Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor. Die Erfindung betrifft ferner eine MEMS- Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor.

Stand der Technik

Mikromechanische Drucksensoren, bei denen eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, sind beispielsweise aus DE 10 2004 006 197 A1 bekannt.

Halbleiterwiderstände, die bei bekannten mikromechanischen Drucksensoren als mechanisch-elektrische Wandler verwendet werden, nehmen nicht nur den mechanischen Stress auf, der sich durch den Druckeinfluss auf die Membran ergibt, sondern auch Stress durch mechanische Störeinflüsse. Die beiden wichtigsten Störeinflüsse sind dabei folgende:

- Eingekoppelter Stress seitens der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) durch:

- Verformung der Leiterplatte, auf die der Sensor montiert ist

- Verformung des Gehäuses über Temperatur, z.B. durch Löten

- Temperaturverhalten eines verwendeten Klebers

- Intrinsischer Stress aus dem Sensorelement durch Temperaturverhalten von Deckschichten Teilweise sind die genannten Effekte durch einen geeigneten Abgleich zu beherrschen, zum Beispiel bei den dielektrischen Deckschichten. Der Einfluss der Metallisierung sowie des AVT-seitig eingekoppelten Stresses unterliegt einer erheblichen Abhängigkeit von einer Historie des Bauteils (z.B. aufgrund von Kriechen des Metalls, insbesondere beim/nach dem Löten). Dies kann nicht durch einen Abgleich vor Auslieferung der Bauelemente kompensiert werden.

DE 10 2015 1 16 353 A1 offenbart einen mikrointegrierten gekapselten MEMS- Sensor mit mechanischer Entkopplung und ein Herstellungsverfahren hierfür. Dabei wird der auf einem SOI-Substrat hergestellte Drucksensor von der

Rückseite durch Herausätzen der vergrabenen Oxidschicht, z.B. mittels HF- Gasphasenätzen freigestellt. Die Zuleitung des Ätzgases erfolgt dabei durch zuvor in das Silizium der Waferrückseite getrenchte Zugangslöcher. Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellverfahren für eine MEMS-Einrichtung eines mikromechanischen Drucksensors bereit zu stellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum

Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einem Siliziumsubstrat und einer darin ausgebildeten ersten Kavität unter einer Sensormembran;

- Aufbringen eines schichtförmigen Schutzelements auf dem MEMS-

Wafer; und

Freistellen eines Sensorkerns von der Rückseite her, wobei eine zweite Kavität zwischen dem Sensorkern und der Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgebildet wird, wobei die zweite Kavität mittels eines

Ätzprozesses, der mit definiert geänderten Ätzparametern durchgeführt wird, ausgebildet wird; und

Entfernen des schichtförmigen Schutzelements.

Auf diese Weise kann vorteilhaft eine stressentkoppelte MEMS-Einrichtung mit einem Drucksensorkern bereitgestellt werden. Ein für den mikromechanischen Drucksensor erforderliches elektronisches Bauelement (z.B. ein ASIC) kann prozesstechnisch unabhängig von der MEMS-Einrichtung hergestellt werden, wobei die beiden genannten Elemente in vielfältigen Kombinationen zu einem mikromechanischen Drucksensor assembliert werden können. Vorteilhaft ist dadurch eine große Designfreiheit für die Auslegung des mikromechanischen Drucksensors unterstützt.

