DE102020120370B3

DE102020120370B3 - Mems-sensor mit partikelfilter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102020120370B3
Application number: DE102020120370.5A
Authority: DE
Inventors: Andre Brockmeier; Barbara Angela Glanzer; Marten Oldsen; Francesco Solazzi; Carsten von Koblinski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2040-08-04
Also published as: US20220033249A1

Abstract

Die Halbleitervorrichtung (10) umfasst einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip (1), welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat (2) auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip (1) mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat (3), welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips (1) angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip (1) eine erste Ausnehmung (1A) aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat (2) angeordneten Perforationslöchern (2A) mit der Umgebung in Verbindung steht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip enthaltende Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung.
HINTERGRUND
Drucksensoren werden oftmals auf der Basis von mikroelektromechanischen System(MEMS)-Halbleiterchips aufgebaut, bei denen der eigentliche Sensor aus einer dünnen SiliziumMembran besteht. Diese Art von Drucksensoren benötigt meist einen offenen Zugang zu der empfindlichen Membran, welche Druckunterschiede detektiert und in elektrische Signale umwandelt. Dieser Zugang ermöglicht auch eine unerwünschte Kontamination des Sensors durch äußere, umweltspezifische Größen wie Partikel (Sand), Gase (Abgase, Ruß), Flüssigkeiten (Wasser, Öl) etc., die die Zuverlässigkeit und Robustheit der Sensoren extrem beeinträchtigen kann.
Die Kontamination und Verschmutzung moderner MEMS-Sensoren, insbesondere Drucksensoren (Reifendruck- und Beschleunigungs-Sensoren oder Mikrophone) können nicht nur zu unerwünschten Drifts im Ausgangssignal während der Funktion der Sensoren führen, sondern im schlimmsten Fall auch zu einer Zerstörung der empfindlichen Membran. Beispielsweise kann die Funktionalität kapazitiver Mikrophone durch Partikel wie Sand und Feuchtigkeit beeinträchtigt werden (sog. Membran-Sticking). Bei Druck- und Beschleunigungssensoren, die direkt auf den Reifen und nicht auf die Felge montiert werden, führt die Zentrifugalkraft zusätzlich zu einer erheblichen Ansammlung von Kontaminationen im Bereich der Zugangsöffnung und damit zu einem Offset des Drucksignals. US 2015/0118780 A1 zeigt einen MEMS-Chip mit einem Schutzfilm gegen Wasser, Staub und Ähnlichem. Der poröse Schutzfilm mit einer Vielzahl von Schallöffnungen ist über einer Ausnehmung des MEMS-Chip angeordnet und weist eine Haftschicht auf. Der Schutzfilm kann eine Glasfaserschicht sein. US 9,212,054 B1 zeigt eine Drucksensoranordnung mit einem Chip, einer Kappe und einem Träger. Alle Teile sind aus Silizium, ein anderes Material kann verwendet werden. Eine Ausnehmung des Chips ist dem Träger zugewandt, der eine Mehrzahl von Durchgangslöchern zur Druckminderung aufweist. DE 10 2007 029 722 A1 und US 9,952,110 B2 zeigen jeweils Sensoren mit Glasträgern auf der Seite einer Ausnehmung des Sensorchips mit wenigstens einem Durchgangsloch im Glas. DE 10 2015 200 629 A1 zeigt eine Lochplatte, die über einem Hohlraum eines MEMS-Mikrofons angeordnet ist. Die Lochplatte dient zur Druckminderung. EP 1 691 570 A2 betrifft ein staubgeschütztes Mikrofon, das einen mit einem porösen Film bedeckten Hohlraum aufweist. Der poröse Film kann aus Metall geformt sein und einen Wasser abweisenden Überzug aufweisen.
Aus diesen und anderen Gründen besteht die Notwendigkeit der vorliegenden Offenbarung.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen derselben mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 bereitgestellt. Verschiedene Aspekte betreffen ein Halbleitervorrichtung, umfassend einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip eine erste Ausnehmung aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat angeordneten Perforationslöchern mit der Umgebung in Verbindung steht.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chips, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, wobei der MEMS-Chip eine Ausnehmung in seiner ersten Hauptoberfläche aufweist, das Bereitstellen eines ersten Substrats auf Glasbasis, wobei das erste Substrat eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweist, das Aufbringen des MEMS-Chips mit seiner ersten Hauptoberfläche auf dem ersten Substrat derart dass die Ausnehmung über den Perforationslöchern zu liegen kommt, das Bereitstellen eines zweiten Substrats, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist, und das Aufbringen des zweiten Substrats auf die zweite Hauptoberfläche des MEMS-Chips.
