DE4201104C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vereinzeln von als
Differentialkondensatoren ausgebildeten Beschleunigungssensoren
aus vorzugsweise einem Glas-Silizium-Glas-Schichtpaket, bei
welchem die scheibenförmige Siliziumschicht eine Gitterstruktur
mit freigesparten Biegeschwingern aufweist und die mit der
Siliziumscheibe verbondeten Glasscheiben den plattenförmigen
Massen der Biegeschwinger zugewandte, im wesentlichen
flächengleiche Metallschichten tragen, welche mit vorzugsweise
auf einer Glasscheibe aufgebrachten Anschlußkontakten elektrisch
leitend verbunden sind.
Ein derartiger Schichtaufbau zur mikromechanischen
Fertigung kapazitiver Beschleunigungssensoren, und zwar zur
gleichzeitigen Fertigung einer Vielzahl von Sensoren, ist mit
einem Minimum an gut reproduzierbaren Prozeßschritten
herstellbar, d. h. an einer p- oder n-leitend dotierten
Siliziumscheibe werden in an sich bekannter Weise durch
mehrfache Anwendung photolithografischer Strukturtechnik und
anisotropen Ätzens die für die Funktion der
Beschleunigungssensierung erforderlichen, elastisch beweglichen
Massen freigespart und Ausnehmungen zur elektrischen Isolation
von Leiterbahnen und zur Freistellung von Anschlußkontakten
angebracht. Die zwangsweise plattenförmig ausgebildeten Massen
der auf diese Weise gebildeten Biegeschwinger wirken aufgrund
der Leitfähigkeit der dotierten Siliziumscheibe ohne zusätzliche
Maßnahmen als bewegliche Kondensatorelektroden. Die zugeordneten
Gegenelektroden werden zusammen mit geeigneten Leiterbahnen auf
Pyrex-Glasscheiben aufgedampft bzw. aus metallbedampften
Pyrex-Glasflächen photolithografisch herausstrukturiert. Danach
erfolgt die Verbindung des Glas-Silizium-Glas-Schichtpaketes
durch anodisches Bonden.
Die EP 03 69 352 A1 beschreibt einen derartigen Aufbau, wobei
die Leiterbahnen zwischen außenliegenden Anschlußkontakten und den
Gegenelektroden durch geeignete Kanäle in den Glasschichten aus
dem Raum des Biegeschwingers herausgeführt sind. Beim Vereinzeln
der Sensoren, was üblicherweise mittels numerisch gesteuerter
Diamanttrennscheiben erfolgt, werden diese Kanäle angeschnitten
und es besteht die Gefahr, daß Kühl- bzw. Schmierflüssigkeit,
insbesondere aber Schleifstaub in die relativ engen, im 100stel
mm-Bereich liegenden Spalten zwischen den beweglichen Massen der
Biegeschwinger und den Gegenelektroden gelangen und die
Biegeschwinger entweder mechanisch blockieren oder Kurzschlüsse
verursachen. Beim Gegenstand der EP 03 69 352 A1 werden aus diesem
Grunde vor dem Bonden des Schichtpaketes mit einem zusätzlichen
Prozeßschritt, der ein Reinigen und Blankschleifen erforderlich
macht, die Kanäle verfüllt.
Es war somit die Aufgabe gestellt, bei dem angestrebten,
prozeßgerechten Vereinzeln der Beschleunigungssensoren
Verschmutzungen der geschilderten Art ohne zusätzliche
Prozeßschritte zu vermeiden.
Die Lösung der Aufgabe sieht vor, daß das
Glas-Silizium-Glas-Schichtpaket kreuzweise eingeschnitten wird,
wobei zum Freilegen der Anschlußkontakte das Einschneiden
wenigstens in der einen Richtung gegenseitig und in zwei
parallelen Ebenen erfolgt und zwischen den als Auflage für die
Glasscheiben dienenden Stegen der gitterförmigen Siliziumscheibe
und der Anschlußkontakte tragenden Glasscheibe vor dem Bonden
wenigstens in einem Randbereich zwischen der äußeren Schnittebene
zum Freilegen der Anschlußkontakte eines Beschleunigungssensors
und den Anschlußkontakten eine eine Bondverbindung verhindernde
Zwischenschicht vorgesehen wird und daß das Schichtpaket an den
durch Einschneiden geschaffenen
Sollbruchstellen gebrochen wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben
die Unteransprüche.
