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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen auf Siliziumbasis erläutert.
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Mikromechanische Sensorvorrichtungen zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind allgemein bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Trends in der Consumer-Elektrode sind insbesondere die Miniaturisierung der Bauelemente, die Funktionsintegration und eine effektive Kostenreduktion.
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Heutzutage werden Beschleunigungs- und Drehratensensoren und ebenso Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren bereits als Kombi-Sensoren (6d) hergestellt, und darüber hinaus gibt es erste 9d-Module, bei denen jeweils 3-achsige Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren in einer einzigen Sensorvorrichtung kombiniert werden.
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Drucksensoren dagegen werden heutzutage separat von den oben genannten 6d- und 9d-Modulen entwickelt und gefertigt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der erforderliche Medienzugang, den ein Drucksensor im Gegensatz zu Inertial- und Magnetsensoren benötigt und der den Aufwand und die Kosten für das Verpacken des Drucksensors deutlich erhöht. Weitere Gründe für die Separation von Drucksensoren sind die unterschiedlichen MEMS-Fertigungsprozesse sowie die unterschiedlichen Auswerteverfahren. Beispielsweise bedienen sich Drucksensoren oftmals piezoresistiver Widerstände zur Auswertung, wohingegen Inertialsensoren bevorzugt kapazitiv ausgewertet werden.
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Es ist aber absehbar, dass Sensorvorrichtungen, die neben Inertialgrößen auch den Druck messen können, eine interessante Erweiterung der Möglichkeiten zur Funktionsintegration, insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik, darstellen. Derartige integrierte 7d Module oder bei Integration eines 3-achsigen Magnetsensors 10d- Module könnten beispielsweise für Navigationsanwendungen (In-door-Navigation) zum Einsatz gelangen. Die Funktionsintegration verspricht sowohl eine Kostenreduktion als auch einen reduzierten Platzbedarf auf der Applikationsleiterplatte.
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Es sind Verfahren der so genannten vertikalen Integration oder Hybridintegration oder 3D-Integration bekannt, bei denen mindestens ein MEMS- und ein Auswerte ASIC Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, beispielsweise aus der
US 7 250 353 B2 oder der
US 7 442 570 B2 . Besonders attraktiv sind diese vertikalen Integrationsverfahren in Kombination mit Silizium-Durchkontaktierungen und Flip-Chip-Technologien, wodurch die externe Kontaktierung als „bare die-Modul“ oder „chip scale package“, also ohne Plastikumverpackung erfolgen kann, wie z. B. aus der
US 2012/0049299 A1 oder der
US 2012/0235251 A1 bekannt.
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Die
US 2013/0001710 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bilden einer MEMS-Sensorvorrichtung, wobei ein Handlingwafer an einen MEMS-Wafer über eine dielektrische Schicht gebondet wird. Nach Strukturierung des MEMS-Wafers, um die mikromechanische Sensorvorrichtung zu bilden, wird ein CMOS-Wafer auf den MEMS-Wafer mit der Sensorvorrichtung gebondet. Am Ende des Prozesses kann der Handlingwafer durch Ätzen oder Rückschleifen, falls erforderlich, weiter bearbeitet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 14.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, eine MEMS-Anordnung mit einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit zwei darin integrierten Druckdetektionselektroden zu schaffen, welche durch eine ASIC-Anordnung verkappt ist.