Figurenliste
Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende gleiche oder ähnliche Teile.

1 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer beispielhaften nicht erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung in der Form eines MEMS-Drucksensors, bei welchem das erste Substrat eine konstant gleichbleibende Dicke aufweist.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
3 umfasst 3A und 3B und zeigt perspektivische Ansichten zur Illustration des LIDE-Verfahrens zur Erzeugung der Perforationslöcher (A) und zur Erzeugung von Mikroschnitten (B).
4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, bei welcher das erste Substrat eine durch nasschemische Ätzung erzeugte Ausnehmung aufweist.
5 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, bei welcher das erste Substrat eine durch das LIDE-Verfahren erzeugte Ausnehmung aufweist.
6 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, bei welcher das erste Substrat elektrische Durchgangsverbindungen aufweist, welche mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken.
7 umfasst 7A und 7B und zeigt verschiedene Anordnungen der Perforationslöcher in elektronenmikroskopischen Aufnahmen (A) und schematischen Draufsichten (B).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. Dabei wird eine richtungsweisende Terminologie wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „führend“, „nachlaufend“ usw. in Bezug auf die Ausrichtung der zu beschreibenden Figur(en) verwendet. Da die Bestandteile von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsbezeichnung zur Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist zu verstehen, dass auch andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen.
Es ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Wie in dieser Spezifikation verwendet, bedeuten die Begriffe „geklebt“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden müssen; zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen können Zwischenelemente oder -schichten vorgesehen werden. Gemäß der Offenbarung können die oben genannten Begriffe jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden, d. h. dass keine Zwischenelemente oder -schichten zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sind.
Ferner kann das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, hierin bedeuten, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „indirekt“ auf der implizierten Oberfläche angeordnet (z. B. platziert, gebildet, abgeschieden usw.) wird, wobei ein oder mehrere zusätzliche Teile, Elemente oder Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und dem Teil, dem Element oder der Materialschicht angeordnet werden. Das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das/die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, kann jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit der implizierten Oberfläche, angeordnet (z.B. platziert, geformt, abgeschieden usw.) wird.
1 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer beispielhaften nicht erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Die Halbleitervorrichtung 10 gemäß 1 umfasst einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip 1, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat 2 auf Glasbasis, insbesondere Silikatglas wie z.B. Borosilikat-Glas, Soda-Lime-Glas, Float-Glas, Quartz-Glas, oder Porzellan, auf welchem Substrat 2 der MEMS-Chip 1 mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat 3, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips 1 angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip 1 eine erste Ausnehmung 1A aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat 2 angeordneten Perforationslöchern 2A mit der Umgebung in Verbindung steht. Die Perforationslöcher haben die Funktion eines Filters zum Schutz des Sensors vor Kontamination, insbesondere mit Partikeln aus der Umgebung.
Der Sensor kann einer oder mehrere aus der Gruppe enthaltend einen Drucksensor, einen Schallsensor, ein Mikrophon, einen Gassensor oder einen kombinierten Druck-/Beschleunigungssensor sein.
Im Falle eines Druck-, Schallsensor oder eines Mikrophons weist der MEMS-Chip 1 eine Membran 1B auf, wobei die Ausnehmung 1A sich bis zu der Membran 1B erstreckt. Der MEMS-Chip 1 kann ein Halbleiterchip, insbesondere ein Si-Chip sein, wobei die Membran in diesem Fall aus Silizium ausgebildet ist.
Das zweite Substrat 3 kann ebenfalls auf Glasbasis hergestellt sein. Alternativ dazu kann es auch auf Halbleiterbasis, insbesondere Silizium, hergestellt sein. Auch ein Kunststoff ist denkbar als Materialbasis für das zweite Substrat 3.
Ein Durchmesser der Perforationslöcher 2A kann in einem Bereich von 3 µm bis 50 µm liegen. Die Perforationslöcher 2A regelmäßig, insbesondere matrixförmig oder punktsymmetrisch um einen Mittelpunkt, angeordnet sein. Ausführungsbeispiele hierfür werden weiter unten noch gezeigt werden.
Das erste Substrat 2 kann eine Dicke in einem Bereich von 50 µm bis 550 µm aufweisen. Mit dem oben genannten Bereich für den Durchmesser der Perforationslöcher ergibt sich somit ein Bereich für das Aspektverhältnis von 1:1 bis zu 1:110.