Die gefundene Lösung bietet den Vorteil, daß die
Beschleunigungssensoren erst im Augenblick des Brechens nicht
mehr hermetisch geschlossen sind und somit der beim Einschneiden
entstehende Schleifstaub sowie Kühlmittelreste zuvor ohne
besonderen Aufwand beseitigt werden können. Außerdem wird, ohne
daß zusätzlicher Fertigungsaufwand entsteht, mit dem parallel
versetzten Einschneiden in Verbindung mit der das anodische
Bonden verhindernden Zwischenschicht, die gleichzeitig mit den
Gegenelektroden aufgebracht wird, einerseits ein genau
definiertes Brechen der Siliziumscheibe erzielt, andererseits
werden die Anschlußkontakte ohne umgebende Siliziumreste auf
einer gut zugänglichen Konsole freigestellt. Werden sämtliche
Anschlußkontakte, was eine Leiterbahnumlenkung von der einen
Pyrex-Glasscheibe auf die andere erforderlich macht,
nebeneinander auf einer Pyrex-Glasscheibe angeordnet, so läßt
sich, abgesehen von einer wesentlichen Vereinfachung beim
späteren Anbonden von Leitungsdrähten, die Länge der
Beschleunigungssensoren auf ein Minimum reduzieren.
Voraussetzung ist hierfür jedoch, daß bei der Herstellung die
Beschleunigungssensoren nicht in eine Richtung weisen, sondern
wechselständig ausgebildet werden. Hinsichtlich der Anordnung
der Anschlußkontakte in nur einer Ebene ist es von besonderer
Bedeutung, daß bei dem gewählten Ausführungsbeispiel die
Leitungsbildung zwischen der einen Gegenelektrode und dem ihr in
einer anderen Ebene zugeordneten Anschlußkontakt über
prozeßtypische Maßnahmen erfolgt und letztlich durch das Brechen
beim Vereinzeln automatisch isoliert wird.
Im folgenden sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des verbondeten
Glas-Siliziun-Glas-Schichtpaketes, welches schichtweise
aufgebrochen ist,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie A in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie B in Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie C in Fig. 1,
Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie D in Fig. 7,
Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie E in Fig. 7,
Fig. 7 eine Draufsicht gemäß Fig. 1 mit angebrachten
Trennschnitten,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines vereinzelten
Beschleunigungssensors.
Wie die rautenförmigen Konturen gemäß der Draufsicht Fig. 1
erkennen lassen, werden für die Herstellung der
Beschleunigungssensoren 110-orientierte Siliziumscheiben
verwendet. Dadurch lassen sich die Vorteile der anisotropen
Ätztechnik, nämlich ein erheblich schnelleres Ätzen rechtwinklig
zur Schichtfläche, nutzen, d. h. es können besonders enge Spalte
geätzt und sowohl die Sensorgrundfläche minimiert als auch eine
relativ große Anzahl von die Dämpfung des Biegeschwingers
bestimmenden Schlitzen in der Masse des Biegeschwingers angebracht
werden. Desgleichen werden die scheibenparallelen Flächen der
als Elektrode wirkenden Masse des Biegeschwingers automatisch
gleich groß ausgebildet.
Das Schichtpaket 1 ist, wie auch die dreifach überhöhten
Schnittdarstellungen zeigen, aus einer leitfähig dotierten
Siliziumscheibe 2 und diese beidseitig begrenzenden
Pyrex-Glasscheiben 3 und 4 aufgebaut und durch Bonden
zusammengefügt. Dabei weist die Siliziumscheibe 2 infolge von
Freisparungen 5 und 6 für die Biegeschwinger 7 und die beim
Vereinzeln freizustellenden Anschlußkontakte 8, 9 und 10 eine
Gitterstruktur auf, so daß die Pyrex-Glasscheiben 3 und 4
lediglich auf Längs- und Querstegen 11 und 12 der gitterförmigen
Siliziumscheibe 2 sowie schmalen Trennwänden 13 zwischen dem
Freisparungen 5 und 6 aufliegen und mit diesen verbondet sind.
