DE102004017944A1

DE102004017944A1 - Mikromechanisches Bauelement mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements

Info

Publication number: DE102004017944A1
Application number: DE200410017944
Authority: DE
Inventors: Matthias Fürtsch; Heribert Weber; Christoph Schelling; Torsten Kramer; Herbert Verhöven
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-11-03
Also published as: JP2005324320A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement (11) mit mindestens einer Membran (4) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements. Die Bauelementstruktur ist in einem Schichtaufbau auf einem Substrat (1) realisiert und im Substrat (1) ist zumindest eine zur Rückseite (3) des Substrats (1) offene Kaverne (5) ausgebildet, wodurch die Membran (4) freigelegt ist. Um die Membran (4) des Bauelements (11) einseitig gegen Umgebungseinflüsse abzuschirmen, wird die Kaverne (5) erfindungsgemäß durch eine auf die Rückseite (3) des Substrats (1) aufgebrachte Folie (6) verschlossen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit mindestens einer Membran, dessen Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert ist. Im Substrat ist zumindest eine zur Rückseite des Substrats offene Kaverne ausgebildet, wodurch die Membran freigelegt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements, bei dem die Membran durch volumenmikromechanisches Abdünnen bzw. lokales Entfernen des Substrats, ausgehend von dessen Rückseite, freigelegt wird.

Mikromechanische Bauelemente mit einer freitragenden Membran werden in der Praxis beispielsweise im Rahmen von Drucksensoren und thermischen Sensoren eingesetzt. Bei thermischen Sensoren dient die freitragende Membran als thermisch isolierter Bereich mit geringer Wärmekapazität. Dies trägt bei aktiv beheizten Bauelementen, wie z.B. chemischen Sensoren, zu einer Minimierung der Leistungsaufnahme bei, während sich bei passiven Bauelementen, wie z.B. Thermopiles, durch die thermische Isolierung eines Bereichs die Empfindlichkeit erhöhen lässt.

Ein mikromechanisches Bauelement der hier in Rede stehenden Art wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 195 27 861 beschrieben, wo es im Rahmen eines Massenflusssensors eingesetzt wird. Diese Druckschrift verdeutlicht, dass eine mit volumenmikromechanischen Verfahren freigelegte Membran nicht nur ausgehend von der Vorderseite sondern auch ausgehend von der Rückseite des Bauelements frei zugänglich ist und den Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist.

Daraus ergeben sich in der Praxis mehrere Probleme. So können sich in der Kaverne unterhalb der Membran leicht Schmutzpartikel ansammeln, was in der Regel sowohl die mechanischen als auch die thermischen Eigenschaften der Membran beeinträchtigt und letztlich zu einer Verfälschung der Sensorsignale führt. Außerdem kann es bei bestimmten Anwendungen, wie z.B. im Rahmen eines Massenflusssensors, leicht zu einer Hinterströmung der Membran kommen, wodurch die Sensorsignale ebenfalls verfälscht werden. Durch die Strukturierung der Substratrückseite kommen außerdem nur ausgewählte Aufbau- und Verbindungskonzepte für das hier in Rede stehende Bauelement in Frage. Wenn die Substratrückseite deutlich reduziert ist, kann das Bauelement allein durch Verkleben der Rückseite nicht zuverlässig montiert werden.

Vorteile der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die volumenmikromechanisch erzeugte Membran eines Bauelements der eingangs genannten Art einseitig von der Umgebung abzuschirmen. Erfindungsgemäß wird dazu die zur Rückseite des Substrats offene Kaverne unter der Membran durch eine auf die Rückseite des Substrats aufgebrachte Folie verschlossen.

Die Folie verhindert auf einfache Weise eine Verschmutzung der Membranrückseite, da sie die Kaverne abschließt und die Membran so gegen Umgebungseinflüsse abschirmt. Außerdem ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass sich mit Hilfe der Folie auch vorteilhafte Aufbau- und Verbindungskonzepte für das Bauelement realisieren lassen, die einfach zu handhaben und daher kostengünstig sind. Da die Folie die Kaverne in der Rückseite des Substrats vollständig abdeckt, steht für die Montage des erfindungsgemäßen Bauelements die gesamte, geschlossene Rückseite zu Verfügung.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Bauelements und insbesondere für die Realisierung der Folie, die auf die Rückseite des Substrats aufgebracht wird.

Im Hinblick auf die in der Mikromechanik üblichen Fertigungsverfahren und auch auf die möglichen Einsatzorte des erfindungsgemäßen Bauelements ist es vorteilhaft, wenn die Folie medien- und temperaturbeständig ist. Besonders geeignet sind Metallfolien oder Folien mit einseitiger oder beidseitiger Metallbeschichtung aufgrund ihrer Abschirmwirkung gegen Störsignale. Für bestimmte Anwendungen kann auch die Verwendung eines aus mehreren Lagen bestehenden Folienlaminats von Vorteil sein. Bei einigen Anwendungen erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Folie gasdurchlässig ist, so dass ein Gasaustausch zwischen der verschlossenen Kaverne und der Umgebung stattfinden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Folie mit einer ersten Klebeschicht versehen und wird über diese erste Klebeschicht mit der Rückseite des Substrats verbunden. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Kleber zum Fixieren der Folie auf der Substratrückseite erforderlich, was den Aufbau des Bauelements vereinfacht.

