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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein hybrid integriertes Bauteil, das zumindest ein ASIC(application specific integrated circuit)-Bauelement mit einer prozessierten Vorderseite, ein erstes MEMS(micro electro mechanical systems)-Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur und einen ersten Kappenwafer umfasst. Die mikromechanische Struktur des ersten MEMS-Bauelements erstreckt sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats und umfasst zumindest ein auslenkbares Strukturelement. Das erste MEMS-Bauelement ist auf der prozessierten Vorderseite des ASIC-Bauelements montiert, so dass zwischen der mikromechanischen Struktur und dem ASIC-Bauelement ein Spalt besteht. Der erste Kappenwafer ist über der mikromechanischen Struktur des ersten MEMS-Bauelements montiert.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung noch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils.
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Bauteile mit MEMS-Bauelementen werden seit etlichen Jahren für unterschiedlichste Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik und Consumer-Elektronik, in Massenfertigung hergestellt. Dabei gewinnt die Miniaturisierung der Bauteile zunehmend an Bedeutung. Zum einen trägt die Miniaturisierung wesentlich zur Senkung der Herstellungskosten der Bauteile und damit auch der Endgeräte bei. Zum anderen sollen insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik immer mehr Funktionen – und damit Bauteile – in ein Endgerät aufgenommen werden, während die Endgeräte selber immer kleiner werden. Folglich steht für die einzelnen Bauteile immer weniger Platz auf den Applikationsleiterplatten zur Verfügung.
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Aus der Praxis sind verschiedene Miniaturisierungskonzepte für Sensor-Bauteile bekannt, die eine Integration der mikromechanisch realisierten Sensorfunktion und der schaltungstechnischen Verarbeitung und Auswertung der Sensorsignale in einem Bauteil vorsehen. Neben der lateralen Integration der MEMS-Funktion und der ASIC-Funktion auf einem gemeinsamen Chip gibt es auch bereits Konzepte zur sogenannten vertikalen hybriden Integration, wonach ein Chip-Stapel aus ASIC, MEMS und einem Kappenwafer gebildet wird.
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Ein derartiges vertikal integriertes Bauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung werden in der
US 2011/0049652 A1 beschrieben. Das bekannte Verfahren sieht vor, das Ausgangssubstrat für das MEMS-Bauelement auf ein bereits prozessiertes ASIC-Substrat zu bonden. Erst danach wird eine mikromechanische Struktur im MEMS-Substrat erzeugt, die mindestens ein auslenkbares Strukturelement umfasst. Unabhängig davon wird ein Kappenwafer strukturiert und für die Montage über der mikromechanischen Struktur des MEMS-Substrats und auf dem ASIC-Substrat präpariert. Der so prozessierte Kappenwafer wird nach der Strukturierung des MEMS-Substrats auf das ASIC-Substrat gebondet, so dass die mikromechanische Struktur zwischen ASIC-Substrat und Kappenwafer hermetisch dicht eingeschlossen ist.
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Das bekannte Bauteilkonzept ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion von robusten Bauteilen mit einer mikromechanischen Funktion und einer Signalverarbeitungsschaltung, da hier nicht nur die einzelnen Bauteilkomponenten – MEMS-Bauelement, Kappe und ASIC – im Waferverbund hergestellt werden, sondern auch deren Montage zu einem Bauteil auf Waferebene realisiert wird. Die MEMS-Funktionen und die ASIC-Funktionen können auf Waferebene getestet werden, und sogar der Abgleich der einzelnen Bauteile kann noch vor der Vereinzelung auf Waferebene vorgenommen werden. Außerdem benötigen die bekannten Bauteile aufgrund des gestapelten Aufbaus eine vergleichsweise kleine Montagefläche, was sich günstig auf die Herstellungskosten der Endgeräte auswirkt.
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Das bekannte Bauteilkonzept setzt ein gutes Flächenmatching zwischen dem MEMS-Bauelement und dem ASIC-Bauelement voraus. Demnach ist der Miniaturisierungseffekt und der damit verbundene Kostenvorteil dann besonders groß, wenn die mikromechanische MEMS-Funktion und die schaltungstechnische ASIC-Funktion einen vergleichbaren Flächenbedarf haben. Nur in diesem Fall können beide Bauelemente ohne Verschwendung von Chipfläche realisiert werden.
