaturschwankungen der Umgebung möglichst unabhängig
zu sein, ist der Hohlraum üblicherweise leer, steht also un
ter Vakuum.
Häufig ist es erwünscht, den Druck zweier Volumina zu ver
gleichen, wobei nur der Druckunterschied von Interesse ist.
Der zu messende Druckunterschied ist häufig sehr klein im
Vergleich zum absoluten Druck. Daher wäre die Meßgenauigkeit
sehr gering, wenn die Messung durch Differenzbildung der
Meßwerte zweier Absolutdrucksensoren erfolgen würde. Es ist
günstiger, die Membran je von einer Seite mit den zu messen
den Volumen zu verbinden und nur den Druckunterschied zu
messen. Bei makroskopischen Sensoren mit Membranen aus Me
tall oder Gummi ist ein solcher Sensor problemlos realisier
bar. Bei mikroelektronisch integrierten Sensoren ist jedoch
die Symmetrie der beiden Seiten der Membran nicht mehr gege
ben. In der Planartechnologie gibt es immer eine Oberseite,
welche den technologischen Prozessen ausgesetzt ist und
leicht zu reinigen ist, und eine Unterseite, welche während
der Herstellung vor agressiven Gasen und Flüssigkeiten ge
schützt ist. Um zu ermöglichen, daß die Wafer mit üblichen
Standardhalbleiterprozessen, beispielsweise CMOS-Technolo
gien, bearbeitet werden können, müssen sie eine nach oben
geschlossene und planare Oberfläche aufweisen. Dies wird
durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, das somit die
Integration von mikromechanischen Elementen und unter Ver
wendung herkömmlicher Halbleiterprozesse gebildeten elektro
nischen Komponenten in einem Wafer ermöglicht.
Wie in der schematischen Explosionsdarstellung von Fig. 2
gezeigt ist, werden zur Herstellung eines Differenzdruck
sensors zwei Hohlräume 20 und 22 in einer Zwischenschicht
24, die zwischen zwei Wafern 26 und 28 gebildet ist, er
zeugt. Die beiden Hohlräume sind durch einen in der Zwi
schenschicht 24 definierten Kanal 30 verbunden. Es ist er
sichtlich, daß in Fig. 2 das Verfahrensstadium dargestellt
ist, das in Fig. 1b für einen einzelnen Hohlraum gezeigt
ist, wobei der obere Wafer 26 lediglich zu Zwecken der Ver
deutlichung getrennt von der Zwischenschicht 24 dargestellt
ist, so daß die in der Zwischenschicht 24 gebildeten Hohl
räume 20 und 22 sowie der Kanal 30 nach außen hermetisch
abgeschlossen sind. Dabei ist ferner anzumerken, daß die
Hohlräume bzw. der Kanal auch in einer Mehrzahl von Zwi
schenschichten strukturiert sein können, um Bereiche unter
schiedlicher Höhe definieren zu können oder für das spätere
Öffnen Sollbruchstellen zu erzeugen.
Bei der schematischen Darstellung von Fig. 2 ist der obere
Wafer 26 bereits gedünnt, so daß über den Hohlräumen 20 und
22 membranartige Strukturen 32 und 34, Fig. 3, gebildet
sind, deren Umrisse in Fig. 3 in gestrichelten Linien darge
stellt sind. Nach dem Erzeugen der in Fig. 2 dargestellten
Struktur wird durch die über dem Hohlraum 22 angeordnete
Membran 34 eine Öffnung 36 gebildet, die einen Zugang zu dem
Hohlraum 22 und somit über den Kanal 30 auch zu dem Hohlraum
20 bildet. Hierbei ist anzumerken, daß die Öffnung erst dann
in der Membran 34 gebildet wird, wenn die Halbleiterferti
gung, d. h. die Erzeugung von elektronischen Komponenten,
z. B. in der Form einer Auswerteeinheit, in dem Halbleiterwa
fer 26 abgeschlossen ist. Für diese Halbleiterfertigung kön
nen übliche Standardhalbleiterprozesse, z. B. CMOS-Verfahren,
verwendet werden, da sämtliche Hohlräume zum Zeitpunkt der
Halbleiterfertigung hermetisch abgeschlossen sind. Ferner
ist anzumerken, daß die elektronischen Komponenten in Fig. 3
nicht dargestellt sind.
