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DE102024201175A1 - Method for producing a coupled wafer - Google Patents

Method for producing a coupled wafer

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Publication number
DE102024201175A1
DE102024201175A1 DE102024201175.4A DE102024201175A DE102024201175A1 DE 102024201175 A1 DE102024201175 A1 DE 102024201175A1 DE 102024201175 A DE102024201175 A DE 102024201175A DE 102024201175 A1 DE102024201175 A1 DE 102024201175A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
wafer
mems
tsv
silicon
coupled
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024201175.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Tomaschko
Marcus Pritschow
Raphael Schuler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102024201175.4A priority Critical patent/DE102024201175A1/en
Priority to PCT/EP2024/087993 priority patent/WO2025168273A1/en
Priority to TW114104333A priority patent/TW202534030A/en
Publication of DE102024201175A1 publication Critical patent/DE102024201175A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0006Interconnects
    • H10W20/0261
    • H10W20/216
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04Optical MEMS
    • B81B2201/042Micromirrors, not used as optical switches
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/07Interconnects
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
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    • B81C2201/019Bonding or gluing multiple substrate layers
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Landscapes

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  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gekoppelten Wafers (100) mit einem Bereitstellen eines ersten MEMS-Wafers (110), wobei der erste MEMS-Wafer (110) eine erste Funktionsschicht (112) mit ersten MEMS-Strukturen (112'), einem davon unabhängigen Bereitstellen eines TSV-Wafers (120) mit Silizium-Durchkontaktierungen (150) und einem Verbinden einer ersten Seite (110a) des ersten MEMS-Wafers (110) mit einer ersten Seite (120a) des TSV-Wafers (120) derart, dass ein gekoppelter Wafer (100) erhalten wird.The invention relates to a method for producing a coupled wafer (100) comprising providing a first MEMS wafer (110), the first MEMS wafer (110) having a first functional layer (112) with first MEMS structures (112'), providing, independently thereof, a TSV wafer (120) with silicon vias (150), and connecting a first side (110a) of the first MEMS wafer (110) to a first side (120a) of the TSV wafer (120) such that a coupled wafer (100) is obtained.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verarbeitung von Wafern und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gekoppelten Wafers, einen gekoppelten Wafer, ein Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips und einen MEMS-Chip.The present invention relates to the field of wafer processing and relates to a method for producing a coupled wafer, a coupled wafer, a method for producing MEMS chips and a MEMS chip.

Stand der TechnikState of the art

Der Einsatz von Vorrichtungen mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS, microelectromechanical system), beispielsweise Mikrospiegel-Arrays oder Mikrospiegelaktoren, erfolgt heutzutage in einer Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise in Smartphones, Projektoren, Head-up-Displays, Barcodelesern, Maskenbelichtern in der Halbleiterfertigung und Mikroskopen. Entsprechende Mikrospiegel-Arrays sind beispielsweise aus den Schriften DE 10 2013 208 446 A1 , EP 0 877 272 A1 und WO 2010/049076 A2 bekannt. Die DE 10 2006 032 195 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS-Strukturen). In der DE 10 2009 029 202 A1 ist ein mikromechanisches System sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems offenbart. Aus der DE 10 2015 206 996 A1 ist der sogenannte EPyC-Prozess (EPyC: epitaxial polysilicon cycle) zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen mit großer vertikaler Ausdehnung bekannt, der epitaktisches Polysilizium als Funktions- und Opfermaterial nutzt und mittels sich wiederholender Zyklen eine Schichtstruktur aus epitaktischen Polysiliziumschichten (EpiPoly-Schichten) aufbaut.Devices with microelectromechanical systems (MEMS), such as micromirror arrays or micromirror actuators, are now used in a wide variety of devices, including smartphones, projectors, head-up displays, barcode readers, mask exposure units in semiconductor manufacturing, and microscopes. Corresponding micromirror arrays are known, for example, from the publications DE 10 2013 208 446 A1 , EP 0 877 272 A1 and WO 2010/049076 A2 known. The DE 10 2006 032 195 A1 describes a process for the production of microelectromechanical structures (MEMS structures). DE 10 2009 029 202 A1 A micromechanical system and a method for producing a micromechanical system are disclosed. DE 10 2015 206 996 A1 The so-called EPyC process (EPyC: epitaxial polysilicon cycle) is known for the production of microelectromechanical structures with a large vertical extent, which uses epitaxial polysilicon as a functional and sacrificial material and builds up a layer structure of epitaxial polysilicon layers (EpiPoly layers) by means of repeating cycles.