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Da beide Druckdetektionselektroden in der MEMS-Anordnung gebildet sind, liefert der erfindungsgemäße Aufbau eine deutlich verbesserte Stressentkopplung gegenüber bekannten Lösungen. Der in die ASIC-Anordnung eingekoppelte Montagestress kann nur über die Bondverbindung in die MEMS-Anordnung eingekoppelt werden. Da sich die Bondverbindung und die elektrischen Kontakte gut vom Membranbereich trennen lassen, sind etwaige Verbiegungseffekte stark reduziert. Dies führt zu einer verbesserten Performance hinsichtlich wichtiger Basisparameter, wie z.B. Empfindlichkeit und Offset der Drucksensorvorrichtung. Lötstress und Temperatureffekte sind deutlich reduziert, und die Lebensdauerstabilität verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind der Membranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet. Eine derartige Anordnung lässt sich einfach und kostengünstig realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode einen Verankerungsbereich auf, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist. So lässt sich eine Doppelfunktion des Verankerungsbereiches erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode mindestens einen Verankerungsbereich auf, der auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist, wobei die zweite mikromechanische Funktionsschicht einen Kontaktbereich aufweist, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist und wobei der Verankerungsbereich und der Kontaktbereich über die erste mikromechanische Funktionsschicht elektrisch verbunden sind. Eine derartige Anordnung schafft eine weitere Reduzierung der Stresseinkopplung, da der Verankerungsbereich nicht mit der Umverdrahtungseinrichtung der ASIC-Anordnung verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Federelement zwischen dem mindestens einen Verankerungsbereich und dem übrigen Teil der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode vorgesehen. Auch dies verbessert die Stressentkopplung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein ringförmiger Verankerungsbereich vorgesehen. Diese Art der Verankerung ist besonders robust.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Membranbereich in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht und die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht perforiert ausgebildet, wobei der Membranbereich ringförmig geschlossen auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist. So lässt sich ein dicker stabiler Membranbereich realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in der obersten Leiterbahnebene eine feststehende dritte Druckdetektionselektrode beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich ausgebildet. So lässt sich das Drucksignal differenziell auswerten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite mikromechanische Funktionsschicht einen Kontaktbereich auf, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist und wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode und der Kontaktbereich über die erste mikromechanische Funktionsschicht elektrisch verbunden sind. Dies verbessert die Stressentkopplung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Referenzmembranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und eine feststehende Referenzelektrode beabstandet gegenüberliegend dem Referenzmembranbereich in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet, wobei der Referenzmembranbereich nicht mit dem Druck beaufschlagbar ist. So lassen sich Drifteffekte durch Stresseinkopplung differenziell reduzieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein weiterer Membranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und eine feststehende Referenzelektrode beabstandet gegenüberliegend dem weiteren Membranbereich in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet, wobei der weitere Membranbereich als eine auslenkbare Feuchtedetektionselektrode ausgebildet ist, welche mit einer feuchteempfindlichen Schicht bedeckt ist, die über eine weitere Durchgangsöffnung im MEMS-Wafer mit Feuchte beaufschlagbar ist. So lässt sich eine Kombination von Drucksensor und Feuchtesensor in Membrantechnologie realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine weitere Sensoreinrichtung in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet und die Bondverbindung einen Bereich aufweist, der mit der Umverdrahtungseinrichtung derart verbunden, dass die weitere Sensoreinrichtung in einer weiteren Kaverne eingeschlossen ist, welche von der Kaverne hermetisch getrennt ist. So lässt sich der Umstand berücksichtigen, dass unterschiedliche Sensortypen unterschiedliche Arbeitsatmosphären benötigen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Membranbereich über eine weitere Durchgangsöffnung im MEMS-Wafer, welche in die Kaverne führt, mit Gegendruck beaufschlagbar. So lässt sich ein Differenzdrucksensor realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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10 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1a einen ASIC-Wafer mit einer Mehrzahl von CMOS-Schaltungen 100, welche beispielsweise eine Auswerteschaltung für die zu bildende mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfassen.
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Der ASIC-Wafer 1a weist eine Vorderseite VSa und eine Rückseite RSa auf. Auf der Vorderseite VSa des ASIC-Wafers 1 ist eine Umverdrahtungseinrichtung 25a gebildet, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnebenen LB0, LB1 und dazwischen liegenden Isolationsschichten I aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Isolationsschichten I, in die die Leiterbahnebenen LB0, LB1 eingebettet sind, nicht separat dargestellt. Die Leiterbahnabschnitte der Leiterbahnebenen LB0, LB1 sind über elektrisch leitfähige Vias K miteinander elektrisch verbunden.
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Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 1 einen MEMS-Wafer mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Auf der Vorderseite VS ist eine erste Isolationsschicht 4a, beispielsweise eine Oxidschicht aufgebracht. Auf der ersten Isolationsschicht 4a ist eine erste mikromechanische Funktionsschicht 3, beispielsweise aus Polysilizium, vorgesehen, welche einen Membranbereich 16 aufweist, der als eine auslenkbare erste Druckdetektionselektrode ausgebildet ist, welche über eine Durchgangsöffnung 12, welche bei dieser Ausführungsform ein Trenchgitter ist, im MEMS-Wafer 1 mit Druck beaufschlagbar ist. Der Membranbereich 16 ist somit auf der ersten Isolationsschicht 4a verankert.