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Bei einer ganzen Reihe von Anwendungen aus der Praxis nimmt die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements aber eine deutlich größere Chipfläche ein, als sie für die Realisierung der zugehörigen ASIC-Funktion benötigt wird. Beispiele hierfür sind Drehratensensoren und sogenannte IMUs (Inertial Measurement Units), wo Drehraten- und Beschleunigungssensorelemente mit relativ großen mikromechanischen Strukturen in einem Bauteil integriert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Realisierung von hybrid integrierten Bauteilen der eingangs genannten Art vorgeschlagen, durch die sich eine besonders hohe Integrationsdichte und eine besonders effektive Flächennutzung erzielen lassen, insbesondere dann wenn der Flächenbedarf für die Realisierung der MEMS-Funktion deutlich größer ist als für die Realisierung der ASIC-Funktion.
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Dies wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines zweiten MEMS-Bauelements auf der Rückseite des ASIC-Bauelements erreicht, dessen mikromechanische Struktur sich über die gesamte Dicke des zweiten MEMS-Substrats erstreckt und mindestens ein auslenkbares Strukturelement umfasst. Dieses zweite MEMS-Bauelement wird so auf der Rückseite des ASIC-Bauelements montiert, dass zwischen der mikromechanischen Struktur des zweiten MEMS-Bauelements und dem ASIC-Bauelement ein Spalt besteht. Über der mikromechanischen Struktur des zweiten MEMS-Bauelements wird dann noch ein zweiter Kappenwafer montiert.
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Erfindungsgemäß wird demnach ein Fünffach-Waferstack hergestellt, der zwei MEMS-Bauelemente und ein ASIC-Bauelement umfasst. Allein dadurch wird das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil mit einer sehr hohen Funktionalität pro Montagefläche ausgestattet. Vorteilhafterweise bilden die MEMS-Bauelemente und das ASIC-Bauelement eine funktionale Einheit, beispielsweise in Form von zwei sich in ihrer Sensorfunktion ergänzenden mikromechanischen Sensorelementen, deren Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung auf dem ASIC-Bauelement integriert ist. Die mikromechanischen Strukturen der beiden MEMS-Bauelemente eines Bauteils können identisch oder ähnlich sein, wenn diese Bauelemente vergleichbare Funktionen erfüllen sollen. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Bauteils lassen sich aber auch MEMS-Bauelemente mit ganz unterschiedlichen Sensor- oder Aktorfunktionen und demnach auch ganz unterschiedlichen mikromechanischen Strukturen kombinieren.
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Der erfindungsgemäße Aufbau eignet sich insbesondere für die Realisierung von berührungslos arbeitenden Sensoren, wie z.B. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren und sonstigen Inertialsensoren. Im Fall eines Inertialsensors umfasst die mikromechanische Sensorstruktur mindestens eine elastisch aufgehängte seismische Masse, die aufgrund von Beschleunigungen ausgelenkt wird. Diese Beschleunigungen können auch durch Fliehkräfte oder Rotationsbewegungen hervorgerufen werden. Die Auslenkungen der seismischen Masse werden erfasst und ausgewertet.
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Da sich die mikromechanischen Strukturen beider MEMS-Bauelemente erfindungsgemäß jeweils über die gesamte Dicke des entsprechenden MEMS-Substrats erstrecken, können hier auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche relativ große seismische Massen realisiert werden, was sich positiv auf die Messempfindlichkeit derartiger Sensorelemente auswirkt.
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Das erfindungsgemäße Bauteilkonzept sieht außerdem eine Verkappung der mikromechanischen Strukturen beider MEMS-Bauelemente vor, indem beide MEMS-Bauelemente sandwichartig zwischen dem jeweiligen Kappenwafer und dem im Waferstack mittig angeordneten ASIC-Bauelement angeordnet sind. Dadurch sind die Sensorstrukturen gegen Verunreinigungen, Feuchte und Partikel geschützt. Zudem werden Umwelteinflüsse auf die Messsignale minimiert. Auf diese Weise können außerdem definierte Druckverhältnisse für die Sensorstrukturen geschaffen werden, die das Dämpfungsverhalten der Sensorelemente wesentlich mitbestimmen.