Insbesondere bei Bauteilen, die aus einer Vielzahl von arrayförmig angeordneten MEMS-Bauelementen aufgebaut sind, wie zum Beispiel Mikrospiegel-Arrays, besteht die Herausforderung häufig darin, eine hohe Ausbeute an funktionsfähigen MEMS-Bauelementen zu erreichen.Particularly for components that are constructed from a large number of MEMS elements arranged in an array, such as micromirror arrays, the challenge is often to achieve a high yield of functional MEMS components.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines gekoppelten Wafers, ein gekoppelter Wafer, ein Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips und ein MEMS-Chip vorgeschlagen.According to the invention, a method for producing a coupled wafer, a coupled wafer, a method for producing MEMS chips and a MEMS chip are proposed.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines gekoppelten Wafers vorgeschlagen. Hierzu erfolgt ein Bereitstellen eines ersten MEMS-Wafers, wobei der erste MEMS-Wafer eine erste Funktionsschicht mit ersten MEMS-Strukturen, beispielsweise für Aktuatoren und/oder Sensoren, und einen ersten Handlewafer aufweist. Ein solcher Handlewafer kann ein SOI-Handlewafer/Startwafer sein (SOl: Silicon-on-isolator). Davon unabhängig erfolgt ein Bereitstellen eines TSV-Wafers mit Silizium-Durchkontaktierungen (im Folgenden auch kurz als Si-Durchkontaktierungen oder TSVs bezeichnet (wobei TSV für through-silicon via steht) und anschließend ein Verbinden einer ersten Seite des ersten MEMS-Wafers mit einer ersten Seite des TSV-Wafers derart, dass ein gekoppelter Wafer erhalten wird.According to a first aspect of the invention, a method for producing a coupled wafer is proposed. For this purpose, a first MEMS wafer is provided, wherein the first MEMS wafer has a first functional layer with first MEMS structures, for example, for actuators and/or sensors, and a first handle wafer. Such a handle wafer can be an SOI handle wafer/start wafer (SOI: silicon-on-insulator). Independently thereof, a TSV wafer with silicon vias (hereinafter also referred to as Si vias or TSVs for short) is provided, and then a first side of the first MEMS wafer is connected to a first side of the TSV wafer such that a coupled wafer is obtained.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin ein Bereitstellen eines zweiten MEMS-Wafers, beispielsweise in der Form eines SOI-Wafers und/oder mit Strukturen für Spiegelplatten, wobei der zweite MEMS-Wafer eine zweite Funktionsschicht mit zweiten MEMS-Strukturen und einen zweiten Handlewafer und vorzugsweise eine zwischen Handlewafer und Funktionsschicht angeordnete Siliziumdioxidschicht aufweist, und ein Verbinden einer von der ersten Seite verschiedenen zweiten Seite des ersten MEMS-Wafers mit einer Seite des zweiten MEMS-Wafers, vorzugsweise über elektrische leitfähige Bondverbindungen.Preferably, the method further comprises providing a second MEMS wafer, for example in the form of an SOI wafer and/or with structures for mirror plates, wherein the second MEMS wafer has a second functional layer with second MEMS structures and a second handle wafer and preferably a silicon dioxide layer arranged between the handle wafer and the functional layer, and connecting a second side of the first MEMS wafer, which is different from the first side, to a side of the second MEMS wafer, preferably via electrically conductive bond connections.

Die ersten Strukturen und/oder die zweiten MEMS-Strukturen können Strukturen für ein oder mehrere herzustellende MEMS-Bauelemente wie MEMS-Sensoren und/oder MEMS-Aktuatoren umfassen oder sein. Insbesondere können die ersten und/oder die zweiten MEMS-Strukturen hierbei so angeordnet sein, dass die herzustellenden MEMS-Bauelemente eine arrayförmige und insbesondere rechteckige oder quadratische Anordnung aufweisen, beispielsweise eine 2x2-, 3x2-3x3-, 3x4- oder 4x4-Anordnung. Bei den MEMS-Bauelementen kann es sich beispielsweise um MEMS-Inertialsensoren, MEMS-Drucksensoren, MEMS-Mikrofone, MEMS-Mikrospiegel und/oder MEMS-Resonatoren handeln. Beispielsweise umfassen die ersten MEMS-Strukturen Strukturen für Aktuatoren und/oder Sensoren und die zweiten MEMS-Strukturen Strukturen für Spiegelplatten.The first structures and/or the second MEMS structures can comprise or be structures for one or more MEMS components to be manufactured, such as MEMS sensors and/or MEMS actuators. In particular, the first and/or the second MEMS structures can be arranged such that the MEMS components to be manufactured have an array-like and in particular rectangular or square arrangement, for example a 2x2, 3x2, 3x3, 3x4, or 4x4 arrangement. The MEMS components can be, for example, MEMS inertial sensors, MEMS pressure sensors, MEMS microphones, MEMS micromirrors, and/or MEMS resonators. For example, the first MEMS structures comprise structures for actuators and/or sensors, and the second MEMS structures comprise structures for mirror plates.