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Ein derartiges Trenchgitter als Durchgangsöffnung hat typischerweise eine Wabenstruktur mit Stegen, die in beide senkrecht zur Wafer normalen liegenden Richtungen verlaufen. Durch die offenen Bereiche der Trenchgitterstruktur kann zum einen der Oxidätzprozess zum Ätzen der ersten Isolationsschicht 4a auf einer großen Fläche angreifen, und zugleich stellen die offenen Bereiche der Trenchgitterstruktur später den Medienzugang für die Drucksensorvorrichtung dar. Das Trenchgitter dient zum Schutz des Membranbereichs 16 gegen beispielsweise größere Partikel, die z.B. beim Sägeprozess zur Vereinzelung der Bauelemente entstehen können und die durch die kleinen offenen Bereiche nicht hindurchpassen. Bevorzugte Geometrien für die Trenchgitterstruktur sind Stegbreiten von 5 bis 50 µm und Lochgrößen von 5 bis 50 µm, wobei die Stegbreiten und die Lochgrößen nicht unbedingt übereinstimmen müssen.
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Auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 außerhalb des Membranbereichs 16 ist eine zweite Isolationsschicht 4b vorgesehen, beispielsweise ebenfalls eine Oxidschicht, welche wie die erste Isolationsschicht 4a entsprechend der zur erzielenden Funktionalität strukturiert ist.
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Auf der zweiten Isolationsschicht 4b befindet sich eine zweite mikromechanische Funktionsschicht 5, beispielsweise ebenfalls Polysilizium. In der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 ist eine feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11‘ beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich 16 ausgebildet. Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11‘ in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 weist Perforationen P auf, da sie durch einen Opferschichtätzprozess, bei dem die zweite Isolationsschicht 4b teilweise entfernt wird, freizustellen ist.
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Weiterhin weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11‘ einen Verankerungsbereich 5a in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 auf, über den sie auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist.
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Die derart ausgebildete MEMS-Anordnung mit dem MEMS-Wafer 1, den Isolationsschichten 4a, 4b, sowie der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 3, 5 ist über eine Bondverbindung 7 mit der ASIC-Anordnung mit dem ASIC-Wafer 1a und der Umverdrahtungseinrichtung 25a derart verbunden, dass die Bondverbindung 7 einen Teil der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 mit der Umverdrahtungseinrichtung 25a verbindet. Ein Bereich 7a der Bondverbindung 7 dient hier dazu, über die Vias K eine elektrische Verbindung zwischen der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 11‘ und der obersten Leiterbahnebene LB0 der Umverdrahtungseinrichtung 25a zu schaffen.
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Die Bondverbindung 7 ist vorzugsweise durch ein metallisches Bondverfahren realisiert, beispielsweise ein eutektisches Bonden von Aluminium und Germanium, Kupfer und Zinn oder metallisches Thermokompressionsbonden (Au-Au, Cu-Cu, ...). Über die Bondverbindung 7 können weitere elektrische Kontakte vorgesehen werden, wie beispielsweise im rechten Randbereich von 1 angedeutet.
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Bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 sind sowohl der Membranbereich 16 als auslenkbare erste Druckdetektionselektrode als auch die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11‘ in der MEMS-Anordnung vorsehen und daher relativ gut entkoppelt von möglichen mechanischen Verbiegungen der ASIC-Anordnung.
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Weiterhin erfüllt die ASIC-Anordnung neben der elektrischen Anbindungsfunktion, beispielsweise einer Auswertefunktion, auch die Funktion einer Verkappung zum Verschließen der Kaverne 9.
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Die elektrische Anbindung der derart aufgebauten Drucksensorvorrichtung an ein Trägersubstrat 30 erfolgt beispielsweise über elektrische Durchkontaktierungen 26, die durch den ASIC-Wafer 1a verlaufen und von denen aus Gründen der Einfachheit der Darstellung nur eine einzige in 1 gezeigt ist. Auf der Rückseite RSa des ASIC-Wafer 1a befindet sich eine dritte Isolationsschicht 27, beispielsweise eine Oxidschicht, Nitridschicht oder Polyimidschicht, welche Leiterbahnabschnitte 28a, 28b eingebettet bzw. aufgebracht hat, von denen der Leiterbahnabschnitt 28b mit der Durchkontaktierung 26 elektrisch verbunden ist.