Die Ausgestaltung der Filterstruktur wird in der praktischen Anwendung sehr stark vom Sensortyp abhängen. Da beispielsweise Mikrophone besonders empfindlich auf Partikel reagieren, kann bei diesen die Größe der Perforationslöcher in einem Bereich von 3 µm bis 10 µm liegen. Dagegen können bei Drucksensoren die Perforationslöcher auch größer ausfallen, beispielsweise 10 µm bis 30 µm. Bezüglich der Substratdicke des Partikelfilters kann diese bei Mikrophonen im Bereich 50 µm bis 100 µm betragen, während sie bei Drucksensoren im Bereich 300 µm bis 600 µm betragen kann.
Die Größe der Perforationsfläche im Vergleich zur Membranfläche kann einen weiten Bereich von deutlich weniger als 50% bis deutlich mehr als 50% betragen. Insbesondere bei Mikrophonen kann sie bei 50% und darüber liegen.
Bei der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung 10 weist das erste Substrat 2 nicht erfindungsgemäß eine räumlich konstante Dicke auf, so dass die Perforationslöcher durch ein unter Umständen sehr dickes Substrat erzeugt werden müssen. Erfindungsgemäß weist das erste Substrat 2 in einem Bereich der Perforationslöcher eine geringere Dicke als außerhalb der Perforationslöcher auf. Ausführungsbeispiele hierfür werden weiter unten noch gezeigt werden.
Im Falle eines Druck- oder Schallsensors oder eines Mikrophons weist das zweite Substrat 3 des MEMS-Chips 1 eine zweite Ausnehmung 3A aufweist, welche der ersten Ausnehmung 1A des MEMS-Chips 1 gegenüberliegt und ein hinteres Volumen für den Sensor oder das Mikrophon bildet.
Hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung kann das erste Substrat elektrische Durchgangsverbindungen aufweisen, welche mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken. Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird weiter unten noch gezeigt werden.
Im Übrigen hat sich gezeigt, dass die Anwesenheit von Wasser in den Perforationslöchern zu Verfälschungen der Messergebnisse führen kann. Deshalb kann vorgesehen sein, dass eine hydrophobe Schicht auf die Wände der Perforationslöcher 2A und die umliegenden oder angrenzenden Flächen aufgebracht ist oder dass die Oberflächen um die Perforationslöcher 2A herum mikrostrukturiert sind, so dass Wasser aufgrund seiner Oberflächenspannung dort nicht anhaften kann.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
Das Verfahren 20 gemäß 2 umfasst das Bereitstellen eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chips, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, wobei der MEMS-Chip eine Ausnehmung in seiner ersten Hauptoberfläche aufweist (21), das Bereitstellen eines ersten Substrats auf Glasbasis, wobei das erste Substrat eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweist (22), das Aufbringen des MEMS-Chips mit seiner ersten Hauptoberfläche auf dem ersten Substrat derart dass die Ausnehmung über den Perforationslöchern zu liegen kommt (23), das Bereitstellen eines zweiten Substrats, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist (24), und das Aufbringen des zweiten Substrats auf die zweite Hauptoberfläche des MEMS-Chips (25).
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens 200 werden die Perforationslöcher in dem ersten Substrat durch die Anwendung des an sich bekannten LIDE-Verfahrens (Laser Induced Deep Etching) der Fa. LPKF angewandt werden, welches in der Druckschrift DE 10 2014 113 339 A1 näher beschrieben ist. Insbesondere werden bei diesem Verfahren die zu entfernenden Bereiche der späteren Perforationslöcher durch einen gepulsten Laserstrahl modifiziert und anschließend durch eine Ätzung, beispielsweise eine nasschemische Ätzung, entfernt. Die gepulste Laserstrahlung (Pulslänge < 50 ps, vorzugsweise < 10 ps, Wellenlänge beispielsweise im sichtbaren Spektralbereich, Wiederholrate im MHz-Bereich) wird auf einen Fokuspunkt innerhalb des Glassubstrats fokussiert. Je nach der Dicke des Glassubstrats kann vorgesehen sein, dass der Fokuspunkt durch Verändern der Position der Fokussierlinse durch das Glassubstrat geführt wird. Das Glassubstrat ist für den Laserstrahl transparent, so dass eine Durchdringung des Glassubstrat über seine gesamte Dicke erfolgen kann. Die Laserpulse ändern infolge von nichtlinear-optischen Effekten (Selbstfokussierung aufgrund des Kerr-Effekts und Defokussierung durch Beugung) die optischen und chemischen Eigenschaften des Materials so, dass es selektiv ätzbar wird. In einem nachfolgenden Ätzprozess baut sich das derart modifizierte Material deutlich schneller ab als das unmodifizierte Glas.
Im Falle einer nasschemischen Ätzung kann eine HF-Lösung geringer Konzentration eingesetzt werden. Die Konzentration kann beispielsweise in einem Bereich von 5 wt.% bis 30 wt.% liegen und kann insbesondere ca. 10 wt. % betragen.
