Titel

Verfahren zum Herstellen einer dreidimensional stressentkoppelten

Substratanordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer

stressentkoppelten Substratanordnung für einen mikromechanischen Sensor, eine Substratanordnung sowie einen Sensor mit einer derartigen

Substratanordnung.

Stand der Technik

Es sind Drucksensoren bekannt, welche einen drucksensitiven Sensorabschnitt aufweisen. Die drucksensitiven Sensorabschnitte werden zunehmend mittels einer federnden Anordnung vom restlichen Abschnitt des Sensors mechanisch entkoppelt. Ein solcher Aufbau kann als ein stressentkoppelter Drucksensor bezeichnet werden. Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress setzen, sind beispielsweise mechanische Verspannungen während der Herstellung, unterschiedliche Materialien im Aufbau mit

unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie Lötverbindung des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte. Ein derartiger

Drucksensor ist aus der DE 10 2017 203 384 B3 bekannt.

Die bisherigen Drucksensoren bzw. stressentkoppelte Sensoren müssen bei der Herstellung sowohl von einer Vorderseite als auch einer Rückseite aus bearbeitet werden. Insbesondere können sogenannte Rückseitenprozesse die Herstellung der Sensoren erschweren.

Offenbarung der Erfindung Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Herstellungsverfahren und eine verbesserte Substratanordnung vorzuschlagen, welche die Nutzung von Rückseitenprozessen vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen und gehen aus der Beschreibung hervor.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung für einen mikromechanischen Sensor bereitgestellt. In einem Schritt wird ein waferförmiges Substrat mit einer vergrabenen Kavität bereitgestellt. Die vergrabene Kavität kann in Form eines Hohlraums ausgestaltet sein. Anschließend wird mindestens eine Sensorstruktur zum Ausbilden eines Sensors auf einer Vorderseite des Substrats aufgebracht. Die Sensorstruktur wird beispielsweise seitlich durch vorderseitigen

Materialabtrag des Substrats bis zur vergrabenen Kavität zumindest

bereichsweise freigestellt. Durch die seitliche Freistellung der Sensorstruktur kann aufgrund der Kavität gleichzeitig eine rückseitige Freistellung erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Substratanordnung zum Ausbilden von mindestens einem mikromechanischen Sensor bereitgestellt. Die Anordnung weist einen Substratabschnitt mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf, wobei der Substratabschnitt eine zwischen der Vorderseite und der Rückseite angeordnete Kavität aufweist. Des Weiteren weist die Anordnung eine Sensorstruktur auf, welche auf der Vorderseite angeordnet ist und seitwärts durch mindestens einen in die Vorderseite eingebrachten Trenchgraben freigestellt ist. Der mindestens eine Trenchgraben stellt eine fluidleitende Verbindung zwischen der Vorderseite des Substratabschnitts und/oder der Sensorstruktur und der Kavität her, wobei der mindestens eine Trenchgraben als eine mechanische Feder geformt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, welcher eine erfindungsgemäße Substratanordnung aufweist. Rückseitenprozesse führen bei der Entwicklung und Fertigung zu zusätzlichem Aufwand. Dieser zeichnet sich beispielsweise durch zusätzliche Schritte zum Schutz der auf der Vorderseite des Substrats befindlichen Sensorstruktur oder zur Vermeidung von Leckpfaden von der Rückseite des Substrats zur

Vorderseite bei dafür kritischen Prozessen aus. Derartige Schutzmaßnahmen müssen insbesondere bei Trench-Prozessen getroffen werden. Ferner können sogenannte Handling-Schritte auf der empfindlichen Sensorstruktur auf der Vorderseite des Substrats zusätzlich zu dem erhöhten Aufwand auch in einem erhöhten Ausbeuteverlust resultieren.

Durch das Verfahren kann ein Prozessfluss zur Realisierung einer Substrat anordnung umgesetzt werden, welche als Basis für einen stressentkoppelten Sensor, wie beispielsweise einem Drucksensor, dienen kann. Die allseitige Freistellung bzw. die sogenannte dreidimensionale Stressentkopplung des für den Sensor relevanten Sensorabschnitts kann hier ohne die Verwendung von Rückseiten-Prozessen erfolgen.

