Mikromechanischer Drucksensor sowie Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Drucksensors

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor ein Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Drucksensors.

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 AI bekannt.

Neuerdings findet für die Sensorkerne solcher Drucksensoren eine

Stressentkopplung im M EMS statt, die den MEMS vom Stress des Packages und des PCBs entkoppelt. Wird hier eine geeignete Prozessführung mit nur kleinen Zugangslöchern auf einer Substratrückseite gewählt, so wird eine ganzflächige Öffnung der Substratrückseite vermieden, und eine Verkappung des

Drucksensors kann unterbleiben.

Die DE 10 2015 116 353 AI zeigt beispielsweise einen mikrointegrierten gekapselten MEMS mit mechanischer Entkopplung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beim Molden eines solchen MEMS wird der MEMS zusammen mit einem ASIC und dem Substrat so eingemoldet, dass die Moldmasse auf einer vom ASIC abgewandten Seite des MEMS einen Moldüberstand aufweist, der den M EMS auf dem ASIC fixiert.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart einen mikromechanischen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine mikromechanische Drucksensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Drucksensors gemäß Patentanspruch 12. Demgemäß sind vorgesehen: ein mikromechanischer Drucksensor, aufweisend einen in einem Siliziumsubstrat in einem drucksensitiven Bereich ausgebildeten Sensorkern mit einer

Sensormembran, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität in dem

Siliziumsubstrat ausgebildet ist; eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche des

Siliziumsubstrat und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität, wobei von der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgehende Zugangslöcher mit der zweiten Kavität verbunden sind; und mindestens eine von der rückseitigen Oberfläche ausgehende Verankerungsvertiefung in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des Siliziumsubstrats ausgebildet ist, wobei die Verankerungsvertiefung so ausgebildet ist, dass eine Moldmasse in die Verankerungsvertiefung fließen kann; eine mikromechanischer Drucksensoranordnung umfassend einen

mikromechanischen Drucksensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einen ASIC, wobei der ASIC in dem Verankerungsbereich an eine der rückseitigen Oberfläche gegenüberliegenden vorderseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensor gebondet ist; ein Package-Substrat und Mold, wobei der mikromechanische Drucksensor und der ASIC gemeinsam

eingemoldet sind und die Moldmasse mittels der Verankerungsvertiefung mit dem mikromechanischen Drucksensor verzahnt ist; ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einem

Siliziumsubstrat und einem in dem Siliziumsubstrat in einem drucksensitiven

Bereich des MEMS-Wafers ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität ausgebildet ist; Bereitstellen eines weiteren Wafers; Bonden des MEMS-Wafers mit dem weiteren Wafer an einer vorderseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des MEMS-Wafers; Ätzen des MEMS-Wafers von einer der vorderseitigen Oberfläche gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers, wobei beim Ätzen eine zweite Kavität in dem drucksensitiven Bereich ausgebildet wird, die den Sensorkern freistellt, und wobei in dem Verankerungsbereich mindestens eine

Verankerungsvertiefung ausgebildet wird; und Einmolden des MEMS-Wafers gemeinsam mit dem weiteren Wafer unter Verwendung eines Molds, wobei die Moldmasse in die Verankerungsvertiefung greift und so die Moldmasse mit dem MEMS-Wafer verzahnt.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es bei stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensoranordnungen mit einem Moldüberstand auf einer rückseitigen Oberfläche eines

mikromechanischen Drucksensors der mikromechanischen

Drucksensoranordnung zu einer Delamination des Moldüberstands kommen kann, was zu Ausfällen bei den mikromechanischen Drucksensoranordnungen führen kann.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine mikromechanische

Drucksensoranordnung so zu gestalten, dass der Moldüberstand besser an dem mikromechanischen Drucksensor haftet und so eine Delamination verhindert wird. Dazu werden auf einer rückseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors Verankerungsvertiefungen vorgesehen, die die Haftung des Moldmasse auf der rückseitigen Oberfläche erhöhen. Zusätzlichen Kosten entstehen durch das Ausbilden der Verankerungsvertiefungen nicht, da das Ausbilden der Verankerungsvertiefungen im gleichen Schritt wie das Ausbilden von Zugangslöchern zur Stressentkopplung der mikromechanischen

Drucksensoren erfolgt.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Eine Ausführungsform umfasst mindestens zwei Verankerungsvertiefungen. Durch die Ausbildung einer Vielzahl von Verankerungsvertiefungen wird eine Verzahnung des Molds mit der rückseitigen Oberfläche verbessert, außerdem verhindern viele Verankerungsvertiefungen ein Fließen des Molds in die

Zugangslöcher.

In einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats miteinander verbunden. Eine Verbindung der Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats erhöht eine Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Mold.

In einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats nicht miteinander verbunden, wodurch eine mechanische Stabilität des mikromechanischen Drucksensors erhöht wird.

In einer weiteren Ausführungsform reicht die Verankerungsvertiefung von der rückseitigen Oberfläche tiefer in das Siliziumsubstrat als die zweite Kavität, wodurch mehr Moldmasse in die Verankerungsvertiefungen fließen kann, was wiederum die Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Moldmasse erhöht.

In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Verankerungsvertiefungen in der Tiefe lediglich bis in einen Bereich zwischen der rückseitigen Oberfläche und der zweiten Kavität. Beispielsweise bilden sie an der rückseitigen Oberfläche Mulden. Diese oberflächlich gebildet Mulden rauen die rückseitige Oberfläche an und erhöhen so eine Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Moldmasse gegenüber einer glatten rückseitigen Oberflächen und verhindern so ein Peal-Off des Molds von der rückseitigen Oberfläche. In einer weiteren Ausführungsform ist die Verankerungsvertiefung als um den drucksensitiven Bereich umlaufender Auffanggraben ausgebildet, wodurch ein Fließen des Molds in den drucksensitiven Bereich und damit in die Zuganglöcher verhindert wird. In einer weiteren Ausführungsform ist eine mikromechanische Drucksensoranordnung mit einem um den drucksensitiven Bereich umlaufenden Auffanggraben ausgebildet und auf der rückseitigen Oberfläche ist eine Film- Abdeckung vorgesehen. Die Film-Abdeckung und der Auffanggraben verhindert ein Fließen der Moldmasse in die Zugangslöcher, außerdem schützt die Film- Abdeckung die rückseitige Oberfläche mechanisch.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Moldmasse ein Spritzguss, der auf der rückseitigen Oberfläche zumindest teilweise im Verankerungsbereich

vorgesehen ist und in dem drucksensitiven Bereich zumindest teilweise fehlt. Diese Ausführungsform erreicht eine verbesserte Sensitivität.

In einer weiteren Ausführungsform reicht die Verankerungsvertiefung bis in den ASIC, dies erhöht die Haftung der Moldmasse auf dem mikromechanischen Sensor weiter.

In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Einmolden ein Aufbringen einer Film-Abdeckung auf der rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers beinhalten. Durch die Verwendung einer Film-Abdeckung ist es nicht mehr notwendig, während des Moldens für jede Sensor-Einheit einen individuellen Stempel zur Verfügung zu stellen. Darüber benötigt ein Filmmolden einen niedrigeren

Anpressdruck, weshalb ein Risiko eines Zerbrechens eines Gitters, das von den Zugangslöchern gebildet wird, verhindert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 3 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen

Drucksensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine rückseitige Oberfläche eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 6 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 7 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 8 ein prinzipielles Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Drucksensoranordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere

Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen Drucksensors 10, der über Bondbereiche 20 an einer Metallisierung 15 auf einen weiteren Wafer 30 gebondet ist. Der weitere Wafer 30 ist hier ein ASIC-Wafer mit einer elektronischen Funktionsschicht 32 und einer Substratschicht 31, kann alternativ aber auch ein passiver Substratwafer sein.

Der mikromechanische Drucksensor 10 weist ein Siliziumsubstrat 11 auf, in dem in einem drucksensitiven Bereich A ein Sensorkern ausgebildet ist. Der

Sensorkern umfasst eine Sensormembran 12, sowie eine an der

Sensormembran 12 ausgebildete erste Kavität 13. Weiter weist der

mikromechanische Drucksensor im drucksensitiven Bereich A eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität 18 auf, wobei von der rückseitigen Oberfläche ausgehende Zugangslöcher 17 über Durchgänge 14, die um Substratbereiche 19 herum gebildet sind, mit der Sensormembran 12 fluidmäßig verbunden sind.

Weiter weist der mikromechanische Drucksensor 10 einen den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich B auf. In dem

Verankerungsbereich B sind Verankerungsvertiefungen 16 ausgebildet. Die Verankerungsvertiefungen 16 können z.B. aus einem oberen, z.B. linearen Abschnitt 16A und einem unteren Kammerabschnitt 16B bestehen. Ein

Durchmesser d des linearen Abschnitts 16A der Verankerungsvertiefungen 16 wird so gewählt, dass eine Moldmasse 50 in die linearen Abschnitte 16A hineinfließen kann. Der Durchmesser d ist beispielsweise größer als 8 μηη. Wird der Durchmesser d so gewählt, dass er größer ist als ein Durchmesser der Zugangslöcher 17, dann werden die Verankerungsvertiefungen 16 tiefer getrencht als die Zugangslöcher 17, dies führt zu einer besseren Verzahnung der Moldmasse 50 mit dem Siliziumsubstrat 11. Andererseits darf der Durchmesser d aber auch nicht zu groß gewählt werden, da die Verankerungsvertiefungen 16 sonst zu schnell ätzen und so zu wenig Prozesszeit für das Ätzen der

Zugangslöcher 17 zur Verfügung stehen würde.