Wie aus der Fig. 1 ferner ersichtlich ist, sind die Massen
14 der Biegeschwinger 7 jeweils über zwei federungsfähig
ausgebildete Arme 15 und 16 mit den Querstegen 12 verbunden. In
den Massen 14 angebrachte Schlitze, von denen einer mit 17
bezeichnet ist, dienen als Luftströmungswege der Optimierung des
Frequenzverhaltens, d. h. einer annähernd aperiodischen Dämpfung
und einer Verkürzung der Ansprechzeit des jeweiligen
Biegeschwingers 7. Sie sind ohne Mehraufwand realisierbar und
für die Kondensatorfunktion praktisch ohne Einfluß. Den als
Elektroden wirkenden Massen 14 sind vorzugsweise aus Aluminium
bestehende Gegenelektroden 18 und 19 zugeordnet, die im
wesentlichen flächengleich mit den Massen 14 auf den
Pyrex-Glasscheiben 3 und 4 aufgedampft sind. Die elektrischen
Verbindungen der Gegenelektroden 18 mit den Anschlußkontakten 9
erfolgen mittels Leiterbahnen 20, die gleichflächig auf der
Pyrex-Glasscheibe 4 angebracht sind. Bei der elektrischen
Verbindung der Gegenelektroden 19 mit den Anschlußkontakten 10
ist eine Umlenkung von einer Ebene in eine andere Ebene
erforderlich. Hierzu dienen Siliziumblöcke 21, welche mit den
Pyrex-Glasscheiben 3 und 4 verbondet sind und dabei Leiterbahnen
22 und 23 durch Druckkontaktierung koppeln. Die Anschlußkontakte
8 bzw. die von ihnen ausgehenden Leiterbahnen 24 sind ebenfalls
druckkontaktiert, und zwar mit der Siliziumscheibe 2, d. h. sie
befinden sich zwischen den Trennwänden 13 und der Glasscheibe 4.
Demgegenüber dienen in den Trennwänden 13 ausgebildete
Aussparungen 25 und 26 der Isolation der Leiterbahnen 20 und 23
gegenüber der Siliziumscheibe 2.
In den Querstegen 12 der Siliziumscheibe 2 sind
stegparallel Nute 27 ausgebildet, die einerseits, ohne daß die
Siliziumscheibe 2 beim Vereinzeln mit einer Trennscheibe
angeschnitten wird, dem vollständigen Freischneiden der
Glasscheibe 4 dienen, andererseits den Vorteil einer sicheren
und toleranzausgleichenden Trennung zwischen den Bondflächen der
Querstege 12 und das Bonden verhindernden Zwischenschichten 28
bieten. Vorzugsweise greifen die Zwischenschichten 28, die
gleichzeitig mit dem Aufbringen der Anschlußkontakte 8, 9 und
10, der Leiterbahnen 20, 22 und 24 und der Gegenelektroden 18
auf der Glasscheibe 4 aufgebracht werden und im gewählten
Ausführungsbeispiel Aluminium darstellen, auch auf die
Längsstege 11 über, so daß innerhalb des
Glas-Silizium-Glas-Schichtpaketes die Anschlußkontakte 8, 9 und
10 eines jeden Beschleunigungssensors von einem zwischen der
betreffenden Glasscheibe und der Siliziumscheibe nicht
verbondeten, U-förmigen Bereich umgeben sind.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die
Siliziumblöcke 21 über in geeigneter Weise freigeätzte Arme 29
mit den Querstegen 12 verbunden sind. Diese Verbindung muß
derart gestaltet sein, daß sie beim Vereinzeln der
Beschleunigungssensoren bricht und somit die Siliziumblöcke 21
ausschließlich Leitungselemente zwischen den Gegenelektroden 19
und den Anschlußkontakten 10 darstellen.