Bei dem Verfahren wird in einer möglichen Umsetzungsform zunächst in einem waferförmigen Substrat, wie beispielsweise einem Siliziumwafer, eine

vergrabene Kavität zur späteren rückseitigen Freistellung ausgebildet. Die vergrabene Kavität kann beispielsweise in einem sogenannten APSM (Advanced Porous Silicon Membrane)-Prozess erzeugt werden. Die vergrabene Kavität ist vorzugsweise zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des Substrats angelegt.

Nach einer Ausbildung der vergrabenen Kavität in dem waferförmigen Substrat kann, auf der nun wieder komplett geschlossenen vorderseitigen und/oder rückseitigen Siliziumoberfläche, eine Sensorstruktur aufgebracht oder hergestellt werden. Die Sensorstruktur kann durch Abscheidungsverfahren und

Materialabtragsverfahren auf der Vorderseite des waferförmigen Substrats hergestellt werden, oder mit der Vorderseite des Substrats beispielsweise durch eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung stoffschlüssig verbunden werden. Die Sensorstruktur kann beispielsweise dazu dienen, einen kapazitativen Drucksensor auszubilden. Zum Entkoppeln des sensitiven Abschnitts der Sensorstruktur von dem restlichen Abschnitt der Sensorstruktur bzw. einem Sensorrahmen wird eine allseitige Freistellung nach Fertigstellung der Sensorstruktur durchgeführt. Hierzu kann in einem ersten Schritt eine seitliche Freistellung umgesetzt werden. Die seitliche Freistellung erfolgt in Form eines Materialabtrags, welcher von der Vorderseite der Sensorstruktur und/oder des Substrats durchgeführt wird. Insbesondere kann hierdurch mindestens ein Graben bzw. eine Nut in die Anordnung eingebracht werden, welche sich vertikal von der Vorderseite der Anordnung in Richtung der Rückseite des Substrats erstreckt. Beispielsweise kann hierfür ein Trench- Prozess eingesetzt werden.

Durch die seitliche Freistellung unter Nutzung des Hohlraums kann eine dreidimensionale Freistellung der Sensorstruktur auf der Vorderseite des

Substrats realisiert werden, wobei der Vorgang ohne Rückseitenprozesse durchführbar ist und auch die hierzu notwendigen Handhabungsschritte reduziert. Insbesondere kann ein Abschnitt der Sensorstruktur von einer restlichen Sensorstruktur oder einem Sensorrahmen entkoppelt werden.

Es kann vorzugsweise eine Vielzahl von Substratanordnungen auf dem waferförmigen Substrat ausgebildet werden, welche in einem Schritt voneinander separierbar sind. Vorzugsweise weisen die jeweiligen Substratanordnungen jeweils einen umlaufenden Abstand in Form eines Kanals auf, welcher zum Separieren nutzbar ist.

Durch das Verfahren kann ein Sensor mit einer dreidimensionalen

Stressentkopplung ohne Rückseitenprozesse oder die Verwendung eines zweiten waferförmigen Substrats ermöglicht werden.

Die durch die Vermeidung von Rückseitenprozesse erreichte geschlossene Rückseite des waferförmigen Substrats ist Vorteilhaft bei der Fertigung einer allseitigen Freistellung, da hier eine Perforation des Substrats vermieden wird. Insbesondere bei Prozessschritten, die eine Kühlung des waferförmigen

Substrats bzw. Wafers mittels Gas von der Rückseite benötigen, kann eine Perforation des Substrats die Prozessierung erschweren. Die geschlossene Rückseite ist weiterhin bei der Aufbau- und Verbindungstechnik vorteilhaft, da somit vollflächige Kleber, wie beispielsweise ein DAF (Die Attached Film), verwendet werden können. Hierdurch kann auf bereits in Großserie befindliche Prozesse zurückgegriffen werden.

Des Weiteren kann durch das Verfahren ein Rückschleifen des Substrats auf nahezu beliebige Waferdicken und somit späteren Chipdicken ermöglicht werden. Die Einschränkung bei Rückseitenprozessen, bei der die Zielwaferdicke und somit die Chipdicke vor den Rückseitenprozessen eingestellt wird und auf eine handhabbare Minimalwaferdicke in der Fertigung von beispielsweise >300pm beschränkt ist, entfällt bei einer gemäß dem Verfahren hergestellten Substratanordnung ebenfalls.