Im Ergebnis wird auf diese Weise eine MEMS-Einrichtung mit einer allseitig freigestellten Drucksensormembran bereitgestellt, wodurch eine effiziente Stressentkopplungsstruktur realisiert ist. Durch eine Änderung eines Ätzregimes ist die Bereitstellung der dazu erforderlichen zweiten Kavität innerhalb des Siliziumsubstrats möglich. Fehlsignale des mikromechanischen Drucksensors können auf diese Weise stark reduziert werden, wodurch eine Betriebscharakteristik des Drucksensors verbessert ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer MEMS- Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor, aufweisend:

einen in einem Siliziumsubstrat ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran, wobei in der Sensormembran eine erste Kavität ausgebildet ist;

eine im Siliziumsubstrat oberhalb des Sensorkerns ausgebildete zweite Kavität;

wobei die zweite Kavität mittels eines Ätzprozesses erzeugt wurde, dessen Ätzparameter während des Ätzprozesses definiert geändert wurden.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor, dass das schichtformige Schutzelement ein Lack oder eine Folie ist. Auf diese Weise können vorteilhaft unterschiedliche Schutzelemente für das Verfahren verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zum Ausbilden der zweiten Kavität der Ätzprozess ein reaktiver lonen-Tiefätzprozess mit anisotropem Beginn und definiert isotroper Fortsetzung ist. Auf diese Weise werden an sich bekannte Ätzprozesse in vorteilhafter Weise zur Ausbildung der zweiten Kavität verwendet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zum Ausbilden der zweiten Kavität mittels eines senkrechten Ätzprozesses

Zugangsöffnungen im Siliziumsubstrat erzeugt werden, wobei der senkrechte Ätzprozess in einen seitlichen Ätzprozess geändert wird, wobei aus dem seitlichen Ätzprozess resultierende kugelförmige Ätzfronten zusammenwachsen. Dadurch werden auf vorteilhafte Weise spezifische Eigenschaften von an sich bekannten Ätzprozessen zur Bereitstellung der zweiten Kavität ausgenutzt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem reaktiven lonen-Tiefätzprozesses ein Passivier- und Sputter- Anteil des Ätzprozesses abgeschaltet wird. Dadurch werden auf wirkungsvolle Weise Maßnahmen zur Anpassung von an sich bekannten Ätzprozessen zur Schaffung der zweiten Kavität getroffen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der gesamte Ätzprozess von Beginn an definiert isotrop ausgebildet ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine alternative Herstellungsmethode bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels des Ätzprozesses von Beginn an nach unten aufweitende, trapezartige Ätzfronten ausgebildet werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein nach unten ausgebildetes trapezförmig aufweitendes Ätzregime bereitgestellt, wodurch vorteilhaft ein Einführen von Ätzgas erleichtert ist. Zudem können dadurch Ätzzeiten reduziert und der gesamte Prozess besser kontrolliert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind. Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen der MEMS-Einrichtung ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Schnittansicht der vorgeschlagenen

MEMS-Einrichtung;

Fig. 2...4 Querschnittsansichten zur Erläuterung des vorgeschlagenen

Verfahrens zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen mikromechanischen Drucksensor mit der vorgeschlagenen MEMS-Einrichtung;

Fig. 6..7 Querschnittsansichten durch zwei mikromechanische Drucksensoren mit der vorgeschlagenen MEMS-Einrichtung; und

Fig. 8 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines

Verfahrens zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für eine MEMS-Einrichtung eines mikromechanischen Drucksensors. Dazu wird ein spezifisch ausgebildetes Ätzverfahren vorgeschlagen, welches mit einem einfachen, kostengünstigen Si-Substrat durchgeführt werden kann. Erreicht wird auf diese Weise eine effiziente Stressentkopplungsstruktur. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Sensormembran 12 der MEMS-Einrichtung 100 bzw. eine Schnittansicht durch die MEMS-Einrichtung 100. Man erkennt, dass die Sensormembran 12 vom restlichen Substrat durch Gräben 14 beabstandet ist, wobei dadurch Silizium-Stege in Form von Federelementen 19 gebildet werden, die den Drucksensorkern vom restlichen Substrat entkoppeln.