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Wie bereits erwähnt, sind auf dem ASIC-Bauelement bevorzugt Schaltungsfunktionen integriert, die die mikromechanischen Funktionen der MEMS-Bauelemente unterstützen und ergänzen. Im Fall von mikromechanischen Sensorelementen könnte es sich dabei um Teile einer Auswerteschaltung handeln, während das ASIC-Bauelement eines Aktorbauteils bevorzugt Schaltungsmittel zur Ansteuerung der mikromechanischen Struktur umfassen wird. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn im ASIC-Bauelement Durchkontakte, sogenannte TSVs (Through Silicon Vias), ausgebildet werden, die sich von der Rückseite bis zur prozessierten Vorderseite erstrecken, wo die Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements integriert sind. Mit Hilfe derartiger ASIC-Durchkontakte kann auf einfache Weise eine besonders geschützte und stabile elektrische Verbindung zwischen dem rückseitigen MEMS-Bauelement und dem ASIC-Bauelement hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann in vielfältiger Weise variiert werden, insbesondere was die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten des Fünffach-Waferstacks und die externe elektrische Kontaktierung des resultierenden Bauteils betrifft. Dabei muss der Funktion, Bestimmung und dem Montageort des zu fertigenden Bauteils Rechnung getragen werden.
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In jedem Fall sieht das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eine Vorprozessierung des ASIC-Substrats vor, bei der die Schaltungsfunktionen realisiert werden und auch bereits ASIC-Durchkontakte angelegt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann das ASIC-Substrat rückseitig abgedünnt werden, um die Bauteilhöhe insgesamt zu verringern. Dieser Verfahrensschritt kann entweder im Rahmen der Vorprozessierung durchgeführt werden, also vor der Montage des ersten MEMS-Substrats auf der prozessierten Vorderseite des ASIC-Substrats, oder auch erst nach der Montage des ersten MEMS-Substrats, und zwar spätestens vor der Montage des zweiten MEMS-Substrats auf der dann abgedünnten Rückseite des ASIC-Substrats.
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Im Rahmen der Prozessierung des ASIC-Substrats kann außerdem eine Strukturierung der Montageflächen für die beiden MEMS-Substrate vorgenommen werden. Dabei können beispielsweise Vertiefungen in der ASIC-Oberfläche erzeugt werden, um die Beweglichkeit von Strukturelementen des angrenzenden MEMS-Substrats sicher zu stellen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird auf der prozessierten Vorderseite des AISC-Substrats eine Sockelstruktur für die Montage des ersten MEMS-Substrats erzeugt, so dass zwischen dem ASIC-Substrat und dem montierten ersten MEMS-Substrat ein Spalt besteht. Eine derartige Standoff-Struktur kann auch auf der Rückseite des ASIC-Substrats für die Montage des zweiten MEMS-Substrats erzeugt werden.
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Die Verbindung zwischen dem ersten bzw. zweiten MEMS-Substrat und dem ASIC-Substrat wird bevorzugt in einem Bondprozess hergestellt, da sich auf diese Weise sowohl eine hermetisch dichte mechanische Verbindung als auch zuverlässige elektrische Verbindungen zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement realisieren lassen. Dafür steht eine Reihe von bekannten und in der Praxis erprobten Prozessvarianten zur Verfügung, wie z.B. plasmaaktiviertes Direktbonden oder eutektisches Bonden.
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Die mikromechanischen Strukturen der beiden MEMS-Bauelemente werden jeweils in einem Strukturierungsprozess definiert und freigelegt, der sich über die gesamte Dicke des entsprechenden MEMS-Substrats erstreckt. Vorteilhafterweise werden die beiden MEMS-Substrate deshalb vor der Strukturierung zunächst bis auf eine für die Realisierung der jeweiligen MEMS-Funktion geeignete Strukturhöhe abgedünnt.
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Die Strukturierung der MEMS-Substrate erfolgt bevorzugt in einem Trenchprozess, da sich mit diesem Verfahren Grabenstrukturen mit einem besonders hohen Aspektverhältnis erzeugen lassen.
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Im Hinblick auf einen möglichst kompakten Bauteilaufbau und eine zuverlässige interne elektrische Kontaktierung zwischen den einzelnen Komponenten des Bauteils erweist es sich als vorteilhaft, wenn auch im ersten und/oder im zweiten MEMS-Substrat MEMS-Durchkontakte als elektrische Verbindung zum ASIC-Substrat erzeugt werden.