Die Funktionsschichten und die Handlewafer des ersten und/oder zweiten MEMS-Wafers bestehen aus Silizium oder umfassen dieses. Auch Metalle und/oder Halbleiteroxide können in der ersten und/oder der zweiten Funktionsschicht enthalten sein. So können die erste und/oder die zweite Funktionsschicht Opferbereiche aus einem Halbleiter wie Silizium und/oder einem Halbleiteroxid wie einem Siliziumdioxid umfassen. Die ersten und/oder die zweiten MEMS-Strukturen können neben rein mechanischen Strukturen beispielsweise Strukturen für Aktuatoren, Sensoren, Spiegeloberflächen, eine oder mehrere elektronische Schaltungen, integrierte Schaltkreise (IC, integrated circuit), Elektroden und/oder Durchkontaktierungen wie Silizium-Durchkontaktierungen (TSV, through-silicon via) umfassen.The functional layers and the handle wafers of the first and/or second MEMS wafer consist of silicon or comprise it. Metals and/or semiconductor oxides can also be contained in the first and/or second functional layer. Thus, the first and/or second functional layer can comprise sacrificial regions made of a semiconductor such as silicon and/or a semiconductor oxide such as silicon dioxide. In addition to purely mechanical structures, the first and/or second MEMS structures can, for example, include structures for actuators, sensors, mirror surfaces, one or more electronic circuits, integrated circuits (ICs), electrodes and/or vias such as silicon vias. contacts (TSV, through-silicon via).

Das Bereitstellen des TSV-Wafers kann dadurch erfolgen, dass zuerst ein Bereitstellen eines Siliziumwafers, beispielsweise in einer Dicke bis 100 µm, bis 200 µm, bis 300 µm, bis 400 µm, bis 500 µm oder mehr als 500 µm, erfolgt. Diese Dicke des Siliziumwafers wird entsprechend der gewünschten Dicke des TSV-Wafers gewählt. Anschließend erfolgt ein Oxidieren, beispielsweise mittels eines thermischen Oxidierens und/oder LPCVD (low pressure chemical vapour deposition), des Siliziumwafers zur Ausprägung einer Siliziumdioxidschicht auf einer Oberfläche des Siliziumwafers. Unter einem Oxidieren wird hier und im Folgenden sowohl eine herbeigeführte Oxidation von Teilen des Wafers, beispielsweise mittels eines thermischen Oxidierens, als auch das Aufbringen einer Oxidschicht von außen, beispielsweise mittels LPCVS, verstanden. Die dieser Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers sei als Waferrückseite bezeichnet. Eine Ätzmaske wird anschließend durch Strukturieren der Siliziumoxidschicht erzeugt. Nun werden den Siliziumwafer durchdringende Löcher für die Silizium-Durchkontaktierungen unter Verwendung der Ätzmaske, beispielsweise mittels des Bosch-Prozesses, erzeugt. Diese Löcher erstrecken sich bis zu einer unterseitigen, also auf der Waferrückseite liegenden Siliziumdioxidschicht, die als Ätzstoppschicht wirkt. Ein zumindest teilweises Entfernen der Siliziumdioxidschicht auf der Waferrückseite, die als Ätzstoppschicht wirkt, beispielsweise mittels HF-Gasphasenätzens, Plasmaätzens und/oder nasschemischen Ätzens, führt zur Freilegung der Löcher. Weiterhin erfolgt für das Bereitstellen des TSV-Wafers ein Oxidieren, beispielsweise mittels eines thermischen Oxidierens und/oder LPCVD, der vorzugsweise bereits freigelegten Löcher. Durch das Oxidieren wird also eine Passivierungsschicht in den Löchern erzeugt, und zwar typischerweise derart, dass alle offenen Siliziumoberflächen in und vorzugsweise auch außerhalb der Löcher passiviert werden.The TSV wafer can be prepared by first providing a silicon wafer, for example, with a thickness of up to 100 µm, up to 200 µm, up to 300 µm, up to 400 µm, up to 500 µm, or more than 500 µm. This thickness of the silicon wafer is selected according to the desired thickness of the TSV wafer. Subsequently, the silicon wafer is oxidized, for example by thermal oxidation and/or LPCVD (low-pressure chemical vapor deposition), to form a silicon dioxide layer on a surface of the silicon wafer. Oxidation is understood here and below to mean both the induced oxidation of parts of the wafer, for example by thermal oxidation, and the application of an oxide layer from the outside, for example by LPCVD. The surface of the wafer opposite this surface is referred to as the wafer backside. An etching mask is then created by structuring the silicon oxide layer. Penetrating holes for the silicon vias are then created in the silicon wafer using the etching mask, for example, using the Bosch process. These holes extend to a silicon dioxide layer on the underside, i.e., on the back of the wafer, which acts as an etch stop layer. At least partial removal of the silicon dioxide layer on the back of the wafer, which acts as an etch stop layer, for example, using RF vapor phase etching, plasma etching, and/or wet chemical etching, exposes the holes. Furthermore, to prepare the TSV wafer, the preferably already exposed holes are oxidized, for example, using thermal oxidation and/or LPCVD. The oxidation thus creates a passivation layer in the holes, typically in such a way that all exposed silicon surfaces inside and preferably also outside the holes are passivated.