Zusätzlich oder auch alternativ zu der ersten Klebeschicht kann die Folie auch noch mit einer zweiten Klebeschicht versehen sein, die von der Substratrückseite abgewandt ist und zur Montage des Bauelements dient. Über diese zweite Klebeschicht kann das Bauelement dann einfach auf einem Träger fixiert werden.

Bei der Herstellung von mikromechanischen Bauelementen wird in der Regel eine Vielzahl von gleichartigen Bauelementstrukturen auf einem Substrat erzeugt. Die Vereinzelung erfolgt erst ganz am Schluss, meist durch Sägen, wobei der gesamte Schichtaufbau durchtrennt wird. Auch bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements erweist es sich als vorteilhaft, die Folie vor dem Vereinzeln der Bauelemente auf die Rückseite des Substrats aufzubringen und beim Vereinzeln zusammen mit dem gesamten Schichtaufbau zu durchtrennen.

Wie bereits eingangs erwähnt, gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Bauelement. Neben der Verwendung im Rahmen von Drucksensoren seien hier noch als besonders vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten die Anwendungen in Fluidmassenflusssensoren, in thermischen Beschleunigungssensoren, in thermischen Drehratensensoren, in thermischen Neigungswinkelsensoren, in adiabatischen Gas-Wärmeableitungssensoren, insbesondere für H2-Sensoren und Seitenaufprallsensoren, in thermischen chemischen Sensoren, in thermischen Heizplattenanwendungen, in hochdynamischen Temperatursensoren, in Luftfeuchtesensoren, in Infrarotdetektoren, insbesondere in Gassensoren oder Infrarotkameras, in Thermopiles und für HF-Anwendungen genannt.

Zeichnungen
Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
1 zeigt einen Schnitt durch einen zweiseitig prozessierten Wafer mit mehreren gleichartigen Bauelementstrukturen mit Membran, auf dessen Rückseite ein Folienlaminat aufgebracht ist,
2 zeigt die Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Bauelements nach der Montage auf einem Träger,
3 zeigt die Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Bauelements nach der Montage auf einem Träger und
4 zeigt die Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Bauelements nach der Montage in der Vertiefung eines Trägers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Wie bereits erwähnt, werden mikromechanische Bauelemente in der Regel in Masse produziert, indem eine Vielzahl von gleichartigen Bauelementstrukturen auf einem Substrat, beispielsweise einem Metall- oder Siliziumwafer, erzeugt werden. Erst ganz am Schluss erfolgt die Vereinzelung der Bauelemente, wobei das Substrat mit dem gesamten Schichtaufbau durchtrennt wird.
In 1 ist ein Wafer 1 dargestellt, der sowohl von seiner Vorderseite 2 als auch von seiner Rückseite 3 ausgehend prozessiert worden ist, um Bauelementstrukturen mit Membran 4 zu erzeugen. Die Membranen 4 sind in einem Schichtaufbau auf der Wafervorderseite 2 ausgebildet und überspannen jeweils eine den Wafer 1 vollständig durchdringende Kaverne 5. Diese Kavernen 5 sind von der Waferrückseite 3 ausgehend erzeugt worden. Erfindungsgemäß ist eine Folie bzw. ein Folienlaminat 6 auf die Waferrückseite 3 aufgebracht worden, so dass die Kavernen 5 vollständig überdeckt sind. Auf diese Weise werden die Membranrückseiten gegen Umwelteinflüsse abschirmt.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Folienlaminat 6 beidseitig mit einer Klebeschicht 7, 8 versehen. Über die der Waferrückseite 3 zugewandte erste Klebeschicht 7 ist das Folienlaminat 6 mit der Waferrückseite 3 verbunden. Die zweite Klebeschicht 8 dient zur Montage des Bauelements, was in Verbindung mit 2 näher erläutert wird.
Der Wafer 1 ist in 1 vor dem Vereinzeln der Bauelemente durch Sägen dargestellt. Er ist auf einem Trägertape 9 angeordnet, das sowohl zum Fixieren des Wafers 1 während des Sägens als auch zum Fixieren der vereinzelten Bauelemente nach dem Sägen dient. Das Folienlaminat 6 wird zusammen mit dem gesamten Schichtaufbau durchtrennt und verbleibt auf der Rückseite jedes einzelnen Bauelements, was durch die gestrichelten Separationslinien 10 angedeutet wird. Es erweist sich als vorteilhaft, ein UV-Tape als Trägerfolie 9 zu verwenden, da sich die Haftkraft von UV-Tapes nach einer Belichtung mit UV-Licht deutlich reduziert, was das Abheben der einzelnen Bauelemente von der Trägerfolie 9 bzw. die Separation des Folienlaminats 6 von der Trägerfolie 9 vereinfacht.
In den 2, 3 und 4 ist jeweils ein mikromechanisches Bauelement 11 bzw. 12 mit einer Membran 4 dargestellt, das durch zweiseitige Prozessierung eines Substrats erzeugt worden ist. Dementsprechend ist die Membran 4 in einem Schichtaufbau auf dem Substrat 1 realisiert und im Substrat 1 ist eine zur Rückseite des Substrats 1 offene Kaverne 5 ausgebildet, wodurch die Membran 4 freigelegt ist. Erfindungsgemäß ist auf die Rückseite des Substrats 1 eine Folie bzw. ein Folienlaminat 6 aufgebracht, die die Kaverne 5 vollständig überspannt. Dieses Folienlaminat 6 ist sowohl im Fall des Bauelements 11 als auch im Fall des Bauelements 12 über eine Klebeschicht 7 mit der Substratrückseite verbunden. Das Folienlaminat 6 des Bauelements 11 ist sogar beidseitig mit einer Klebeschicht 7 und 8 versehen, wobei die vom Substrat 1 abgewandte, zweite Klebeschicht 8 hier zur Verbindung mit einem Träger 13 dient, auf dem das Bauelement 11 montiert ist. Im Gegensatz dazu wurde das Bauelement 12 sowohl im Fall der 3 als auch im Fall der 4 mit Hilfe eines dispensten Klebers 14 auf dem Träger 13 fixiert. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Träger 13 eine Vertiefung 15 auf, in der das Bauelement 12 angeordnet und komplett, randumlaufend verklebt ist. Durch diese Art der Montage kann auch die Folie 6 gegen Umwelteinflüsse geschützt werden.