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Im Unterschied zu den MEMS-Substraten, die erst nach der Montage auf dem ASIC-Substrat strukturiert werden, werden die Kappenwafer des erfindungsgemäßen Bauteils vorstrukturiert. Ggf. werden bei dieser Vorprozessierung auch Kappen-Durchkontakte zur externen elektrischen Kontaktierung des gesamten Bauteils erzeugt. Wie die Montage der MEMS-Substrate auf dem ASIC-Substrat erfolgt auch die Montage der vorprozessierten Kappenwafer bevorzugt in einem Bondprozess, da sich auf diese Weise einfach zuverlässige und dauerhafte mechanische und auch elektrische Verbindungen herstellen lassen.
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Die externe elektrische Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Bauteils kann mit Hilfe von Drahtbonds vorgenommen werden, wenn auf dem ASIC-Bauelement entsprechende freiliegende Anschlusspads ausgebildet sind. In diesem Fall wird das Bauteil in der Regel noch mit einer Umverpackung versehen, beispielsweise in Form eines Moldgehäuses.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung erfolgt die externe elektrische Kontaktierung des Bauteils über Kappen-Durchkontakte in einem der beiden Kappenwafer. In diesem Fall kann das Bauteil direkt über den entsprechenden Kappenwafer auf einer Leiterplatte montiert werden, wobei neben der mechanischen Fixierung des Bauteils auch eine elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen auf der Leiterplatte hergestellt wird. Eine Umverpackung des Fünffach-Waferstacks ist hier nicht erforderlich. Da die Montage über einen Kappenwafer erfolgt, sind sowohl die beiden MEMS-Bauelemente als auch das ASIC-Bauelement des Bauteils mechanisch relativ gut von der Leiterplatte entkoppelt, so dass sich eine Verbiegung der Leiterplatte allenfalls unwesentlich auf die Funktionalität des Bauteils auswirken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1–13 veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung des Fünffach-Waferstacks eines ersten Sensor-Bauteils 100 entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteilkonzept,
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14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensor-Bauteils 200 mit Kappen-Durchkontakten zur externer elektrischer Kontaktierung und
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15 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Sensor-Bauteils 300 zum Erfassen von z-Beschleunigungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines hybrid integrierten Bauteils in Form eines Fünffach-Waferstacks mit zwei MEMS-Bauelementen und einem ASIC-Bauelement geht von einem vorprozessierten ASIC-Substrat aus. Vorteilhafterweise wird das ASIC-Substrat im Rahmen der Vorprozessierung mit einer Signalverarbeitungs- und Auswerte- bzw. Ansteuerschaltung für die beiden MEMS-Bauelemente ausgestattet. Daneben können aber auch MEMS-unabhängige Schaltungsfunktionen realisiert werden.
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In 1 ist ein ASIC-Substrat 10 nach einer solchen Vorprozessierung dargestellt. Zunächst wurden in das Ausgangssubstrat 11 ASIC-Schaltungsfunktionen 12 integriert. Danach wurden ASIC-Durchkontakte 13 in Form von metallisierten Sacklöchern im Ausgangssubstrat 11 angelegt, um schließlich einen Schichtaufbau mit mehreren Schaltungsebenen 14 auf dem Ausgangssubstrat 11 zu erzeugen. Die Schaltungsebenen 14 sind in Form von strukturierten Metallschichten 14 realisiert, die in eine Isolationsschicht 15 eingebettet sind. Die so prozessierte Vorderseite des ASIC-Substrats 10 wurde schließlich noch mit einer Nitrid-Passivierung 16 versehen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die metallisierten Sacklöcher 13 für die ASIC-Durchkontakte auch vor der Halbleiterfunktionalität 12 erzeugt werden können oder auch erst nachträglich in das mit dem Schichtaufbau versehene ASIC-Substrat 11 eingebracht werden können. Ansonsten wird die Vorprozessierung des ASIC-Substrats 10 hier nicht im Einzelnen beschrieben, da sie – bis auf das Anlegen der ASIC-Durchkontakte – durch die vorliegende Erfindung nicht näher spezifiziert wird.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Nitrid-Passivierung 16 strukturiert, um eine elektrische Kontaktierung der obersten Schaltungsebene 141 des ASIC-Substrats 10 zu ermöglichen. Dann wird eine Oxidschicht 171 auf der Oberfläche des ASIC-Substrats 10 abgeschieden und strukturiert, um eine Standoff-Struktur 171 für die Montage eines ersten MEMS-Substrats zu schaffen. 2 zeigt das Ergebnis dieses Strukturierungsprozesses und veranschaulicht, dass bei der Strukturierung der Oxidschicht 171 auch Zugänge zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schaltungsebene 141 des ASIC-Substrats 10 geschaffen wurden.