In einer Alternative gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der Erzeugung der Perforationslöcher ein Bereich des ersten Substrats um die Perforationslöcher verdünnt wird. Der Laserstrahl muss dann nur das Glasmaterial entlang des verdünnten Glassubstrats schädigen. Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative kann man auch so vorgehen, dass zuerst mit dem Laserstrahl das Glasmaterial nur bis zu einer bestimmten Substrattiefe geschädigt wird und anschließend der nicht geschädigte Teil und damit auch die geschädigten Abschnitte durch nasschemische Ätzung entfernt werden.
Wie bereits oben angemerkt wurde, kann auf die Wände der Perforationslöcher und die umliegenden oder angrenzenden Flächen eine hydrophobe Schicht aufgebracht werden, oder es können die Oberflächen um die Perforationslöcher herum mikrostrukturiert werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass in dem ersten Substrat elektrische Durchgangsverbindungen derart erzeugt werden, dass sie mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken. Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird weiter unten näher beschrieben.
Ferner kann der MEMS-Chip mit dem ersten Substrat und/oder dem zweiten Substrat durch anodisches oder plasmaaktiviertes Bonden, eutektisches Bonden, Bonden mit Glasfrit oder Glaspasten, Thermokompressionsbonden, adhäsives Bonden, miteinander verbunden werden. Denkbar sind auch innovative mechanische Bondverfahren mit Hilfe von Lasern. Es ist z.B. möglich, auch einseitig reversibel geträgerte Si-Substrate irreversibel und ohne erhöhte Temperaturbelastung des reversiblen Trägers an ein Glassubstrat zu binden.
Es ist des Weiteren möglich und sinnvoll, eine Mehrzahl von Halbleitervorrichtungen auf Waferlevel-Ebene herzustellen.
3 umfasst 3A und 3B und zeigt perspektivische Ansichten zur Illustration des LIDE-Verfahrens zur Erzeugung der Perforationslöcher (A) und zur Erzeugung von Mikroschnitten (B).
3A zeigt im linken Teilbild ein Substrat aus (Silikat-)Glas mit einer Dicke von beispielsweise ca. 400 µm, in welches Perforationslöcher geformt werden sollen. Ein gepulster Laserstrahl wird entlang einer Linie über die Oberfläche des Substrats gescannt. Die Scan-Geschwindigkeit kann derart mit der Wiederholrate der Laserpulse abgestimmt sein, dass jeweils ein einzelner Laserpuls eine Schädigung des Materials an einer gewünschten Stelle eines zu erzeugenden Perforationslochs bewirken kann. Der darauffolgende Laserpuls trifft dann in einem gewünschten Abstand von dem Auftreffpunkt des vorherigen Laserpulses auf das Glassubstrat usw. Eingezeichnet in der 3A sind zwei Linien der Scan-Bewegung des Laserstrahls. An einem Ende des Substrats angekommen, wird der Laserstrahl seitlich versetzt und dann in umgekehrter Richtung über das Substrat gescannt, so dass man zwei Reihen geschädigter Bereiche für vorgesehene Perforationslöcher erhält.
3A zeigt im mittleren Teilbild die Situation nach Einwirken der Laserpulse und nach Beendigung des Scan-Vorgangs.
3A zeigt im rechten Teilbild die Situation nach Durchführung der nasschemischen Ätzung, der zufolge die von dem Laserstrahl modifizierten Bereiche des Glassubstrats entfernt und somit die Perforationslöcher erzeugt wurden.
3B zeigt im linken Teilbild ein Substrat aus (Silikat-)Glas mit einer Dicke von beispielsweise ca. 400 µm, in welches Mikroschnitte erzeugt werden sollen. Ein gepulster Laserstrahl wird entlang einer Linie über die Oberfläche des Substrats gescannt, wobei die Linie die Umrandung eines auszuschneidenden Abschnitts des Glassubstrats bilden soll. Diesmal wird die Scan-Geschwindigkeit derart mit der Wiederholrate der Laserpulse abgestimmt, dass jeweils ein einzelner Laserpuls eine Schädigung des Materials an einer gewünschten Stelle eines zu erzeugenden Perforationslochs bewirken kann. Der darauffolgende Laserpuls trifft dann aber an einem zu dem Auftreffpunkt des vorherigen Laserpulses unmittelbar benachbarten Auftreffpunkt entlang der vorgegebenen Linie auf das Glassubstrat auf, wobei ein räumlicher Überlapp der beiden benachbarten Auftreffpunkte eingestellt wird. Im Ergebnis wird ein zusammenhängender Bereich des Glassubstrats entlang der vorgegebenen Linie geschädigt.