Alternativ zu einem solchen Vorgehen kann der TSV-Wafer auch dadurch bereitgestellt werden, dass nach einem Bereitstellen eines Siliziumwafers, vorzugsweise mit einer Dicke bis zu 1000 µm, besonders vorzugsweise bis zu 800 µm, ganz besonders vorzugsweise bis zu 725 µm, ein Aufbringen einer Ätzmaske, wie einer Fotolackschicht und/oder einer Oxid-Hartmaske, auf eine Oberfläche des Siliziumwafers erfolgt. Eine Oxid-Hartmaske (engl. hardmask) ist eine Variante einer Ätzmaske zur Strukturierung von Gräben und/oder Löchern. Sie kann beispielsweise aus einem Metall bestehen oder ein Metall umfassen. An diesen Schritt schließt sich ein Strukturieren der Ätzmaske an sowie dann ein Ätzen von Löchern in den Siliziumwafer unter Verwendung der so strukturierten Ätzmaske. Diese Löcher werden hierbei vorzugsweise als Sacklöcher ausgeprägt, sie müssen den Wafer folglich nach diesem Schritt noch nicht durchdringen. Schließlich erfolgt ein Rückdünnen des Siliziumwafers, beispielsweise mittels eines Rückschleifens, derart, dass die Löcher den Siliziumwafer vollständig durchdringen. Es erfolgt also ein Öffnen der Sacklöcher. Durch dieses Rückdünnen, beispielsweise ein Schleifen, kann die Zieldicke des TSV-eingestellt werden, beispielsweise so, dass diese zwischen 50 µm und 700 µm liegt. Schließlich erfolgt ein Oxidieren der Löcher, beispielsweise mittels eines thermischen Oxidierens und/oder LPCVD (low pressure chemical vapour deposition), und zwar vorzugsweise derart, dass alle offenen Siliziumoberflächen passiviert werden, wobei vor diesem Schritt ein Reinigen des TSV-Wafers durchgeführt werden kann.As an alternative to such a procedure, the TSV wafer can also be prepared by providing a silicon wafer, preferably with a thickness of up to 1000 µm, particularly preferably up to 800 µm, and most particularly preferably up to 725 µm, followed by applying an etching mask, such as a photoresist layer and/or an oxide hard mask, to a surface of the silicon wafer. An oxide hard mask is a variant of an etching mask for structuring trenches and/or holes. It can, for example, consist of a metal or comprise a metal. This step is followed by structuring the etching mask and then etching holes into the silicon wafer using the etching mask thus structured. These holes are preferably formed as blind holes; therefore, they do not have to penetrate the wafer after this step. Finally, the silicon wafer is thinned back, for example, by back-grinding, such that the holes completely penetrate the silicon wafer. This opens the blind holes. Through this thinning, for example, by grinding, the target thickness of the TSV can be adjusted, for example, to between 50 µm and 700 µm. Finally, the holes are oxidized, for example, by thermal oxidation and/or LPCVD (low-pressure chemical vapor deposition), preferably in such a way that all exposed silicon surfaces are passivated. Cleaning of the TSV wafer can be performed prior to this step.