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Auf den Leiterbahnabschnitten 28a, 28b sind Bondkugeln 29a bzw. 29b vorgesehen, beispielsweise Lotkügelchen, mittels derer eine elektrische Verbindung zu Leiterbahnabschnitten 30a, 30b im bzw. auf dem Trägersubstrat 30 hergestellt ist.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 sind die Verankerung und die elektrische Kontaktierung der dort mit Bezugszeichen 11‘‘ bezeichneten zweiten Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 getrennt. Hierzu weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11‘‘ einen Verankerungsbereich 5a‘ auf, der lediglich auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist.
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Weiterhin weist die zweite mikromechanische Funktionsschicht 5 einen Kontaktbereich 5b‘ auf, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist und andererseits über den Bereich 7a der Bondverbindung 7 eine elektrische Verbindung zu der obersten Leiterbahnebene LB0 der Umverdrahtungseinrichtung 25a aufweist.
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Der Verankerungsbereich 5a‘ und der Kontaktbereich 5b‘ sind über die erste mikromechanische Funktionsschicht 3 elektrisch miteinander verbunden. Der über den Bereich 7a von der ASIC-Anordnung in die MEMS-Anordnung übertragene Stress führt daher zu einer im Vergleich zur ersten Ausführungsform noch stärker reduzierten Verbiegung der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 11‘‘.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 ist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode mit Bezugszeichen 11‘‘‘ bezeichnet. Die feststehende Druckdetektionselektrode 11‘‘‘ ist an mehreren Verankerungsbereichen 5a‘‘, 5a‘‘‘ mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verbunden. Eine derartige Anordnung reduziert mögliche Verbiegungen der feststehenden Druckdetektionselektrode 11‘‘‘ noch weiter und verbessert die mechanische Robustheit bei hoher mechanischer Überlast. Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Verankerungsbereichen 5a‘‘, 5a‘‘‘ vorgesehen werden, beispielsweise auch ein ringförmig umlaufender Verankerungsbereich.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 sind im Unterschied zur dritten Ausführungsform Federelemente 5c‘‘, 5c‘‘‘ vorgesehen, welche die Verankerungsbereiche 5a‘‘ bzw. 5a‘‘‘ mit den übrigen Teil der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 11‘‘‘‘ verbinden.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der fünften Ausführungsform gemäß 5 ist der mit Druck beaufschlagbare Membranbereich 16a als erste Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 strukturiert und die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11a in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 strukturiert.
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Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 11a weist Perforationen P‘ auf, um einen Druckzugang von der Durchgangsöffnung 12 im MEMS-Wafer 1 zum Membranbereich 16a zu ermöglichen. Des Weiteren sind die Perforationen P‘ notwendig, um die beiden Isolationsschichten 4a, 4b zwischen dem Membranbereich 16a und der feststehenden Druckdetektionselektrode 11a zu entfernen und damit eine Funktionstüchtigkeit herzustellen. Dieser Oxidätzprozess erfolgt von der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 her, und zwar bevorzugt mit gasförmigen HF.
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Die Verankerung 500, 500a des Membranbereichs 16a ist ringförmig ausgeführt, um die Hermetizität gegenüber der Durchgangsöffnung 12 sicher zu stellen. Die Verankerung 500, 500a weist mindestens einen isolierenden Verankerungsbereich 500a auf, der vorteilhafterweise durch ein Oxid gebildet ist, um die elektrische Zuführung nach innen zu zur feststehenden Druckdetektionselektrode 11a über den Leiterbahnbereich 3a der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 zu leiten. Auch dieser elektrisch isolierende Verankerungsbereich 500a muss natürlich hermetisch dicht abschließen.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der sechsten Ausführungsform gemäß 6 ist eine feststehende dritte Druckdetektionselektrode 11b in der obersten Leiterbahnebene LB0 der Umverdrahtungseinrichtung 25a zusätzlich im Vergleich zur fünften Ausführungsform vorgesehen.
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Hierbei handelt es sich also um eine volldifferenzielle Elektrodenanordnung, bei der direkt ein Differenzsignal zwischen den beiden feststehenden Druckdetektionselektroden 11a, 11b ausgelesen werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für die Auswerteschaltung, denn bei kapazitiven Auswerteschaltungen mit hohen Signal-Rausch-Anforderungen werden bevorzugt Differenzverstärker in der Eingangsstufe eingesetzt. Zudem ist das Auswertesignal etwa doppelt so hoch wie bei einer einseitigen Elektrodenanordnung, was ohnehin zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Je nach eingekoppelter Verbiegung kann diese Anordnung auch im Hinblick auf Stresseinflüsse günstig sein.