3B zeigt im mittleren Teilbild die Situation nach Einwirken der Laserpulse und nach Beendigung des Scan-Vorgangs.
3B zeigt im rechten Teilbild die Situation nach Durchführung der nasschemischen Ätzung, der zufolge nicht nur der zusammenhängende Bereich des Glassubstrats entlang der Linie, sondern auch der von der Linie umschlossene Bereich des Glassubstrats entfernt wurden.
4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Die Halbleitervorrichtung 30 gemäß 4 umfasst einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip 31, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat 32 auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip 31 mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat 33, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips 31 angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip 31 eine erste Ausnehmung 31A aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat 32 angeordneten Perforationslöchern 32A mit der Umgebung in Verbindung steht. Der MEMS-Chip 31 kann eine Membran 31B aufweisen, bis zu der sich die Ausnehmung 31A erstreckt. Das zweite Substrat 33 kann ebenfalls eine Ausnehmung 33A aufweisen.
Im Unterschied zu der Halbleitervorrichtung 10 der 1 ist bei der Halbleitervorrichtung 30 das erste Substrat 32 in einem Bereich um die Perforationslöcher 32A verdünnt. Das erste Substrat 32 weist somit auf seiner Rückseite eine Ausnehmung 32B auf, die durch isotrope nasschemische Ätzung erzeugt werden kann. Dies kann von Vorteil sein hinsichtlich der Funktionsweise des durch die Perforationslöcher gebildeten Partikelfilters. Die Perforationslöcher müssen nur noch über eine verringerte Dicke des ersten Glassubstrats 32 erzeugt werden.
Die Herstellung der Halbleitervorrichtung 30 kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen.
Zum einen kann in einem ersten Verfahrensschritt die Ausnehmung 32B durch einen isotropen nasschemischen Ätzschritt erzeugt werden und anschließend können die Perforationslöcher 32A in der wie oben beschriebenen Weise durch das LIDE-Verfahren erzeugt werden.
Zum anderen können aber auch zuerst die für die Perforationslöcher vorgesehenen Bereiche des ersten Substrats 32 durch die Laserstrahlbehandlung des LIDE-Verfahrens erzeugt werden. In diesem Fall würden die Parameter der Laserstrahlbehandlung derart eingestellt werden, dass die Schädigung des Glasmaterials nur bis eine gewünschte Tiefe des ersten Substrats 32 vorgenommen werden würde, nämlich exakt bis zu der Ebene, zu der das erste Substrat 32 dann anschließend von unten verdünnt werden würde. Anschließend wird die nasschemische Ätzung durchgeführt, bei der dann nicht nur das erste Substrat 32 von unten verdünnt wird sondern gleichzeitig unmittelbar danach die geschädigten Bereiche oberhalb davon ebenfalls durch den Ätzschritt entfernt werden. Diese Verfahrensführung hätte den Vorteil, dass nur ein einzelner zeitlich zusammenhängender Ätzschritt ausgeführt werden müsste.
5 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Die Halbleitervorrichtung 40 gemäß 5 umfasst einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip 41, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat 42 auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip 41 mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat 43, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips 41 angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip 41 eine erste Ausnehmung 41A aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat 42 angeordneten Perforationslöchern 42A mit der Umgebung in Verbindung steht. Der MEMS-Chip 41 kann eine Membran 41B aufweisen, bis zu der sich die Ausnehmung 41A erstreckt. Das zweite Substrat 43 kann ebenfalls eine Ausnehmung 43A aufweisen.
Die Halbleitervorrichtung 40 der 5 weist wie die Halbleitervorrichtung 30 der 4 ein verdünntes erstes Substrat 42 auf, wobei das erste Substrat 42 eine Ausnehmung 42B aufweist, wobei jedoch die Ausnehmung 42B auf andere Weise als wie die Ausnehmung 32B erzeugt wurde. Die Herstellung der Halbleitervorrichtung 40 kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen.
Zum einen kann in einem ersten Verfahrensschritt die Ausnehmung 42B durch ein rückseitiges LIDE-Verfahren erzeugt werden. Dabei wird der gesamte zu entfernende Bereich mit dem Laserstrahl abgescannt, in dem - wie im Zusammenhang mit 3B erläutert wurde - ein gepulster Laserstrahl entlang einer Linie über die Oberfläche des Substrats gescannt wird, wobei zwischen benachbarten Auftreffpunkten des Laserstrahls ein räumlicher Überlapp eingestellt wird. Anschließend wird der Laserstrahl entlang einer benachbarten Linie über die Oberfläche gescannt, wobei wiederum zwischen den Auftreffpunkten der beiden benachbarten Linien ein räumlicher Überlapp eingestellt wird. Auf diese Weise werden die Linien aneinandergesetzt und der gesamte Bereich lückenlos geschädigt. Anschließend wird mittels eines isotropen nasschemischen Ätzschritts der gesamte Bereich entfernt. Wie in 5 zu sehen ist, wird somit ein Wannenbereich mit senkrechten Seitenwänden erzeugt. Dann werden - wie zu 4 erläutert - die Perforationslöcher mittels des LIDE-Verfahren von der anderen Seite erzeugt.