In beiden Varianten können gegebenenfalls benötigte Justagemarken vor dem Anlegen der Löcher in das Rohsilizium geätzt werden. In den Folgeschritten sind die Justagemarken durch das Passivierungsoxid geschützt. Justagemarken können eingesetzt werden, um MEMS-Wafer und TSV-Wafer so zu verbonden, dass Strukturen (beispielsweise Kontaktflächen) zueinander justiert sind. Die Justagemarken werden für ein justiertes Wafer-zu-Wafer-Bonden verwendet.In both variants, any required alignment marks can be etched into the raw silicon before the holes are created. In subsequent steps, the alignment marks are protected by the passivation oxide. Alignment marks can be used to bond MEMS wafers and TSV wafers so that structures (e.g., contact areas) are aligned to each other. The alignment marks are used for aligned wafer-to-wafer bonding.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise als weitere Schritte ein zumindest teilweises, vorzugsweise vollständiges Entfernen des ersten Handlewafers und hierdurch Freilegen einer Oberfläche der ersten Funktionsschicht und ein Hinzufügen von weiteren ersten MEMS-Strukturen durch Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren Schichten mit den weiteren ersten MEMS-Strukturen auf der freigelegten Oberfläche.The method according to the invention preferably comprises, as further steps, an at least partial, preferably complete removal of the first handle wafer and thereby exposing a surface of the first functional layer and an addition of further first MEMS structures by growing one or more further layers with the further first MEMS structures on the exposed surface.

Weiterhin erfolgt vorzugsweise das Verbinden der ersten Seite des ersten MEMS-Wafers mit der ersten Seite des TSV-Wafers zeitlich vor dem Verbinden der zweiten Seite des ersten MEMS-Wafers mit der Seite des zweiten MEMS-Wafers.Furthermore, the first side of the first MEMS wafer is preferably connected to the first side of the TSV wafer before the second side of the first MEMS wafer is connected to the side of the second MEMS wafer.

Bevorzugt umfasst das Bereitstellen des ersten MEMS-Wafers und des TSV-Wafers ein Herstellen des ersten MEMS-Wafers und des TSV-Wafers, wobei das Herstellen des ersten MEMS-Wafers und des TSV-Wafers zeitlich überschneidend erfolgt.Preferably, providing the first MEMS wafer and the TSV wafer comprises producing the first MEMS wafer and the TSV wafer, wherein the production of the first MEMS wafer and the TSV wafer occurs at an overlapping time.

Weiterhin bevorzugt werden durch das Verbinden der ersten Seite des ersten MEMS-Wafers mit der ersten Seite des TSV-Wafers eine oder mehrere Verbindungsstellen, insbesondere Bondverbindungen, ausgeprägt, die zur Weiterleitung elektrischer Signale zwischen einer Umverdrahtungsebene des MEMS-Wafers und zumindest einem Teil der Silizium-Durchkontaktierungen des TSV-Wafers geeignet sind.Furthermore, by connecting the first side of the first MEMS wafer to the first side of the TSV wafer, one or more connection points, in particular bond connections, are formed, which are used to transmit electrical signals between a rewiring level of the MEMS wafer and at least some of the silicon vias of the TSV wafer.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein gekoppelter Wafer vorgeschlagen, vorzugsweise hergestellt nach einem der Verfahren wie oben beschrieben, der einen ersten MEMS-Wafer umfasst, wobei der erste MEMS-Wafer eine erste Funktionsschicht mit ersten MEMS-Strukturen und einen ersten Handlewafer aufweist, der ein SOI-Handlewafer/Startwafer sein kann. Weiterhin umfasst der gekoppelte Wafer einen TSV-Wafer mit Silizium-Durchkontaktierungen, wobei eine erste Seite des ersten MEMS-Wafers mit einer ersten Seite des TSV-Wafers verbunden ist.According to a second aspect of the invention, a coupled wafer is proposed, preferably manufactured according to one of the methods described above, comprising a first MEMS wafer, wherein the first MEMS wafer has a first functional layer with first MEMS structures and a first handle wafer, which may be an SOI handle wafer/start wafer. Furthermore, the coupled wafer comprises a TSV wafer with silicon vias, wherein a first side of the first MEMS wafer is connected to a first side of the TSV wafer.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips mit einem oder mehreren MEMS-Bauelementen vorgeschlagen. Dieses umfasst ein Herstellen eines gekoppelten Wafers umfassend einen erfindungsgemäßen gekoppelten Wafer wie soeben beschrieben sowie ein Vereinzeln des gekoppelten Wafers in eine Mehrzahl von MEMS-Chips wie Mikrospiegel-Chips und/oder MMA-Chips, wobei jeder MEMS-Chip mehrere MEMS-Bauelemente umfassen kann. Vorzugsweise erfolgt hierbei das Herstellen des gekoppelten Wafers unter Bereitstellen eines zweiten MEMS-Wafers wie oben beschrieben, wobei der gekoppelte Wafer weiterhin den zweiten MEMS-Wafer umfasst.According to a third aspect of the invention, a method for producing MEMS chips with one or more MEMS components is proposed. This method comprises producing a coupled wafer comprising a coupled wafer according to the invention as just described, and singulating the coupled wafer into a plurality of MEMS chips, such as micromirror chips and/or MMA chips, wherein each MEMS chip can comprise multiple MEMS components. Preferably, the coupled wafer is produced by providing a second MEMS wafer as described above, wherein the coupled wafer further comprises the second MEMS wafer.