Mit den in der Fig. 1 dargestellten Pfeilen - einer ist
mit S bezeichnet - sollen die Ebenen markiert sein, in denen
die Trennschnitte zum Vereinzeln der Beschleunigungssensoren
angebracht werden. In der Draufsicht Fig. 7 sowie der
Schnittdarstellung Fig. 5 sind mit 30 Trennschnitte bezeichnet,
mit welchen die Glasscheibe 4, wie bereits beschrieben,
vollständig durchschnitten ist. Im Gegensatz hierzu ist die
gegenüberliegende Glasscheibe 3 durch parallel zu den
Trennschnitten 30 verlaufende Trennschnitte 31 bis auf eine
Sollbruchstärke a eingeschnitten. Die Fig. 6, eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie E in Fig. 7, zeigt
quer zu den Trennschnitten 30 und 31 verlaufende und in die
Längsstege 11 eingreifende Trennschnitte 32 und 33.
Die Fig. 5 und 6 machen deutlich, daß beim Einschneiden
keine Verschmutzung der Beschleunigungssensoren erfolgen kann.
Erst beim nachfolgenden Abdrücken des Schichtpaketes auf einer
elastischen Unterlage, beispielsweise mittels einer kreuzweise
bewegten Walze, was ein Zerbrechen des Schichtpaketes 1 und
dabei ein Vereinzeln der Beschleunigungssensoren zur Folge hat,
werden die Anschlußkontakte des jeweiligen
Beschleunigungssensors freigelegt und die elektrische
Verbindung zwischen dem Anschlußkontakt 10 und der
Gegenelektrode 19 isoliert, aber auch die Freisparung 5, in
welcher sich der Biegeschwinger 7 befindet, über die
Ausparungen 25 und 26 nach außen geöffnet.
Die ergänzende Fig. 8 zeigt den vereinzelten
Beschleunigungssensor. Aus dieser Figur ist insbesondere die
Bedeutung der als Sperrschicht wirkenden Zwischenschicht im
Zusammenwirken mit der Nut 27 und dem vollständigen
Durchtrennen der Glasscheibe 4 zu erkennen. Ein leichtes
Verbiegen des Schichtpaketes genügt, um ein Brechen an den in
Fig. 8 schraffiert gezeichneten Sollbruchstellen zu erzielen
und gleichzeitig die Anschlußkontakte 8, 9 und 10 gut
zugänglich freizustellen.
Bei der beschriebenen Anordnung, bei der die
Sensorstrukturen in eine Richtung weisen, entsteht beim
Vereinzeln kein Abfall. Dafür weist aber jeder
Beschleunigungssensor einen Ansatz 34 auf, der ohne Funktion
ist, den Beschleunigungssensor somit unnötig verlängert. Dieser
Nachteil läßt sich vermeiden, wenn die Sensorstrukturen
sozusagen wechselständig einander gegenüberstehen. Allerdings
muß dann in Kauf genommen werden, daß beim Vereinzeln zwischen
zwei mit den Anschlußkontakten gegeneinander gewandten
Beschleunigungssensoren ein Abfallstück entsteht. Denkbar ist
ferner, daß die Anschlußkontakte der Gegenelektroden jeweils in
der gleichen Ebene ausgebildet sind. In diesem Falle wäre, wenn
das gleiche Vereinzelungsverfahren Anwendung finden soll, eine
wechselständige Anordnung der Sensorstrukturen erforderlich,
und es würde, wie im vorstehend beschriebenen Beispiel, beim
Vereinzeln ein Abfallstück entstehen. Diese Lösung ist jedoch
bezüglich des Anbondens der Leitungsdrähte weniger vorteilhaft.