Die Federelemente 19 dienen für eine mechanische Fixierung und eine elektrische Kontaktierung des Sensorkerns mit der Sensormembran 12. Die Federelemente 19 können zu diesem Zweck vorteilhaft genutzt werden, um elektrische Leiterbahnen 21 zu führen, mit denen elektrische Signale von

Piezoresistoren 22, die eine Verformung der Sensormembran 12 erfassen, an ein elektronisches Bauelement (nicht dargestellt) abzuführen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines MEMS-Wafers 10 mit einem

Siliziumsubstrat 1 1 , auf dem eine dielektrische Deckschicht 15 angeordnet ist.

Innerhalb des Siliziumsubstrats 1 1 sind erste Zugangsöffnungen 14 und ferner eine erste Kavität 13 („Vakuumreferenzkaverne") ausgebildet. Unterhalb der ersten Kavität 13 ist Bulk-Silizium 13a erkennbar. Auf ein Metallisierungselement 16 wird, wie bei Fig. 3 erläutert, ein schichtförmiges Schutzelement 20 aufgebracht.

Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 2 um 180 Grad verdreht, wobei auf den MEMS-Wafer 10 nunmehr ein Vorderseitenschutz in Form eines schichtförmigen Schutzelements 20 aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt ist. Das schichtformige Schutzelement 20 kann dabei als eine auf den MEMS-Wafer 10 aufgebrachte

Lackschicht oder als eine auf den MEMS-Wafer 10 auflaminierte Folie ausgebildet sein. Der MEMS-Wafer 10 wird in dieser Konfiguration rückgedünnt (z. B. durch Schleifen), um die Bearbeitungszeit im darauffolgenden

Strukturierungsschritt zu verkürzen und um die Bauteilhöhe zu reduzieren.

In einem darauffolgenden Bearbeitungsschritt wird mittels Fotolithografie ein Lochmuster im Siliziumsubstrat 1 1 erzeugt. Das Siliziumsubstrat 1 1 wird unter Verwendung des Lochmusters geätzt, vorzugweise mittels eines senkrechten bzw. anisotropen Ätzprozesses, vorzugsweise in Form eines reaktiven lonen- tiefätzens (engl, deep reactive ion etching, DRIE). Dadurch werden zweite

Zugangsöffnungen 17 im Siliziumsubstrat 1 1 ausgebildet. Die Ätzung der zweiten Zugangsöffnungen 17 stoppt im Bulk-Silizium 13a des Siliziumsubstrats 1 1 . Dieser Strukturierungsschritt kann auch verwendet werden, um in anderen Bereichen großflächige Ätzlöcher (nicht dargestellt) zu erzeugen, die zum Beispiel einen Zugang zu Bondbereichen (engl, bondlands) oder Sägegräben schaffen.

Im weiteren Ablauf wird durch ein Ausschalten des Passivier- und Sputteranteils im genannten DRIE-Ätzprozess mit einer ungerichteten bzw. isotropen Weiterätzung am Grund der zweiten Zugangsöffnungen 17 eine Unterätzung erreicht. Aus einem Bereich mit Sacklöchern wird auf diese Weise ein freistehendes Gitter ohne mechanischen Kontakt zum Sensorkern erzeugt. In diesem Schritt kann ein Drahtbond- bzw. Sägegrabenbereich freigeätzt werden.

Fig. 4 zeigt ein Ergebnis des erläuterten, geänderten Ätzregimes während der Ausbildung der zweiten Zugangsöffnungen 17. Man erkennt, dass aufgrund der geänderten Ätzparameter im Siliziumsubstrat 1 1 nunmehr kugelförmige

Ätzfronten zusammengewachsen sind und auf diese Weise eine zweite Kavität 18 bilden. Die zweite Kavität 18 wird durch ein Gitter, das im Siliziumsubstrat 1 1 durch die ersten Zugangsöffnungen 17 gebildet wurde, vom restlichen Substrat getrennt. Der Drucksensorkern ist auf diese Weise mittels Federelementen 19 (nicht dargestellt), auf denen elektrische Leiterbahnen 21 geführt sind, an das restliche Substrat angebunden.