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7 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der siebten Ausführungsform bezeichnet Bezugszeichen 16’ den Membranbereich als auslenkbare erste Druckdetektionselektrode, welche über die Durchgangsöffnung 12’ im MEMS-Wafer 1 mit Druck beaufschlagbar ist. Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 111 ist über den Verankerungsbereich 5a’ auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert.
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Ein Referenzmembranbereich 16’’ ist in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 gebildet, wobei eine feststehende Referenzelektrode 111’ beabstandet gegenüberliegend dem Referenzmembranbereich 16’’ in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet und über den Verankerungsbereich 5a‘‘‘‘ in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist.
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Der Referenzmembranbereich 16’’ ist nicht mit Druck beaufschlagbar, sondern dient zur Kompensation von Drifteffekten der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung. Diese Funktion lässt sich insbesondere dann zuverlässig realisieren, wenn die Membranbereiche 16’, 16’’ gleichartig sind und bezüglich der Hauptachsen des MEMS-Wafers 1 symmetrisch angeordnet sind.
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Bei der Herstellung muss zur Freistellung des Referenzmembranbereichs 16’’ zunächst eine entsprechende Zugangsöffnung 12’’, hier ebenfalls als Trenchgitter dargestellt, im MEMS-Wafer 1 bereitgestellt werden. Diese Zugangsöffnung 12’’ wird nach Freistellen des Referenzmembranbereichs 16’’ wieder verschlossen, und zwar beispielsweise mittels einer Oxidfüllung 18 und einer darüber auf der Rückseite RS optional zusätzlich abgeschiedenen Metallschicht 19. Damit der Oxidverschluss mit der Oxidschicht 18 noch zuverlässiger funktioniert, erfolgt der Trench durch den MEMS-Wafer 1 zumindest im Bereich der zu verschließenden Zugangsöffnung 12’’ durch eine Oxidgitterstruktur erfolgen. Damit ist es möglich, relativ breite Trenchgräben anzulegen und dennoch durch Abscheidung einer dünnen Oxidschicht 18 die Trenchgräben anschließend hermetisch zu verschließen und die Topographie auf der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 zu minimieren.
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Drifteffekte, wie zum Beispiel Packaging-Stress, sollten auf beide Membranbereiche 16’, 16’’ in ähnlicher Weise wirken und ein gleichgerichtetes Signal liefern. Druckänderungen führen dagegen nur bei dem mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich 16’ zu einer Verwölbung. Durch Auswerten des Differenzsignals der beiden Membranbereiche 16’, 16’’ lassen sich die gleichgerichteten, durch Packaging-Stress verursachten Signale eliminieren, und als Messgröße bleibt nur noch das gewünschte Drucksensorsignal übrig.
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Eine solche Differenzauswertung von Kapazitätssignalen ist günstig, da die meisten Frontend-Auswerteschaltungen für Beschleunigungssensoren ebenfalls eine Differenzauswertung von zwei Kapazitäten vornehmen, von denen die eine bei Beschleunigung größer und die andere kleiner wird. Somit sollten sich vorhandene oder nur geringfügig modifizierte Beschleunigungssensor-Frontends auch in günstiger Weise für die Auswertung von Drucksensorsignalen verwenden lassen, wodurch sich der Entwicklungsaufwand reduziert.
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8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der achten Ausführungsform ist die mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung kombiniert.
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In Analogie zur oben beschriebenen siebten Ausführungsform werden in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 der bereits beschriebene Membranbereich 16’ und ein weiterer Membranbereich 16’’’ gebildet. Die Druckzugangsöffnung 12a’ ist bei dieser Ausführungsform kein Trenchgitter, sondern eine Einzelöffnung. Eine weitere Durchgangsöffnung 12a’’ dient zum Freistellen des weiteren Membranbereichs 16’’’, dem die feststehende Referenzelektrode 111’ beabstandet in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gegenüberliegt.