Das in Fig. 3 dargestellte mikromechanische Element kann als
Differenzdrucksensor dienen, da auf die Oberseite der Mem
bran 32 ein erster Druck wirken kann, während auf die Unter
seite desselben über die Öffnung 36, den Hohlraum 22, den
Kanal 30 und den Hohlraum 20 ein zweiter Druck wirken kann,
so daß das Ausgangssignal des durch die Membran 32 und den
Hohlraum 20 gebildeten Sensors die Differenz dieser beiden
Drücke wiedergibt. Um dies zu ermöglichen, können bei der
Aufbau- und Verbindungs-Technik der Sensor, d. h. die Membran
32 und der geöffnete zweite Hohlraum 22, beispielsweise
durch aufgeklebte Röhrchen mit je einem Gasvolumen verbunden
werden. Da der zweite Hohlraum 22 durch den Kanal 30 mit der
Unterseite der Membran 32 durch Gasaustausch in Kontakt
steht, wirkt der hier beaufschlagte Druck auf die Unterseite
der Membran 32. Somit registriert der Sensor den Differenz
druck zwischen den beiden Anschlüssen. Beide Anschlüsse kön
nen von der Oberseite des Sensors montiert werden, wodurch
eine Vereinfachung des Aufbaus erreicht werden kann.
Alternativ ist es möglich, sowohl den Drucksensor, der aus
Membran 32 und Hohlraum 20 gebildet ist, als auch den Kanal
und den zweiten Hohlraum mehrfach auszuführen, um beispiels
weise ein Sensorarray zu erzeugen. Das Verhältnis von Hohl
raumvolumen zu Strömungswiderstand des Verbindungskanals
kann in weiten Grenzen variiert werden, so daß die Ansprech
zeit des Sensors einstellbar ist.
Neben der oben beschriebenen Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung von Differenzdrucksensoren eignet
sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von
mechanisch schwingungsfähigen Sensoren und Aktoren, bei de
nen es ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der Sensor und die
zugehörige Auswerteelektronik auf dem gleichen Chip inte
griert sind. Solche mechanisch schwingungsfähigen Sensoren
und Aktoren werden beispielsweise bei Airbagauslösern, Be
schleunigungsmessern, Stimmgabeln, Drehgebern, Ventilen,
Pumpen, Schaltern und dergleichen benötigt. Als Besonderheit
ist hier eine schwingende Masse nötig, die an relativ dünnen
Halterungen aufgehängt ist. Die Halterungen dienen als ela
stische Federn.
Erfindungsgemäß kann eine solche Halterungsstruktur für eine
bewegliche Masse beispielsweise erzeugt werden, indem ausge
hend von der in Fig. 1c als Drucksensor beschriebenen
Struktur der membranartige Bereich 14 mit Öffnungen versehen
wird, um eine solche Trägerstruktur zu definieren. Dabei ist
anzumerken, daß während der Halbleiterfertigung, d. h. wäh
rend der Erzeugung der Auswerteschaltung, eine bewegliche
Masse auf die Membran 14 aufgebracht oder in derselben
strukturiert wird. Es ist klar, daß die Auswerteschaltung,
die in Fig. 1c als Auswerteschaltung 16 für einen Drucksen
sor dargestellt ist, entsprechend für einen Beschleunigungs
sensor angepaßt werden muß. Während der Halbleiterfertigung
ist der membranartige Bereich vollständig mit dem umgebenden
Bereich des Wafers, in dem der membranartige Bereich gebil
det ist, verbunden, so daß der Hohlraum unter demselben her
metisch abgeschlossen ist.