Im Ergebnis ist damit durch die nunmehr durchgängigen ersten Zugangsöffnungen 14, die zweite Kavität 18 und die durchgängigen zweiten Zugangsöffnungen 17 für die Sensormembran 12 eine allseitige Freistellung und damit eine mechanische Entkopplungsstruktur gegen extern einwirkenden mechanischen Stress geschaffen. Dadurch wird, abgesehen von elektrischen Zugängen und einer mechanischen Fixierung des Drucksensorkerns, eine allseitige mechanische Entkopplung des Drucksensorkerns geschaffen, um auf vorteilhafte Weise mechanische Einflüsse vom Chiprand auf den Drucksensorkern zu minimieren.

Auf einfache Weise wurde damit der für die genannte Struktur erforderliche Hohlraum in Form der zweiten Kavität 18 mittels eines Ätzprozesses mit während der Durchführung geänderten Ätzparametern bereitgestellt. Erkennbar ist, dass innerhalb der zweiten Kavität 18 als Folge der isotropen Ätzphase teilsphärische Flächen ausgebildet sind.

Denkbar ist auch, dass die MEMS-Einrichtung 100 für einen mikromechanischen Drucksensor 200 nach einem alternativen Verfahren hergestellt wird. In diesem

Fall werden die zweiten Zugangsöffnungen 17 mit gleichmäßig aufweitenden Ätzfronten ausgebildet, die sich trapezartig von der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 1 nach unten aufweiten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der oben genannte DRIE-Prozess derart gesteuert wird, dass einzelne Ätzfronten, die durch die zweiten Zugangsöffnungen 17 auf der Substratrückseite definiert sind, im Verlaufe des Prozesses zusammenlaufen und als eine einheitliche Ätzfront den Drucksensorkern von der Rück- bzw. Oberseite des Siliziumsubstrats 1 1 trennen (nicht in Figuren dargestellt). Im Ergebnis ist somit die zweite Kavität 18 gegen die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 1 und seitlich hin aus den trapezförmigen Ätzfronten gebildet. Im Ergebnis können auf diese Weise Ätzgase leichter eingeführt werden und der gesamte Ätzprozess ist vorteilhaft gut steuerbar. Fig. 4 zeigt die Anordnung mit dem gegenüber Fig. 3 entfernten schichtartigen

Schutzelement 20, wodurch im Ergebnis eine fertige MEMS-Einrichtung 100 bereitgestellt wird, die im weiteren z.B. mit einem ASIC 40 oder einem sonstigen elektronischen Bauelement zu einem mikromechanischen Drucksensor 200 kombiniert werden kann. Vorteilhaft ist dadurch ermöglicht, dass der Fertigungs- prozess der MEMS-Einrichtung 100 völlig separiert und getrennt von einem

Fertigungsprozess des ASIC 40 durchgeführt werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, für eine Prozessierung der MEMS-Einrichtung 100 den MEMS- Wafer 10 mit einem ASIC-Wafer eutektisch zu bonden. Die Figuren 5 bis 7 zeigen zwei Varianten von mikromechanischen Drucksensoren 200, die mit der vorgeschlagenen MEMS-Einrichtung 100 realisierbar sind.

Fig. 5 zeigt eine fotografische Draufsicht eines mikromechanischen Drucksensors 200, wobei die MEMS-Einrichtung 100 mittels Bonddrähten 30 in einer Nebeneinander-Anordnung (engl, side-by-side) mit einem ASIC 40 elektrisch kontaktiert ist, wobei sowohl die MEMS-Einrichtung 100 als auch der ASIC 40 auf einem Substrat 50 angeordnet sind. Dabei ist die MEMS-Einrichtung 100 mittels wenigstens eines Bonddrahts 30 elektrisch mit dem ASIC 40 verbunden und der ASIC 40 ist mittels wenigstens eines Bonddrahts 30 elektrisch mit dem Substrat 50 verbunden. Eingeschlossen wird die gesamte Anordnung von einem Gehäuse 60, in welchem eine Zugangsöffnung 61 ausgebildet ist, durch die ein Medium für die MEMS-Einrichtung 100 des Drucksensors 200 zuführbar ist.