Der mikromechanische Sensor kann beispielsweise ein kapazitativer

Drucksensor sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Konzept lässt sich darüber hinaus auch auf andere MEMS-Sensoren in Oberflächenmikromechanik übertragen. Entsprechende MEMS-Sensoren können auch Beschleunigungs oder Drehratensensoren sein.

Gemäß einer Ausführungsform wird das waferförmige Substrat durch einen sogenannten„Advanced Porous Silicon Membrane“(APSM)-Prozess

bereitgestellt. Hierdurch kann in einem Schritt, beispielsweise durch Ätzverfahren oder anodische Oxidation ein poröser Abschnitt in ein waferförmiges Substrat eingebracht werden, welcher anschließend beispielsweise durch Aufdampfen oder Abscheiden vorderseitig oder rückseitig verdeckt wird. Durch thermische Umlagerung des porösen Abschnittes entsteht ein Hohlraum, also eine vergrabene Kavität. Insbesondere können typische Kavitätstiefen von 2-8 pm und die Dicke der darüber befindlichen Siliziumschicht im Bereich von 3-30 pm realisiert werden. Es entsteht somit eine unterhalb der ursprünglichen

Siliziumoberfläche angelegte vergrabene Kavität, welche für andere Funktionen zur Verfügung steht, wie beispielsweise der rückseitigen Freistellung des Sensorkerns. Die Nutzung dieser Kavität zur rückseitigen Freistellung eines stressentkoppelten Sensorkerns kann durch einen kapazitiven Sensorkern ermöglich werden, indem beispielsweise eine Referenz-Druckkavität oberhalb der ursprünglichen Wafer-Oberfläche bzw. der Vorderseite des Substrats aufgebracht wird. Der Sensorkern bildet vorzugsweise einen Abschnitt der Sensoranordnung aus, welcher für funktionale Aufgaben, wie beispielsweise eine kapazitative

Druckmessung, ausgestaltet ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Sensorstruktur durch mindestens einen vorderseitig in das Substrat und die Sensorstruktur eingebrachten

Trenchgraben seitlich freigestellt, wobei der mindestens eine Trenchgraben sich bis zur vergrabenen Kavität erstreckt. Der mindestens eine Trenchgraben kann durch ein plasma-unterstütztes Ätzen, wie beispielsweise reaktives

lonentiefenätzen, in die Substratanordnung eingebracht werden. Alternativ kann ein nass-chemisches Ätzverfahren unter Verwendung von einer Maske zum Herstellen des Trenchgrabens verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch das Einbringen des mindestens einen Trenchgrabens mindestens eine mechanische Feder geformt, welche einen freigelegten Sensorkern mit einem Sensorrahmen verbindet. Durch das Ausbilden eines federnden Abschnitts der Vorderseite des Substrats und/oder der Sensorstruktur kann eine mechanische Entkopplung des, beispielsweise drucksensitiven Bereichs vom umgebenden Substrat bzw. des umliegenden Sensorrahmens ermöglicht werden. Der mindestens eine

Trenchgraben bildet mindestens eine Feder auf, welche basierend auf der Form und Dicke definierte Dämpfungs- und Schwingungseigenschaften aufweist. Die mindestens eine auf der Vorderseite ausgebildete Feder weist vorzugsweise zwei Endabschnitte auf, wobei ein Endabschnitt mit dem Sensorkern und ein Endabschnitt mit dem Sensorrahmen bzw. dem den Sensorkern umgebenden Abschnitt verbunden ist. Das Einbringen des Trenchgrabens und das

gleichzeitige Ausbilden einer federnden Verbindung zwischen dem Sensorkern und dem Sensorrahmen entsprechen dem seitlichen Freistellen der

Sensorstruktur.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nach dem seitlichen und dem rückseitigen Freistellen der Sensorstruktur, die freigelegte Sensorstruktur mit einer Schutzkappe bedeckt. Hierdurch kann eine Integration des Sensors, beispielsweise in ein Moldpackage, ermöglicht werden. Insbesondere kann nach der Separierung die gesamte Substratanordnung durch Gießen oder Kleben in ein Gehäuse oder auf eine Leiterplatine positioniert werden.