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Die strukturierte Oxidschicht 171 bildet die Montagefläche für ein unstrukturiertes erstes MEMS-Substrat 20. Die Verbindung zwischen dem ersten MEMS-Substrat 20 und dem ASIC-Substrat 10 wird hier in einem Plasma-aktivierten Direktbondverfahren hergestellt und ist hermetisch dicht. Das relativ dicke MEMS-Substrat 20 wird nun, beispielsweise in einem Schleifprozess, solange abgedünnt, bis seine Dicke in etwa der angestrebten Strukturhöhe des ersten MEMS-Bauelements entspricht. Diese liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 10µm und 150µm. 3 zeigt das ASIC-Substrat 10 mit dem abgedünnten, aber noch unstrukturierten ersten MEMS-Substrat 20 und verdeutlicht die Funktion der Standoff-Struktur 171 als Abstandshalter zwischen der geschlossenen Oberfläche des ASIC-Substrats 10 und dem ersten MEMS-Substrat 20.
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Erst im Verbund mit dem ASIC-Substrat 10 wird das erste MEMS-Substrat 20 strukturiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt diese Strukturierung in zwei Schritten.
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Der erste Strukturierungsschritt dient der Erzeugung von Durchkontakten, sogenannten Vias 22. Dabei werden im MEMS-Substrat 20 Durchgangsöffnungen mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt erzeugt, die in Öffnungen in der Standoff-Struktur 171 münden, und zwar dort, wo die Passivierschicht 16 zur elektrischen Kontaktierung des ASIC-Substrats 10 geöffnet wurde. Die Durchgangsöffnungen haben typischerweise ein Aspektverhältnis von 5:1 bis 20:1 und erstrecken sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 20. Üblicherweise werden die Wandungen dieser Durchgangsöffnungen mit einer leitfähigen Diffusionsbarriere, wie z. B. Titannitrid oder Titan-Wolfram, beschichtet, bevor sie in einem Abscheidungsprozess mit einem elektrisch leitenden Material 22, wie z.B. Kupfer oder Wolfram, verfüllt werden. 4 zeigt das ASIC-Substrat 10 mit dem ersten MEMS-Substrat 20 nach dem Verfüllen der Durchgangsöffnungen und nachdem das dabei auf der Oberfläche des MEMS-Substrats 20 abgeschiedene leitfähige Material wieder entfernt worden ist.
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Im zweiten Strukturierungsschritt wird die mikromechanische Struktur 21 des ersten MEMS-Bauelements 20 erzeugt. Sie erstreckt sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 20, wie in 5 dargestellt. Sowohl für den ersten als auch für den zweiten Strukturierungsschritt wird bevorzugt ein Trenchprozess verwendet, da sich mit diesem Verfahren Strukturen mit einem besonders hohen Aspektverhältnis erzeugen lassen.
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Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem ersten MEMS-Bauelement um einen z-Beschleunigungssensor im Wippendesign. Die mikromechanische Sensorstruktur 21 umfasst eine mittig federnd gelagerte Wippenstruktur 23 als seismische Masse, die durch Trenchgräben 24 im ersten MEMS-Substrat 20 definiert und freigelegt ist.
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Nach der Strukturierung des ersten MEMS-Substrats 20 wird ein erster vorstrukturierter Kappenwafer 30 über der Sensorstruktur 21 montiert, um die Sensorstruktur 21 unter definierten Druckbedingungen hermetisch dicht in dem Hohlraum 25 zwischen ASIC-Substrat 10 und erstem Kappenwafer 30 einzuschließen. Gemäß 6 wurde der erste Kappenwafer 30 hier über dem ersten MEMS-Bauelement 20 angeordnet und in einem Bondverfahren, beispielsweise durch eutektisches Bonden, mit dem ASIC-Substrat 20 verbunden, so dass das MEMS-Bauelement 20 vollständig in dem Hohlraum 25 zwischen ASIC-Substrat 10 und Kappenwafer 30 angeordnet ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der erste Kappenwafer bei entsprechendem Waferdesign grundsätzlich auch auf dem MEMS-Substrat montiert werden kann, so dass lediglich die Sensorstruktur verkappt wird.