Zum anderen können aber auch zuerst die für die Perforationslöcher vorgesehenen Bereiche des ersten Substrats 42 durch die Laserstrahlbehandlung des LIDE-Verfahrens erzeugt werden. In diesem Fall würden die Parameter der Laserstrahlbehandlung derart eingestellt werden, dass die Schädigung des Glasmaterials nur bis eine gewünschte Tiefe des ersten Substrats 42 vorgenommen werden würde, nämlich exakt bis zu der Ebene, zu der das erste Substrat 42 dann anschließend von unten verdünnt werden würde. Anschließend wird die nasschemische Ätzung durchgeführt, bei der dann nicht nur das erste Substrat 42 von unten verdünnt wird, sondern gleichzeitig unmittelbar danach die geschädigten Bereiche oberhalb davon ebenfalls durch den Ätzschritt entfernt werden. Diese Verfahrensführung hätte den Vorteil, dass nur ein einzelner zeitlich zusammenhängender Ätzschritt ausgeführt werden müsste.
6 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Die Halbleitervorrichtung 50 gemäß 6 umfasst einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip 51, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat 52 auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip 51 mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat 53, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips 51 angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip 51 eine erste Ausnehmung 51A aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat 52 angeordneten Perforationslöchern 52A mit der Umgebung in Verbindung steht. Der MEMS-Chip 51 kann außerdem eine Membran 51B aufweisen, bis zu der sich die erste Ausnehmung 51A erstreckt. Das zweite Substrat 53 kann ebenfalls eine Ausnehmung 53A aufweisen.
In gleicher Weise wie bei der Halbleitervorrichtung 30 ist auch bei der Halbleitervorrichtung 50 das erste Substrat 52 in einem Bereich um die Perforationslöcher 52A verdünnt. Das erste Substrat 52 weist somit auf seiner Rückseite eine Ausnehmung 52B auf, die durch isotrope nasschemische Ätzung erzeugt werden kann.
Die 6 zeigt außerdem, wie die elektrische Kontaktierung des MEMS-Chips 51 ausgeführt sein kann. Demgemäß ist auf der oberen Oberfläche des MEMS-Chips 51 mindestens eine elektrische Leitung ausgebildet, die mit der Membran 51B verbunden ist. Die elektrische Leitung wird zu einer Stelle geführt, bei der eine erste elektrische Durchgangsverbindung 54 (TSV, through silicon via) durch den Si-Chip 51 ausgebildet ist. Auf die untere Oberfläche des MEMS-Chips 51 ist eine Metallisierungsschicht 55 aufgebracht, die einen Kontaktierungsbereich 55A aufweist, mit dem die Durchgangsverbindung 54 elektrisch verbunden ist. Ausgehend von dem Kontaktierungsbereich 54A ist eine zweite elektrische Durchgangsverbindung 56 (TGV, through glass via) durch das erste Substrat 52 ausgebildet. Am ihrem unteren Ende ist die zweite elektrische Durchgangsverbindung 56 mit einer Lotkugel 57 verbunden, die somit auch zum Teil auf der unteren Oberfläche des ersten Substrats 52 aufgebracht ist. Die Metallisierungsschicht 55 kann dazu genutzt werden, das erste Substrat 52 und den MEMS-Chip 51 durch einen eutektischen Bondprozess miteinander zu verbinden.
7 umfasst 7A und 7B und zeigt verschiedene Anordnungen der Perforationslöcher.
7A zeigt zwei elektronenmikroskopische Aufnahmen zweier unterschiedlicher Anordnungen. Das linke Bild zeigt eine Anordnung mit unterschiedlich großen Perforationslöchern, die in der Form von konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt angeordnet sind. Mit zunehmendem Radius vom Mittelpunkt vergrößert sich der Durchmesser der Perforationslöcher. Das rechte Bild zeigt hingegen eine matrixförmige Anordnung von Perforationslöchern. Im unteren Teil des Bildes sieht man außerdem, dass die Durchgangsöffnungen eine geringfügig konische Form aufweisen.
7B zeigt sechs schematische Draufsichten auf Anordnungen von Perforationslöchern. Allen diesen Anordnungen ist gemeinsam, dass die Perforationslöcher punktsymmetrisch um einen Mittelpunkt angeordnet sind.