Wie bereits oben erläutert wurde, bringt dieses Verfahren
erhebliche Vorteile bei der Fertigung hinsichtlich der Aus
beute, der mechanischen Unempfindlichkeit sowie dem Schutz
vor Flüssigkeiten. Um nun die Masse am Ende der Halbleiter
fertigung, bei der die elektronischen Komponenten erzeugt
werden, beweglich zu machen, wird die Membran am Rand der
Masse vorzugsweise durch ein Ätzverfahren entfernt. Der als
Halterung vorgesehene Teil der Membran wird dabei vor dem
Ätzangriff geschützt und bleibt bestehen. Die zu ätzende
Fläche ist bei dieser Anwendung im Vergleich zu den vorge
nannten Öffnung, beispielsweise des Hohlraums 22 bei dem in
den Fig. 2 und 3 dargestellten Differenzdrucksensor, groß
flächig. Da die bewegliche Masse möglichst groß sein soll,
ist es günstig, sie möglichst dick zu gestalten. Da anderer
seits die zu öffnenden Bereiche für leichtes Öffnen mög
lichst dünne Membranen haben sollen, ist es vorteilhaft meh
rere Schichten unterschiedlich zu strukturieren. Dafür ist
jeweils eine zusätzliche Lithographieebene notwendig. Die
schwingende Masse, die durch die auf die oben beschriebene
Art und Weise gefertigte Trägerstruktur gehalten wird, kann
aus einem mehrschichtigen Aufbau aus Silizium, Metall oder
Oxid gefertigt sein.
Als weiteres Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Ver
fahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Struk
turen sind noch Fluidsysteme zu nennen. Bei Mikrofluidsy
stemen sind die bei makroskopischen Systemen durch Glasröh
ren und Glaskolben sowie Gummischläuche realisierten chemi
schen Reaktionsgefäße miniaturisiert in Silizium oder einem
anderen für die Mikrosystemtechnik geeigneten Material aus
geführt. Die Anwendung erstreckt sich auf die Dosierung, Mi
schung und physikalische Vermessung von kleinen Flüssig
keitsmengen und deren chemischen und biologischen Reaktio
nen. Die Hohlräume, deren Verbindungskanäle sowie Verzwei
gungen und Anschlußöffnungen werden dabei erfindungsgemäß in
einer oder mehreren Zwischenschichten, die zwischen zwei Wa
fern angeordnet sind, strukturiert. Durch ein anschließendes
Verbinden der Wafer werden die Hohlräume dann hermetisch
verschlossen, woraufhin einer der Wafer gedünnt wird. Dieser
Wafer weist eine planare obere Oberfläche auf und ist somit
mit üblichen CMOS-Technologien bearbeitbar, so daß elektro
nische Sensoren, wie Drucksensoren, Temperatursensoren,
Leitfähigkeitssensoren oder auch Photodioden zur Lichtab
sorption, und Aktoren, beispielsweise Verstärker, Mikrocon
troler, Elektroden und dergleichen, in direkter Nähe der Ge
fäße aufgebaut werden können. Durch diese Integration von
Sensor, Aktor und Logik auf einem Substrat wird das Bauteil
ein Mikrosystem. Nach Abschluß der Halbleiterfertigung wer
den die für den Anschluß vorgesehenen Hohlräume gemäß den
oben beschriebenen Verfahren an vorbestimmten Stellen ge
öffnet und mit den Zuleitungen der Flüssigkeiten verbunden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Herstellung
mikro-elektromechanischer Elemente, wobei sämtliche Hohlräu
me der mikromechanischen Strukturen der mikro-elektromecha
nischen Elemente nach dem Erzeugen derselben hermetisch ab
geschlossen sind, während eine nach oben geschlossen und
planare Oberfläche geliefert wird, so daß die Wafer von oben
unter Verwendung üblicher CMOS-Technologien bearbeitet wer
den können. Erst nach dem Fertigstellen der elektronischen
Komponenten werden die Hohlräume geöffnet. Somit sind erfin
dungsgemäß Probleme, die bei herkömmlichen Verfahren durch
das Reinigen von Waferoberflächen bzw. das Eindringen von
Flüssigkeiten in Hohlräume und die Verschleppung von Parti
keln und Kontaminationen bewirkt werden, beseitigt. Damit
schafft die vorliegende Erfindung ein wenig aufwendiges Ver
fahren, das die Herstellung von mikro-elektromechanischen
Elementen kostengünstig und mit hoher Ausbeute ermöglicht.