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Das ASIC-Substrat 10 wird nun rückseitig abgedünnt. Dabei werden die ASIC-Durchkontakte 13 aufgeschliffen. Zum Erzeugen von rückseitigen Anschlusspads 18, wie in 7 dargestellt, wird dann zunächst eine Oxidschicht 19 auf der Rückseite des ASIC-Substrats 10 abgeschieden und strukturiert. Dabei wird die Oxidschicht 19 im Bereich der ASIC-Durchkontakte 13 geöffnet. Darüber wird eine Metallschicht, beispielsweise eine Al-, AlCu- oder AlSiCu-Schicht, abgeschieden, aus der dann die rückseitigen Anschlusspads 18 für die Durchkontakte 13 herausstrukturiert werden.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird auf der so prozessierten Rückseite des ASIC-Substrats 10 eine weitere Oxidschicht 172 abgeschieden und strukturiert, um eine Standoff-Struktur 172 für die Montage eines zweiten MEMS-Substrats zu schaffen. 8 zeigt das Ergebnis dieses Strukturierungsprozesses und veranschaulicht, dass bei der Strukturierung der Oxidschicht 172 auch Zugänge zu den rückseitigen Anschlusspads 18 des ASIC-Substrats 10 geschaffen wurden.
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Wie im Fall der ersten Standoff-Struktur 171 bildet auch die rückseitige Standoff-Struktur 172 die Montagefläche für ein MEMS-Substrat 40. Die Verbindung zwischen diesem zweiten MEMS-Substrat 40 und dem ASIC-Substrat 10 wird hier ebenfalls in einem Plasma-aktivierten Direktbondverfahren hergestellt und ist hermetisch dicht. Auch das zweite MEMS-Substrat 40 wird dann bis auf die angestrebten Strukturhöhe des zweiten MEMS-Bauelements abgedünnt. 9 zeigt das ASIC-Substrat 10 mit dem abgedünnten, aber noch unstrukturierten zweiten MEMS-Substrat 40, das auf der rückseitigen Standoff-Struktur 172 montiert ist.
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Auch das zweite MEMS-Substrat 40 wird erst im Verbund mit dem ASIC-Substrat 10 strukturiert und prozessiert. Dabei werden wieder zunächst Durchkontakte 42 erzeugt, wozu das zweite MEMS-Substrat 40 genauso prozessiert werden kann wie das erste MEMS-Substrat 20. 10 zeigt, dass ein Teil der Durchkontakte 42 im zweiten MEMS-Substrat 40 fluchtend zu ASIC-Durchkontakten 13 angeordnet ist und über die entsprechenden Anschlusspads 18 elektrisch leitend mit diesen verbunden ist. Auf diese Weise wird auch das zweite MEMS-Bauelement 40 an die Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements 10 angeschlossen. Daneben ist auch ein MEMS-Durchkontakt 42 dargestellt, der mit einem isolierten Anschlusspad 18 auf der Rückseite des ASIC-Substrats 10 verbunden ist.
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In einem zweiten Strukturierungsschritt wird dann die mikromechanische Struktur 41 des zweiten MEMS-Bauelements 40 erzeugt, die sich ebenfalls über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 40 erstreckt. Dabei ist das Layout dieser mikromechanischen Struktur 41 völlig unabhängig vom Layout der mikromechanischen Struktur 21 des ersten MEMS-Bauelements 20. 11 verdeutlicht, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Bauteilkonzepts zwei MEMS-Bauelemente 20 und 40 in einem Waferstack kombiniert werden können, die sich sowohl in ihrer mikromechanischen Struktur als auch in ihrer Funktion unterscheiden.
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Nach der Strukturierung des zweiten MEMS-Substrats 40 wird schließlich noch ein zweiter vorstrukturierter Kappenwafer 50 über dem zweiten MEMS-Bauelement 40 auf der Rückseite des ASIC-Substrats 10 montiert, so dass das MEMS-Bauelement 40 vollständig in dem Hohlraum 45 zwischen ASIC-Substrat 10 und Kappenwafer 50 angeordnet ist. Dies ist in 12 dargestellt. Auch hier wird die hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Kappenwafer 50 und dem ASIC-Substrat 10 in einem Bondverfahren, beispielsweise durch eutektisches Bonden, hergestellt. An Stelle des gesamten zweiten MEMS-Bauelements kann auch lediglich die mikromechanische Struktur des zweiten MEMS-Bauelements verkappt werden, indem ein entsprechend konfigurierter zweiter Kappenwafer auf dem zweiten MEMS-Substrat montiert wird. Zur Reduzierung der Bauteilhöhe können die beiden Kappenwafer 30 und 50 dann auch noch rückgedünnt werden, bevor die Bauteile aus dem Waferverbund gelöst und vereinzelt werden.