BEISPIELE
Im Folgenden werden Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine Halbleitervorrichtung, umfassend einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, ein erstes Substrat auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und ein zweites Substrat, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip eine erste Ausnehmung aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat angeordneten Perforationslöchern mit der Umgebung in Verbindung steht.
Beispiel 2 ist eine Halbleitervorrichtung nach Beispiel 1, bei welcher der MEMS-Chip einen in der Ausnehmung angeordneten Sensor oder ein Mikrophon aufweist.
Beispiel 3 ist eine Halbleitervorrichtung nach Beispiel 2, bei welcher der MEMS-Chip eine Membran aufweist, wobei die Ausnehmung sich bis zu der Membran erstreckt.
Beispiel 4 ist eine Halbleitervorrichtung nach Beispiel 2 oder 3, bei welcher der Sensor eines oder mehrere von einem Drucksensor, einem Schallsensor, einem Mikrophon, einem Gassensor oder einem kombinierter Druck-/Beschleunigungssensor ist.
Beispiel 5 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher ein Durchmesser der Perforationslöcher in einem Bereich von 3 µm bis 50 µm liegt.
Beispiel 6 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher die Perforationslöcher regelmäßig, insbesondere matrixförmig oder punktsymmetrisch um einen Mittelpunkt, angeordnet sind.
Beispiel 7 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher das erste Substrat eine Dicke in einem Bereich von 50 µm bis 550 µm aufweist.
Beispiel 8 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher das erste Substrat in einem Bereich der Perforationslöcher eine geringere Dicke als außerhalb der Perforationslöcher aufweist.
Beispiel 9 ist eine Halbleitervorrichtung nach Beispiel 2 und einem der auf Beispiel 2 rückbezogenen Beispiele 3 bis 8, bei welcher das zweite Substrat eine zweite Ausnehmung aufweist, welche der ersten Ausnehmung des MEMS-Chips gegenüberliegt und ein hinteres Volumen für den Sensor oder das Mikrophon bildet.
Beispiel 10 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher das erste Substrat elektrische Durchgangsverbindungen aufweist, welche mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken.
Beispiel 11 ist eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Beispiele, bei welcher eine hydrophobe Schicht auf die Wände der Perforationslöcher und die umliegenden oder angrenzenden Flächen aufgebracht ist, oder Oberflächen um die Perforationslöcher herum mikrostrukturiert sind.
Beispiel 12 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, wobei der MEMS-Chip eine Ausnehmung in seiner ersten Hauptoberfläche aufweist, das Bereitstellen eines ersten Substrats auf Glasbasis, wobei das erste Substrat eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweist, das Aufbringen des MEMS-Chips mit seiner ersten Hauptoberfläche auf dem ersten Substrat derart dass die Ausnehmung über den Perforationslöchern zu liegen kommt, das Bereitstellen eines zweiten Substrats, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist, und Aufbringen des zweiten Substrats auf die zweite Hauptoberfläche des MEMS-Chips.
Beispiel 13 ist ein Verfahren nach Beispiel 12, bei welchem die Perforationslöcher durch Beaufschlagung des ersten Substrats mit einem Laserstrahl erzeugt werden.
Beispiel 14 ist ein Verfahren nach Beispiel 13, bei welchem die zu entfernenden Bereiche der späteren Perforationslöcher durch den Laserstrahl geschädigt und anschließend durch eine nasschemische Ätzung entfernt werden.
Beispiel 15 ist ein Verfahren nach Beispiel 13, bei welchem die zu entfernenden Bereiche der späteren Perforationslöcher durch den Laserstrahl ablatiert werden.
Beispiel 16 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 13 bis 15, bei welchem vor oder nach Erzeugung der Perforationslöcher ein Bereich des ersten Substrats um die Perforationslöcher verdünnt wird.
Beispiel 17 ist ein Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem der MEMS-Chip mit dem ersten Substrat und/oder dem zweiten Substrat durch anodisches oder plasmaaktiviertes Bonden, eutektisches Bonden, Bonden mit Glasfrit oder Glaspasten, Thermokompressionsbonden, adhäsives Bonden, miteinander verbunden werden.
Beispiel 18 ist ein Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem in dem ersten Substrat elektrische Durchgangsverbindungen erzeugt derart werden, dass sie mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken.
Beispiel 19 ist ein Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem auf die Wände der Perforationslöcher und die umliegenden oder angrenzenden Flächen eine hydrophobe Schicht aufgebracht wird, oder Oberflächen um die Perforationslöcher herum mikrostrukturiert werden.
Beispiel 20 ist ein Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem eine Mehrzahl von Halbleitervorrichtungen auf Waferlevel-Ebene hergestellt wird.