Nach dem Herstellen des gekoppelten Wafers und vor dem Vereinzeln des gekoppelten Wafers kann ein Freistellen der ersten MEMS-Strukturen und/oder der zweiten MEMS-Strukturen erfolgen.After the coupled wafer has been manufactured and before the coupled wafer has been singulated, the first MEMS structures and/or the second MEMS structures can be exposed.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein MEMS-Chip, hergestellt nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips, vorgeschlagen.According to a fourth aspect of the invention, a MEMS chip produced by one of the inventive methods for producing MEMS chips is proposed.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung beschreibt einen Ansatz, bei Herstellungsprozessen von MEMS-Chips parallel zu einem MEMS-Wafer einen TSV-Wafer bereitzustellen und diesen für die Umverdrahtung als Handlewafer als auch für die weitere Prozessierung einzusetzen. Der TSV-Wafer ersetzt hierbei ein klassisches Aufwachsen von Schichten zur Erstellung einer Grundplatte. Hierdurch lassen sich Prozesse parallelisieren, da ein klassisches Aufwachsen von Schichten vermieden wird. Die Durchlaufzeit wird folglich verkürzt und gleichzeitig die Stabilität der MEMS-Chips erhöht. Insgesamt wird hierdurch auch eine höhere Ausbeute und eine Hochtemperatur-Kompatibilität erreicht und die Flexibilität erhöht.The invention describes an approach for providing a TSV wafer in parallel with a MEMS wafer during MEMS chip manufacturing processes and using this wafer for rewiring as a handle wafer and for further processing. The TSV wafer replaces the traditional layer growth process for creating a base plate. This allows for parallelization of processes, as traditional layer growth is avoided. Consequently, the throughput time is shortened and the stability of the MEMS chips is increased. Overall, this also achieves higher yields and high-temperature compatibility, as well as increased flexibility.

Eine klassische Grundplatte für MEMS-Chips übernimmt typischerweise die Funktionen Umverdrahtung, Stabilisierung und Signalführung. Der Aufbau einer solchen Grundplatte aus einzelnen Schichten ist sehr zeitaufwändig. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Grundplatte als TSV-Wafer zu realisieren. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Verwendung eines TSV-Wafers kann für eine Umverdrahtung dann zum Beispiel eine vergleichsweise dünne EPyC-Schicht vorgesehen sein. Hierdurch wird eine geringe Gesamtprozesszeit ermöglicht. Die Dicke des TSV-Wafers kann durch ein Rückdünnen, beispielsweise durch ein Schleifen, beliebig zwischen 50 µm und 700 µm oder mehr eingestellt werden.A conventional base plate for MEMS chips typically performs the functions of rewiring, stabilization, and signal routing. Constructing such a base plate from individual layers is very time-consuming. According to the invention, the base plate is implemented as a TSV wafer. With such an inventive use of a TSV wafer, a comparatively thin EPyC layer, for example, can be provided for rewiring. This enables a short overall process time. The thickness of the TSV wafer can be adjusted by rethinning, for example, by grinding, to any value between 50 µm and 700 µm or more.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1A bis 1E schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines gekoppelten Wafers;
  • 2A, 2B schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen eines TSV-Wafers;
  • 3A, 3B schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung von Details eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von MEMS-Baugruppen;
  • 4 schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung von Details eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen eines TSV-Wafers;
  • 5 schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen gekoppelten Wafer sowie verschiedene TSV-Querschnittsflächen in ebenfalls schematischer Darstellung; und
  • 6 in schematischer Form als Flussdiagramm ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines gekoppelten Wafers und daraus von MEMS-Chips.
They show:
  • 1A to 1E schematic cross-sectional views to explain a method according to the invention for producing a coupled wafer;
  • 2A , 2B schematic cross-sectional view to explain a method according to the invention for providing a TSV wafer;
  • 3A , 3B schematic cross-sectional representations to explain details of a method according to the invention for producing MEMS assemblies;
  • 4 schematic cross-sectional representations for explaining details of a method according to the invention for providing a TSV wafer;
  • 5 schematic plan view of a coupled wafer according to the invention as well as various TSV cross-sectional areas in a likewise schematic representation; and
  • 6 in schematic form as a flow chart an exemplary method according to the invention for producing a coupled wafer and MEMS chips therefrom.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by the same reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only schematically illustrate the subject matter of the invention.