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Dabei kann der erste Kappenwafer 30 aufgesägt werden, um Anschlusspads 140 auf der Vorderseite des ASIC-Substrats 10 freizulegen. Diese Anschlusspads 140 werden bei dem in 13 dargestellten Bauteil 100 zur externen elektrischen Kontaktierung mit Hilfe von Drahtbonds 101 genutzt.
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Eine andere Möglichkeit der externen elektrischen Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Fünffach-Waferstacks ist in 14 am Beispiel eines Bauelements 200 dargestellt. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen dem Bauteil 100 und dem Bauteil 200 besteht im Kappenwafer. Während dem Kappenwafer 50 im Fall des Bauteils 100 keinerlei schaltungstechnische Funktion zukommt, wurden im Rahmen einer Vorprozessierung Kappen-Durchkontakte 52 im Kappenwafer 51 des Bauteils 200 erzeugt. Nach der Montage des Kappenwafers 51 auf der Rückseite des ASIC-Substrats 10 stellen diese Kappen-Durchkontakte 52 zusammen mit ASIC-Durchkontakten 13 eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements 10 und der Bauteilunterseite her. Zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils 200 wurden schließlich noch – analog zu den Anschlusspads 18 auf der Rückseite des ASIC-Substrats 10 – Anschlusspads 53 auf dem Kappenwafer 51 bzw. der Bauteilrückseite erzeugt.
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Das Bauteil 200 eignet sich besonders gut für eine Direkt-Montage auf Leiterplatten, da die elektrischen Signale des Bauteils 200 über ASIC-Durchkontakte 13 und die Kappen-Durchkontakte 52 nach außen geführt werden. Sowohl die mechanische Fixierung des Bauteils 200 auf einer Leiterplatte als auch die elektrische Kontaktierung können hier einfach mit Hilfe von Lötbumps 54 hergestellt werden.
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Abschließend sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die MEMS-Flächen eines erfindungsgemäßen Bauteils sehr flexibel genutzt werden können. So könnte beispielsweise im ersten MEMS-Bauelement die Sensorstruktur eines Beschleunigungssensors realisiert werden, während das zweite MEMS-Bauelement mit der Sensorstruktur eines Drehratensensors ausgestattet wird. Des erste MEMS-Bauelement könnte auch die Sensorstrukturen eines Beschleunigungssensors und eines einachsigen Drehratensensors umfassen, während im zweiten MEMS-Bauelement die Sensorstruktur eines zweiachsigen Drehratensensors ausgebildet ist.
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Die beiden MEMS-Bauelemente eines erfindungsgemäßen Bauteils können aber auch mit einer ganz ähnlichen Funktionalität ausgestattet sein und dementsprechend auch eine gleiche oder sehr ähnliche mikromechanische Struktur aufweisen, wie beispielsweise im Falle des in 15 dargestellten Bauteils 300 zum Erfassen von z-Beschleunigungen. Die mikromechanische Struktur beider MEMS-Bauelemente 320 und 340 umfasst eine seismische Masse 323 bzw. 343, die senkrecht zur Substratebene auslenkbar ist. Diese Auslenkungen werden hier jeweils kapazitiv mit Hilfe von Messelektroden auf den seismischen Massen 323 und 343 und feststehenden Gegenelektroden 143 und 183 auf den jeweils gegenüberliegenden Oberflächen des ASIC-Bauelements 10 erfasst. Bei einer z-Beschleunigung werden beide seismischen Massen 323 und 343 in der gleichen Richtung aus der Ruhelage ausgelenkt. Bei einer der beiden seismischen Massen vergrößert sich dabei das Detektionsgap zwischen Messelektrode und Gegenelektrode, während es sich bei der anderen seismischen Masse verkleinert. Dies ermöglicht eine differentielle Auswertung des Kapazitätssignals, was insbesondere im Hinblick auf die Linearität und dessen Vibrationsrobustheit von Vorteil ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0049652 A1 [0005]