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Nach Freistellen der Membranbereiche 16’, 16’’’ wird in der Durchgangsöffnung 12a’’ eine feuchteempfindliche Schicht 17 abgeschieden und rückgeätzt, welche das Innere der Durchgangsöffnung 12a‘‘ und den weiteren Membranbereich 16’’’ bedeckt. Bei Änderung der Umgebungsfeuchte nimmt die feuchteempfindliche Schicht 17 zusätzliche Wassermoleküle auf oder gibt sie ab. Dadurch ändert sich die mechanische Verspannung der feuchteempfindlichen Schicht 17, und diese Änderung überträgt sich auf den weiteren Membranbereich 16’’’ und kann wiederum kapazitiv ausgewertet werden. Das Summensignal der beiden Membranbereiche 16’, 16’’’ oder auch das Signal des ersten Membranbereichs 16’ allein liefert in diesem Fall die Druckinformation, wohingegen das Differenzsignal die Feuchteinformation liefert. Effekte aufgrund von Packaging-Stress sollten sich wiederum zumindest in dem Differenzsignal bei hinreichend symmetrischer Anordnung und Gleichgestaltung der Membranbereiche 16’, 16’’’ annähert aufheben.
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9 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der neunten Ausführungsform ist die bereits beschriebene mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit einer Drehratensensoreinrichtung SD kombiniert, welche in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet ist und über einen Verankerungsbereich 5b’ in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist. Eine derartige Drehratensensoreinrichtung SD benötigt im Betrieb unter Umständen einen anderen Umgebungsdruck als die Drucksensoreinrichtung.
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Die Bondverbindung 7 weist einen Bereich 7b auf, welcher die Umverdrahtungseinrichtung 25a und einen Trennbereich 50 in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 derart verbindet, dass die Drehratensensoreinrichtung SD in einer separaten weiteren Kaverne 9b eingeschlossen ist, welche von der Kaverne 9a, die die zweite feststehende Druckdetektionselektrode 111 einschließt, hermetisch getrennt ist.
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Um den Innendruck in der zweiten Kaverne 9b zu verringern, kann nach dem Waferbonden zum Schaffen der Bondverbindung 7 zwischen MEMS-Anordnung und ASIC-Anordnung eine Zugangsöffnung 15a durch den MEMS-Wafer 1 sowie ein Kanal 15b durch die erste Isolationsschicht 4a und die erste mikromechanische Funktionsschicht 3 durch einen entsprechenden Ätzprozess angelegt werden, um die Kaverne 9b über die Zugangsöffnung 15a und den Kanal 15b auszupumpen und anschließend wieder in Analogie zur oben beschriebenen Ausführungsform durch eine Oxidschicht 18 optional in Kombination mit einer Metallschicht 19 zu verschließen.
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Es ist alternativ auch möglich, über geeignete Prozessführung beim Verschluss der Zugangsöffnung 15a einen erhöhten Innendruck einzustellen, um beispielsweise einen Beschleunigungssensor anstelle des Drehratensensors in der Kaverne 9b zu betreiben. Der erhöhte Innendruck dient dabei der Dämpfung des Beschleunigungssensors und verhindert unerwünschte Bewegungen der Sensorstruktur aufgrund von Vibrationsanregungen.
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Es ist ferner im Sinne der Anordnung von 9 möglich, auf einem Chip sowohl einen Drucksensor, einen Drehratensensor und einen Beschleunigungsensor anzuordnen und somit ein 7d-Element zu realisieren. Dabei können der Drucksensor und der Drehratensensor in einer gemeinsamen Kaverne mit niedrigem Innendruck und der Beschleunigungssensor, getrennt über einen Trennbereich 50, in einer Kaverne mit hohem Innendruck angeordnet werden. Auf eine eigene Darstellung dieser Anordnung wird hier verzichtet.
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10 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in 10 dargestellten zehnten Ausführungsform weist der MEMS-Wafer 1 eine weitere unverschlossene Durchgangsöffnung 15a auf, welche in die Kaverne 9 führt. Durch diese weitere Durchgangsöffnung 15a kann ein Gegendruck p2 angelegt werden, welcher dem durch die Durchgangsöffnung 12’ wirkenden Druck p1 entgegengesetzt ist. Der Membranbereich 16’ wird sich demnach gemäß dem Differenzdruck p2 – p1 durchwölben. Der Gegendruck p2 kann beispielsweise über eine externe Zuführung 52 mit entsprechender Abdichtung 51 auf der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 angelegt werden.
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Der mit Bezugszeichen 55 bezeichnete Bereich der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 kann bei diesem Beispiel die Funktion eines Beschleunigungssensors haben, dessen Verhalten von kleinen Druckänderungen von p2 nur geringfügig beeinflusst wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7250353 B2 [0007]
- US 7442570 B2 [0007]
- US 2012/0049299 A1 [0007]
- US 2012/0235251 A1 [0007]
- US 2013/0001710 A1 [0008]