Die 1A bis 1E zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines gekoppelten Wafers.The 1A to 1E show schematic cross-sectional views to explain a method according to the invention for producing a coupled wafer.

1A zeigt einen Ausschnitt eines ersten MEMS-Wafers 110, wobei der erste MEMS-Wafer 110 eine erste Funktionsschicht 112 mit ersten MEMS-Strukturen 112' und einen ersten Handlewafer 114 aufweist. Hierbei sind in dieser und den folgenden Figuren MEMS-Strukturen schematisch durch waagerecht und senkrecht verlaufende Linien 113, die beispielsweise Passivierungsschichten symbolisieren, angedeutet. 1A shows a section of a first MEMS wafer 110, wherein the first MEMS wafer 110 has a first functional layer 112 with first MEMS structures 112' and a first handle wafer 114. In this and the following figures, MEMS structures are schematically indicated by horizontal and vertical lines 113, which symbolize, for example, passivation layers.

Dieser erste MEMS-Wafer 110 wird nun in 1B mit einem TSV-Wafer 120 mit Si-Durchkontaktierungen 150 verbunden, die beispielsweise mit dotiertem Polysilizium, Kupfer, Wolfram und/oder Metallsiliziden verfüllt sind, die beispielsweise mittels LPCVD (LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition) aufgebracht werden können. Genauer erfolgt ein Verbinden einer ersten Seite des ersten MEMS-Wafers (110) mit einer ersten Seite 120a des TSV-Wafers 120 derart, dass ein gekoppelter Wafer 100 erhalten wird. Durch die LPCVD-Abscheidung wurde auf dem TSV-Wafer 120 eine Materialschicht, bspw. eine Polysiliziumschicht 124 erzeugt. Im Fall von LPCVD-Polysilizium kann dieses in-situ sowohl mit Bor als auch mit Phosphor dotiert werden.This first MEMS wafer 110 is now in 1B connected to a TSV wafer 120 with Si vias 150, which are filled, for example, with doped polysilicon, copper, tungsten, and/or metal silicides, which can be applied, for example, using LPCVD (LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition). More specifically, a first side of the first MEMS wafer (110) is connected to a first side 120a of the TSV wafer 120 in such a way that a coupled wafer 100 is obtained. A material layer, for example, a polysilicon layer 124, was created on the TSV wafer 120 by the LPCVD deposition. In the case of LPCVD polysilicon, this can be doped in-situ with both boron and phosphorus.

1C zeigt die Situation nach einem folgenden vollständigen Entfernen des ersten Handlewafers 114 und hierdurch Freilegen einer Oberfläche 112a der ersten Funktionsschicht 112. Dem gekoppelten Wafer 100 wurden weitere erste MEMS-Strukturen 116' durch Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren Schichten 116 mit den weiteren ersten MEMS-Strukturen 116' auf der freigelegten Oberfläche 112a hinzugefügt. 1C shows the situation after a subsequent complete removal of the first handle wafer 114 and thereby exposing a surface 112a of the first functional layer 112. Further first MEMS structures 116' were added to the coupled wafer 100 by growing one or more further layers 116 with the further first MEMS structures 116' on the exposed surface 112a.