Fig. 6 zeigt den mikromechanischen Drucksensor 200 von Fig. 5 in einer Querschnittsansicht in einer um 180 verdrehten Ausrichtung.

Fig. 7 zeigt eine weitere Variante eines mikromechanischen Drucksensors 200, der mit der vorgeschlagenen MEMS-Einrichtung 100 realisierbar ist, in einer Querschnittsansicht. In diesem Fall ist die MEMS-Einrichtung 100 in einer gestapelten Anordung (engl, stacked) mit dem ASIC 40 verklebt, wobei die Schaltungsstrukturen aufweisende Unterseite des ASIC 40 mittels einer Flip- Chip-Verbindung 70 elektrisch mit dem Substrat 50 verbunden ist.

Auf diese Weise kann vorteilhaft eine platzsparende Variante des mikromechanischen Drucksensors 200 realisiert werden. In dieser Variante ist vorgesehen, dass die MEMS-Einrichtung 100 mittels wenigstens eines

Bonddrahts 30 elektrisch direkt mit dem Substrat 50 verbunden ist.

Vorzugweise wird der mikromechanische Drucksensor 200 als ein piezoresistiver Drucksensor ausgebildet, denkbar ist aber auch eine Realisierung als kapazitiver mikromechanischer Drucksensor.

Fig. 8 zeigt einen zeitlichen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer MEMS-Einrichtung 100 für einen mikromechanischen Drucksensor 200.

In einem Schritt 300 wird Bereitstellen eines MEMS-Wafers 10 mit einem Siliziumsubstrat 1 1 und einer darin ausgebildeten ersten Kavität 13 unter einer Sensormembran 12 durchgeführt.

In einem Schritt 310 wird ein Aufbringen eines schichtförmigen Schutzelements 20 auf dem MEMS-Wafer 10 durchgeführt. ln einem Schritt 320 wird ein Freistellen eines Sensorkerns 12, 13, 13a von der Rückseite her durchgeführt, wobei eine zweite Kavität 18 zwischen dem Sensorkern 12, 13, 13a und der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 1 ausgebildet wird, wobei die zweite Kavität 18 mittels eines Ätzprozesses, der mit definiert geänderten Ätzparametern durchgeführt wird, ausgebildet wird.

Schließlich wird in einem Schritt 330 das schichtförmige Schutzelement 20 entfernt. Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum

Herstellen einer MEMS-Einrichtung für einen mikromechanischen Drucksensor vorgeschlagen, mit dem auf kostengünstige und flexible Weise eine stressentkoppelte Druckerfassungsstruktur bereitstellbar ist. Erreicht wird dies durch eine Änderung eines Ätzregimes bei einer Ausbildung einer zweiten Kavität innerhalb des ersten Wafers oberhalb der Drucksensormembran, wobei beim Ausbilden der MEMS-Einrichtung temporär ein schichtformiges Schutzelement aufgebracht ist, wodurch die Prozessierung der MEMS-Einrichtung auf einfache Weise durchgeführt werden kann. Aufgrund der Entkopplung von einem zweiten Wafer unter Beibehaltung der allseitig freigestellten Drucksensormembran bietet sich eine Vielzahl alternativer AVT-Methoden (Aufbau- und Verbindungstechnik). Insbesondere kann die MEMS-Einrichtung unabhängig von einem zweiten Wafer (z.B. ein ASIC-Wafer) entworfen werden. Aufgrund der allseitig freigestellten Drucksensormembran lässt sich die MEMS-Einrichtung kostengünstiger in die AVT integrieren, zum

Beispiel mit einer harten Klebung durch einen Die-Attach-Film.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom

Kern der Erfindung abzuweichen.