Ein Abstand a zwischen den Verankerungsvertiefungen 16 kann so gewählt werden, dass sich die in einem Freistellungsschritt zum Ausbilden der zweiten Kavität 18 bildenden Kammerabschnitte 16B benachbarter

Verankerungsvertiefungen 16A miteinander verbinden. So kann eine größere Menge an Moldmasse 50 in die Verankerungsvertiefungen 16 hineinfließen. Dies führt zu einer Erhöhung einer Haftung zwischen der Moldmasse 50 und dem mikromechanischen Drucksensor 10, während andererseits eine mechanische Stabilität des mikromechanischen Drucksensors 10 sinkt. Die Moldmasse 50 kann zum Angleichen eines Ausdehnungskoeffizienten der Moldmasse 50 an den Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumsubstrats 11 des mikromechanischen Drucksensors 10 mit Kügelchen aus Siliziumoxid als Füllmasse versehen werden.

Alternativ kann der Abstand a zwischen den Verankerungsvertiefungen 16 auch so gewählt werden, dass die Kammerabschnitte 16B sich beim

Freistellungsschritt nicht verbinden. Dies erhöht eine mechanische Stabilität des Siliziumsubstrats 11 des mikromechanischen Drucksensors 10.

Figur 2 zeigt einen mikromechanischen Drucksensor 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform, in dem die Verankerungsvertiefungen 16 tiefer in das

Siliziumsubstrat 11 reichen als die zweite Kavität 18. Darüber hinaus ist der Abstand a zwischen benachbarten Verankerungsvertiefungen 16 so gewählt, dass sich die Kammerabschnitte 16B der benachbarten

Verankerungsvertiefungen 16 nicht miteinander verbinden.

Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 10. Hier wird ein Durchmesser d der oberen Abschnitte 16A entweder so klein gewählt, dass die oberen Abschnitte 16A nur sehr flach in das Siliziumsubstrat reichen und bei einem rückseitigen Dünnen des Siliziumsubstrats 11 vollständig entfernt werden, oder, falls ein Dünnen nicht durchgeführt wird, werden die Kammerabschnitte 16B ausgebildet, so dass in einem fertigen

mikromechanischen Drucksensor gemäß der dritten Ausführungsform lediglich die Kammerabschnitte 16B an der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 ausgebildet sind und dort z.B. halbkugelförmige Mulden bilden. Die sich daraus ausbildende rückseitige Oberfläche stellt somit eine angeraute

Oberfläche mit einer Vielzahl oberflächlichen Mulden dar. Die dritte

Ausführungsform mit der angerauten Oberfläche erlaubt eine bessere Haftung des Molds 50 gegenüber einer glatten rückseitigen Oberfläche. Darüber hinaus weist die dritte Ausführungsform gegenüber der ersten und der zweiten

Ausführungsform eine erhöhte mechanische Stabilität auf. Figur 4 zeigt schematische Darstellung einer mikromechanische Drucksensoranordnung 100 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die mikromechanische Drucksensoranordnung weist neben dem mikromechanischen Drucksensor 10 einen ASIC 30 auf, der auf einem Packagesubstrat 60 angeordnet ist. Ein Wirebonddraht 40 ist mit einem Kontakt (nicht gezeichnet) auf dem Packagesubstrat 60 verbunden. Der mikromechanische Drucksensor 10 kann jeder der mikromechanischen

Drucksensoren 10 der vorherigen ersten bis dritten Ausführungsformen sein. Die Moldmasse 50 ist mittels der Verankerungsvertiefungen 16 mit dem

mikromechanischen Drucksensor 10 verzahnt. Die Verzahnung verhindert ein Peal-Off des Molds 50 an der rückseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors 10. Alternativ zur Ausführungsform in Figur 4 können die

Verankerungsvertiefungen 16 auch bis in den ASIC 30 reichen.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine rückseitige Oberfläche eines

mikromechanischen Drucksensors 10 gemäß einer fünften Ausführungsform. Im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsformen sind die

Verankerungsvertiefungen 16 nicht als Löcher, sondern als umlaufende

Auffanggräben 16 ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform sind in einer Richtung von innen nach außen zwei umlaufende Auffanggräben 16 ausgebildet. Genauso gut kann aber auch nur ein Auffanggraben 16 ausgebildet sein.

Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine mikromechanische Drucksensoranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform mit einem mikromechanischen

Drucksensor 10 gemäß der vierten Ausführungsform. Auf die rückseitige

Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors wird eine Film-Abdeckung 55 gepresst. Nachdem die Film-Abdeckung 55 an die rückseitige Oberfläche gepresst wurde, wird die mikromechanische Drucksensoranordnung 100 mit einer Moldmasse 50 eingemoldet. Dabei verhindert die Film-Abdeckung 55 ein Benetzen der rückseitigen Oberfläche mit dem Moldmasse 50. Lokal kann es beim Einmolden mit der Moldmasse 50 am Rand des mikromechanischen Drucksensors 10 zu einem Anheben der Film-Abdeckung 55 kommen, wobei die Moldmasse 50 dann in dem Verankerungsbereich in die

Verankerungsvertiefungen 16 fließt, die ein weiteres Fließen der Moldmasse z.B. bis zu den Zugangslöchern verhindern, wie in Figur 7 gezeigt. Nach dem

Moldprozess kann die Film-Abdeckung 55 entfernt werden.

Ist die Film-Abdeckung 55 eine wasserdichte, diffusionsoffene Membran, wie z.B. GoreTex oder Du Pont™ Tyvek ® Supro, kann die Film-Abdeckung

vorteilhafterweise nach dem Molden über den Zugangslöchern 17 verbleiben, so dass sie diese wasserdicht abdeckt, dabei aber weiterhin einen

Luft(druck)austausch durch Zugangslöcher 17 und durch die zweite Kaverne 18 hin zur Sensormembran 12 gewährleistet.

Alternativ zur sechsten Ausführungsform kann ein mikromechanischer

Drucksensor 10 wie in Figur 4 gezeigt ohne Verwendung einer Film-Abdeckung und unter Verwendung eines Stempel eingemoldet werden.

Figur 8 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Drucksensoranordnung 100 gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen. In einem Schritt 200 wird ein MEMS-Wafer mit einem Siliziumsubstrat und einem in dem Siliziumsubstrat in einem

drucksensitiven Bereich des MEMS-Wafers ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran bereitgestellt, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität ausgebildet ist. In einem Schritt 210 wird ein weiterer Wafer bereitgestellt, wobei der weitere Wafer beispielsweise ein ASIC-Wafer 30 ist.

In einem Schritt 210 wird der MEMS-Wafer an einer vorderseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des MEMS-Wafers an den weiteren Wafer gebondet.

In einem Schritt 220 wird der MEMS-Wafer von einer der vorderseitigen

Oberfläche gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers 20 geätzt, wobei beim Ätzen eine zweite Kavität in dem drucksensitiven Bereich ausgebildet wird, die den Sensorkern freistellt, und wobei in dem

Verankerungsbereich mindestens eine Verankerungsvertiefung 16 ausgebildet wird. Der Ätzprozess gemäß Schritt 220 kann beispielsweise ein zweistufiger Ätzprozess sein, in dem zunächst in einem anisotropen Ätzprozess die linearen oberen Abschnitte 16A und anschließend in einem isotropen Ätzprozess die Kammerabschnitte 16B gebildet werden. Alternativ kann aber auch ein einstufiges Verfahren verwendet werden, in denen trapezförmige Vertiefungen gebildet werden, die dann in ausreichender Tiefe die zweite Kavität 18 bilden.

In einem Schritt 230 wird der MEMS-Wafer gemeinsam mit dem weiteren Wafer und einem Packagesubstrat unter Verwendung eines Molds eingemoldet, wobei die Moldmasse in die Verankerungsvertiefungen greift und so die Moldmasse mit dem MEMS-Wafer verzahnt. Der Schritt 230 kann zusätzlich noch ein Aufbringen einer Film-Abdeckung 55 auf der rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers beinhalten, wobei die Film-Abdeckung 55 während des Schritts 230 ein Fließen der Moldmasse 50 in die Zuganglöcher 17 verhindert. Alternativ kann der Schritt 230 unter Verwendung eines Stempels durchgeführt werden, in diesem Fall verhindert der in dem drucksensitiven Bereich des MEMS-Wafers an der rückseitigen Oberfläche anliegender Stempel ein Fließen der Moldmasse in die Zugangslöcher 17.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.