Claims (15)
1. Verfahren zum Erzeugen eines mikro-elektromechanischen
Elements, mit folgenden Schritten:
- a) Strukturieren einer ersten Zwischenschicht (4; 24), die auf eine erste Hauptoberfläche eines er sten Halbleiterwafers (2; 26) aufgebracht ist, um eine Ausnehmung (6; 20, 22, 30) zu erzeugen;
- b) Verbinden des ersten Halbleiterwafers (2; 26) über die erste Zwischenschicht (4; 24) mit einem zwei ten Halbleiterwafer (8; 28), derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum (12; 20, 22, 30) definiert wird;
- c) Dünnen von einem der Wafer (2; 26) von einer der ersten Zwischenschicht (4; 24) abgewandten Ober fläche her, um eine membranartige Struktur (14; 32, 36) über dem Hohlraum (12; 20, 22) zu erzeu gen;
- d) Erzeugen elektronischer Komponenten (16) in dem gedünnten Halbleiterwafer (2; 26);
- e) Erzeugen zumindest einer definierten Öffnung (36), um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum (20, 22) zu schaffen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf die Hauptober
fläche des zweiten Halbleiterwafers (8), der über die
Zwischenschicht (4) mit dem ersten Halbleiterwafer (2)
verbunden wird, vor dem Verbinden eine zweite Zwischen
schicht (10) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Zwischen
schicht strukturiert wird, derart, daß nach dem Verbin
den die Strukturierung der zweiten Zwischenschicht und
die Ausnehmung in der ersten Zwischenschicht den Hohl
raum definieren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zu
sätzlich zu der ersten Zwischenschicht weitere Zwi
schenschichten zwischen den beiden Halbleiterwafern
vorgesehen werden, die vor dem Verbinden der beiden
Halbleiterwafer strukturiert werden, um einen Hohlraum
mit Bereichen variabler Höhe zu erzeugen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der
erste und der zweite Wafer (2, 8; 26, 28) aus Silizium
bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die
eine oder die mehreren Zwischenschichten aus einem
Oxid, aus Polysilizium, aus einem Nitrid oder aus Me
tall bestehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die
eine oder die mehreren Zwischenschichten (24) derart
strukturiert werden, daß nach dem Verbinden der beiden
Wafer (26, 28) mehrere, durch Kanäle (30) verbundene,
nach außen hermetisch abgeschlossene Hohlräume (20, 22)
definiert sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das
Verbinden im Schritt b) in einem Vakuum durchgeführt
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem
als erster (2; 26) und/oder zweiter (8; 28) Wafer ein
SOI-Wafer verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die
zumindest eine definierte Öffnung (36) in der membran
artigen Struktur (34) erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Erzeugen der
zumindest einen definierten Öffnung (36) in der mem
branartigen Struktur (34) mit einer Nadel, einer Klin
ge, durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrahlung
oder durch Ätzen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem
eine Mehrzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen
in einem Wafer erzeugt werden, wobei das Verfahren fer
ner den Schritt des Vereinzelns der einzelnen, mikrome
chanischen Strukturen in Chips aufweist, wobei durch
das Vereinzeln die zumindest eine definierte Öffnung,
um einen Zugang zu dem hermetisch abgeschlossenen Hohl
raum zu schaffen, erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Schritte 1 bis 12, bei dem die
eine oder die mehreren Zwischenschichten (24) im
Schritt a) derart strukturiert werden, daß nach dem
Verbinden der beiden Wafer (26, 28) mindestens zwei
hermetisch abgeschlossene Hohlräume (20, 22), die über
einen Kanal (30) verbunden sind, definiert werden, über
denen nach dem Schritt c) jeweils eine membranartige
Struktur (32, 34) angeordnet ist, wobei im Schritt e)
eine definierte Öffnung (36) durch die membranartige
Struktur (34) von einem der Hohlräume (22) erzeugt
wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Kanal im
Schritt a) labyrinthartig strukturiert wird, derart,
daß beim Erzeugen der Öffnung entstehende Störprodukte
an einem Passieren des Kanals gehindert sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem im
Schritt e) eine Mehrzahl von definierten Öffnungen in
dem membranartigen Struktur erzeugt werden, derart, daß
die membranartige Struktur nach dem Erzeugen der Öff
nungen eine Trägerstruktur für die bewegliche Masse
eines Beschleunigungssensors bildet.
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