Claims (9)
1. Verfahren zum Vereinzeln von als Differentialkondensatoren
ausgebildeten Beschleunigungssensoren aus vorzugsweise einem
Glas-Silizium-Glas-Schichtpaket, bei welchem die
scheibenförmige Siliziumschicht eine Gitterstruktur mit
freigesparten Biegeschwingern aufweist und die mit der
Siliziumscheibe verbondeten Glasscheiben den
plattenförmigen Massen der Biegeschwinger zugewandte, im
wesentlichen flächengleiche Metallschichten tragen, welche
mit vorzugsweise auf einer Glasscheibe aufgebrachten
Anschlußkontakten elektrisch leitend verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Glas-Silizium-Glas-Schichtpaket (1) kreuzweise eingeschnitten wird, wobei zum Freilegen der Anschlußkontakte (8, 9, 10) das Einschneiden wenigstens in der einen Richtung gegenseitig und in zwei parallelen Ebenen erfolgt und zwischen den als Auflage für die Glasscheiben (3, 4) dienenden Stegen (11, 12) der gitterförmigen Siliziumscheibe (2) und der Anschlußkontakte (8, 9, 10) tragenden Glasscheibe (4) vor dem Bonden wenigstens in einem Randbereich zwischen der äußeren Schnittebene (S) zum Freilegen der Anschlußkontakte (8, 9, 10) eines Beschleunigungssensors und den Anschlußkontakten (8, 9, 10) eine eine Bondverbindung verhindernde Zwischenschicht (28) vorgesehen wird und
daß das Schichtpaket (1) an den durch Einschneiden geschaffenen Sollbruchstellen gebrochen wird.
daß das Glas-Silizium-Glas-Schichtpaket (1) kreuzweise eingeschnitten wird, wobei zum Freilegen der Anschlußkontakte (8, 9, 10) das Einschneiden wenigstens in der einen Richtung gegenseitig und in zwei parallelen Ebenen erfolgt und zwischen den als Auflage für die Glasscheiben (3, 4) dienenden Stegen (11, 12) der gitterförmigen Siliziumscheibe (2) und der Anschlußkontakte (8, 9, 10) tragenden Glasscheibe (4) vor dem Bonden wenigstens in einem Randbereich zwischen der äußeren Schnittebene (S) zum Freilegen der Anschlußkontakte (8, 9, 10) eines Beschleunigungssensors und den Anschlußkontakten (8, 9, 10) eine eine Bondverbindung verhindernde Zwischenschicht (28) vorgesehen wird und
daß das Schichtpaket (1) an den durch Einschneiden geschaffenen Sollbruchstellen gebrochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (28) die Anschlußkontakte U-förmig
umgreifend zwischen den dem Freilegen der Anschlußkontakte
(8, 9, 10) dienenden Ebenen (5) der Trennschnitte (30, 31)
vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brechen des Schichtpaketes (1) durch Andrücken an
eine elastische Unterlage erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brechen des Schichtpaketes (1) durch Andrücken an
eine gewölbte Unterlage erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (28) eine Metallschicht darstellt,
welche gleichzeitig mit dem Metallisieren der die
Anschlußkontakte (8, 9, 10) tragenden Glasscheibe (4)
aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Ätzens der Siliziumscheibe (2) in der
jeweils äußeren Schnittebene (S) liegende, den Kontakt mit
der jeweiligen Zwischenschicht (28) begrenzende Nute (27)
ausgebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Freilegen der Anschlußkontakte (8, 9, 10) die eine
Glasscheibe (4) durchschnitten und die gegenüberliegende
Glasscheibe (3) bis auf eine Sollbruchstärke (a)
eingeschnitten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Anordnung der Anschlußkontakte (8, 9, 10) auf
ein und derselben Glasscheibe (4) für die jeweilige
elektrische Verbindung zwischen dem einen Anschlußkontakt
(10) und der nicht flächengleichen Gegenelektrode (19) eines
Beschleunigungssensors ein Siliziumblock (21) vorgesehen
ist, welcher unter Zwischenlage von von der Gegenelektrode
(19) und dem Anschlußkontakt (10) ausgehenden Leiterbahnen
(22, 23) beim Verbonden des Schichtpaktes (1) mit den
Glasscheiben (3, 4) verbondet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanische Verbindung (29) des Siliziumblocks (21)
mit der Siliziumscheibe (2) derart ausgebildet ist, daß sie
beim Vereinzeln der Beschleunigungssensoren bricht.
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