1: Substrat/Wafer
2: Vorderseite-Substrat
3: Rückseite-Substrat
4: Membran
5: Kaverne
6: Folie/Folienlaminat
7: erste Klebeschicht
8: zweite Klebeschicht
9: Trägerfolie
10: Separationslinie der Bauelemente beim Vereinzeln
11: Bauelement
12: Bauelement
13: Träger
14: Kleber
15: Vertiefung-Träger

Claims

Mikromechanisches Bauelement (11, 12) mit mindestens einer Membran (4), wobei die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat (1) realisiert ist und im Substrat (1) zumindest eine zur Rückseite (3) des Substrats (1) offene Kaverne (5) ausgebildet ist, wodurch die Membran (4) freigelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (5) durch eine auf die Rückseite (3) des Substrats (1) aufgebrachte Folie (6) verschlossen ist.
Bauelement (11, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) mit einer ersten Klebeschicht (7) versehen ist, über die die Folie (6) mit der Rückseite (3) des Substrats (1) verbunden ist.
Bauelement (11) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) mit einer zweiten Klebeschicht (8) versehen ist, die zur Montage des Bauelements dient (11).
Bauelement (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) medien- und temperaturbeständig ist und in Form einer Metallfolie, einer Siliziumfolie, einer Folie mit einseitiger oder beidseitiger Metall- oder Siliziumbeschichtung oder eines Folienlaminats aus mehreren Lagen realisiert ist.
Bauelement (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) gasdurchlässig ist, so dass ein Gasaustausch zwischen der verschlossenen Kaverne (5) und der Umgebung stattfinden kann.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (11, 12) mit mindestens einer Membran (4), insbesondere eines Bauelements (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat (1) realisiert wird und von der Rückseite (3) des Substrats (1) ausgehend mindestens eine Kaverne (5) im Substrat (1) erzeugt wird, wodurch die Membran (4) freigelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (6) auf die Rückseite des Substrats (1) aufgebracht wird, so dass die Kaverne (5) verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) eine erste Klebeschicht (7) aufweist und dass die Folie (6) über die erste Klebeschicht (7) mit dem Substrat (1) verklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Bauelementstrukturen mehrerer Bauelemente (11, 12) im Schichtaufbau auf dem Substrat erzeugt (1) werden und die Bauelemente (11, 12) dann vereinzelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) vor dem Vereinzeln der Bauelemente (11, 12) auf die Rückseite (3) des Substrats (1) aufgebracht wird und beim Vereinzeln durchtrennt wird.
Verwendung eines Bauelements (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 – in Drucksensoren, – in Fluidmassenflusssensoren, – in thermischen Beschleunigungssensoren, – in thermischen Drehratensensoren, – in thermischen Neigungswinkelsensoren, – in adiabatischen Gas-Wärmeableitungssensoren, insbesondere für H2-Sensoren und Seitenaufprallsensoren, – in thermischen chemischen Sensoren, – in thermischen Heizplattenanwendungen, – in hochdynamischen Temperatursensoren, – in Luftfeuchtesensoren, – in Infrarotdetektoren, insbesondere in Gassensoren oder Infrarotkameras, – in Thermopiles, – für HF-Anwendungen.