Claims

Halbleitervorrichtung (10), umfassend: - einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip (1), welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt; - ein erstes Substrat (2) auf Glasbasis, auf welchem der MEMS-Chip (1) mit seiner ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; und - ein zweites Substrat (3), welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips (1) angeordnet ist; wobei - der MEMS-Chip (1) eine erste Ausnehmung (1A) aufweist, welche über eine Mehrzahl von in dem ersten Substrat (2) angeordneten Perforationslöchern (2A) mit der Umgebung in Verbindung steht, wobei das erste Substrat (2) in einem Bereich der Perforationslöcher (2A) eine geringere Dicke als außerhalb der Perforationslöcher aufweist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher der MEMS-Chip (1) einen in der Ausnehmung (1A) angeordneten Sensor oder ein Mikrophon aufweist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei welcher der MEMS-Chip (1) eine Membran (1B) aufweist, wobei die Ausnehmung (1A) sich bis zu der Membran erstreckt.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher der Sensor eines oder mehrere von einem Drucksensor, einem Schallsensor, einem Mikrophon, einem Gassensor oder einem kombinierter Druck-/Beschleunigungssensor ist.
Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher ein Durchmesser der Perforationslöcher in einem Bereich von 3 µm bis 50 µm liegt.
Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher die Perforationslöcher (2A) regelmäßig, insbesondere matrixförmig oder punktsymmetrisch um einen Mittelpunkt, angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher das erste Substrat (2) eine Dicke in einem Bereich von 50 µm bis 550 µm aufweist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 2 und einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 3 bis 7, bei welcher das zweite Substrat (3) eine zweite Ausnehmung (3A) aufweist, welche der ersten Ausnehmung (1A) des MEMS-Chips (1) gegenüberliegt und ein hinteres Volumen für den Sensor oder das Mikrophon bildet.
Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher das erste Substrat (2) elektrische Durchgangsverbindungen aufweist, welche mit dem MEMS-Chip (1) verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip (1) abgewandten Hauptoberfläche erstrecken.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher eine hydrophobe Schicht auf die Wände der Perforationslöcher (2A) und die umliegenden oder angrenzenden Flächen aufgebracht ist, oder Oberflächen um die Perforationslöcher (2A) herum mikrostrukturiert sind.
Verfahren (20) zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Chip, welcher eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, welche der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, wobei der MEMS-Chip eine Ausnehmung in seiner ersten Hauptoberfläche aufweist (21); - Bereitstellen eines ersten Substrats auf Glasbasis, wobei das erste Substrat eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweist (22); - Aufbringen des MEMS-Chips mit seiner ersten Hauptoberfläche auf dem ersten Substrat derart, dass die Ausnehmung über den Perforationslöchern zu liegen kommt (23); - Bereitstellen eines zweiten Substrats, welches auf der zweiten Hauptoberfläche des MEMS-Chips angeordnet ist (24); und - Aufbringen des zweiten Substrats auf die zweite Hauptoberfläche des MEMS-Chips (25), wobei vor oder nach Erzeugung der Perforationslöcher ein Bereich des ersten Substrats um die Perforationslöcher verdünnt wird.
Verfahren (20) nach Anspruch 11, bei welchem die Perforationslöcher durch Beaufschlagung des ersten Substrats mit einem Laserstrahl erzeugt werden.
Verfahren (20) nach Anspruch 12, bei welchem die zu entfernenden Bereiche der späteren Perforationslöcher durch den Laserstrahl geschädigt und anschließend durch eine nasschemische Ätzung entfernt werden.
Verfahren (20) nach Anspruch 12, bei welchem die zu entfernenden Bereiche der späteren Perforationslöcher durch den Laserstrahl ablatiert werden.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei welchem der MEMS-Chip mit dem ersten Substrat und/oder dem zweiten Substrat durch anodisches oder plasmaaktiviertes Bonden, eutektisches Bonden, Bonden mit Glasfrit oder Glaspasten, Thermokompressionsbonden, adhäsives Bonden, miteinander verbunden werden.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei welchem in dem ersten Substrat elektrische Durchgangsverbindungen derart erzeugt werden, dass sie mit dem MEMS-Chip verbunden sind und sich bis zu einer von dem MEMS-Chip abgewandten Hauptoberfläche erstrecken.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem auf die Wände der Perforationslöcher und die umliegenden oder angrenzenden Flächen eine hydrophobe Schicht aufgebracht wird, oder Oberflächen um die Perforationslöcher herum mikrostrukturiert werden.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei welchem eine Mehrzahl von Halbleitervorrichtungen auf Waferlevel-Ebene hergestellt werden.