Im Falle eines Drucksensors kann der Druckzugang in der Schutzkappe und die Kappendicke nahezu beliebig gestaltet werden. Beispielsweise können nur einige wenige Trenchlöcher mit sehr geringem Durchmesser entlang des Randes der Schutzkappe angelegt werden. Dies ist für die Erzielung einer hohen Medien- und Partikelresistenz des Sensors sowie zur Erhaltung der mechanischen Stabilität der Schutzkappe vorteilhaft.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorstruktur mindestens eine Membran und mindestens eine Referenz-Druckkavität auf, welche durch die seitliche und rückseitige Freistellung stressentkoppelt werden. Insbesondere kann nach der Ausbildung der vergrabenen Kavität, auf der nun wieder komplett geschlossenen Vorderseite des Substrats, eine komplexe Sensorstruktur, beispielsweise in Form eines kapazitiven Drucksensors, erzeugt werden.

Die durch das Verfahren herstellbare Substratanordnung bzw. Vielzahl an Substratanordnungen kann vorzugsweise als Basis für Sensoren in

Oberflächenmikromechanik im Consumer- und im Automotive-Bereich eingesetzt werden.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen

Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen

Gegenstände näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein waferförmiges Substrat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch das waferförmige Substrat mit einer aufgebrachten Sensorstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Substratanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf. Die Figuren 1 bis 3 dienen insbesondere zum Verdeutlichen eines Verfahrens zum Herstellen von mindestens einer stressentkoppelten Substratanordnung.

Die Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein waferförmiges Substrat 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere ist ein Abschnitt des Substrats 1 bzw. ein Substratabschnitt 1 dargestellt. Ein Wafer besteht aus einer Vielzahl aus Abschnitten des Substrats 1 , welche in mindestens einem Verfahrensschritt voneinander separierbar sind.

Das Substrat 1 weist eine Vorderseite 2 und eine Rückseite 4 auf, welche eine vergrabene Kavität 6 beidseitig in vertikaler Richtung V abdecken. Gemäß dem Ausführungsbespiel ist die horizontale Ausdehnung der vergrabenen Kavität 6 begrenzt.

Die vergrabene Kavität 6 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Hohlraum ausgeführt.

In der Figur 2 ist ein schematischer Schnitt durch das waferförmige Substrat 1 mit einer aufgebrachten Sensorstruktur 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Sensorstruktur 8 wird auf die Vorderseite 2 des Substrats 1 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht. Dies kann schichtweise oder durch separates Anfertigen der Sensorstruktur 8 und anschließendes stoffschlüssiges Verbinden der Sensorstruktur 8 mit dem Substrat 1 erfolgen.

Die auf das waferförmige Substrat 1 aufgebrachte Sensorstruktur 8 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein kapazitiver Drucksensor ausgeprägt.

Hierfür weist die Sensorstruktur 8 mindestens eine Membran 10 auf, welche eine Druckkammer 12 verdeckt. Die Membran 10 ist hier als eine Referenzkammer membran 10 ausgebildet, welche eine Referenzdruckkammer 12 zumindest bereichsweise verschließt.

Die Figur 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Substratanordnung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist ein Querschnitt durch eine für einen kapazitiven Drucksensor 16 einsetzbare

Sensoranordnung 14 nach allseitiger Freistellung dargestellt.

Die Substratanordnung weist einen Substratabschnitt 1 mit einer Vorderseite 2 und einer Rückseite 4 auf. Auf dem dargestellten Substratabschnitt 1 ist vorderseitig die in Figur 2 beschrieben Sensorstruktur 8 aufgebracht. In einem Verfahrensschritt wurde die Sensorstruktur 8 und die Vorderseite 2 des

Substratabschnitts 1 seitwärts durch mindestens einen eingebrachten

Trenchgraben 18 freigestellt. Der mindestens eine Trenchgraben 18 verläuft horizontal umfangsseitig und bildet einen Sensorkern 20 aus, welcher von einem

Sensorrahmen 22 stressentkoppelt werden soll. Hierfür ist der T renchgraben 18 in Form einer Feder ausgebildet.

Nach einem Ausbilden der Substratanordnung 14 kann der Sensorkern 20 mit einer Schutzkappe 24 verdeckt werden. Die Schutzkappe 24 kann auf der

Vorderseite des Sensorrahmens 22 stoffschlüssig oder formschlüssig angeordnet werden und kann die Sensorstruktur 8 schützen. Die Schutzkappe 24 liegt gemäß dem Ausführungsbeispiel an einem Sensorrahmen 22 der Sensorstruktur 8 an.