Nun kann nach einem Bereitstellen eines zweiten MEMS-Wafers 130, wobei der zweite MEMS-Wafer 130 eine zweite Funktionsschicht 132 mit zweiten MEMS-Strukturen 132' und einen zweiten Handlewafer 134 aufweist, mit dem gekoppelten Wafer 100 verbunden werden, wobei eine von der ersten Seite 110a verschiedene zweite Seite 110b des ersten MEMS-Wafers 110 mit einer Seite 130b des zweiten MEMS-Wafers 130 über Bondverbindungen 180 verbunden wird. Das Ergebnis ist in 1D gezeigt.Now, after providing a second MEMS wafer 130, wherein the second MEMS wafer 130 has a second functional layer 132 with second MEMS structures 132' and a second handle wafer 134, it can be connected to the coupled wafer 100, wherein a second side 110b of the first MEMS wafer 110, different from the first side 110a, is connected to a side 130b of the second MEMS wafer 130 via bond connections 180. The result is shown in 1D shown.

Wie in 1E schließlich gezeigt können durch gezieltes Entfernen der Polysiliziumschicht 124 und Durchführen einer Metallisierung Metallkontakte 190 erzeugt werden, die in elektrischem Kontakt mit den Si-Durchkontaktierungen 150 stehen.As in 1E Finally, as shown, by selectively removing the polysilicon layer 124 and performing metallization, metal contacts 190 can be produced which are in electrical contact with the Si vias 150.

Die 2A, 2B zeigen nun eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen eines TSV-Wafers 120 in zwei Varianten, wobei die Abfolge der Schritte mit Hilfe von Pfeilen 280 verdeutlicht ist.The 2A , 2B now show a schematic cross-sectional illustration to explain a method according to the invention for providing a TSV wafer 120 in two variants, wherein the sequence of steps is illustrated by means of arrows 280.

Gemäß der ersten Variante gemäß 2A erfolgt, wie in Teilfigur (i) dargestellt, ein Bereitstellen eines Siliziumwafers 210 mit einer Dicke 211, die entsprechend der gewünschten Zieldicke des TSV-Wafers 120 gewählt wird. Beispielsweise kann diese Dicke 211 hierbei bis zu 100 µm, bis zu 200 µm, bis zu 300 µm, bis zu 400 µm, bis zu 500 µm oder mehr als 500 µm betragen. Nach einem, beispielsweise thermischen Oxidieren des Siliziumwafers 210 zur Ausprägung einer Siliziumdioxidschicht 220 auf einer Oberfläche des Siliziumwafers 210 (Teilfigur (iii)) erfolgt das Erzeugen einer Ätzmaske 220' durch Strukturieren der Siliziumoxidschicht 220 auf dem oben liegenden Teilbereich der Siliziumdioxidschicht 220.According to the first variant according to 2A As shown in sub-figure (i), a silicon wafer 210 is provided with a thickness 211 selected according to the desired target thickness of the TSV wafer 120. For example, this thickness 211 can be up to 100 µm, up to 200 µm, up to 300 µm, up to 400 µm, up to 500 µm, or more than 500 µm. After, for example, thermal oxidation of the silicon wafer 210 to form a silicon dioxide layer 220 on a surface of the silicon wafer 210 (sub-figure (iii)), an etching mask 220' is created by structuring the silicon oxide layer 220 on the upper portion of the silicon dioxide layer 220.

Unter Verwendung der Ätzmaske 220' kann, wie in Teilfigur (iii) gezeigt, ein Erzeugen von den Siliziumwafer 210 durchdringenden Löchern 250 für die Silizium-Durchkontaktierungen 150 erfolgen. Hierbei dient der unten liegende Teilbereich der Siliziumdioxidschicht 220 als Ätzstoppschicht. Dieser Teil wird in Teilfigur (iv) nun im Bereich der Löcher 250 entfernt, wodurch eine Freilegung dieser Löcher 250 erfolgt. Sie durchdringen nun den Siliziumwafers 210 in seiner gesamten Dicke 211. Schließlich folgt ein beispielsweise thermisches Oxidieren der Löcher 250 zum Erzeugen einer Passivierungsschicht 122 in den Löchern 250, wobei das Ergebnis, der fertige TSV-Wafer 120, in Teilfigur (v) dargestellt ist.Using the etching mask 220', holes 250 penetrating the silicon wafer 210 for the silicon vias 150 can be created, as shown in sub-figure (iii). The underlying portion of the silicon dioxide layer 220 serves as an etch stop layer. This portion is then removed in sub-figure (iv) in the region of the holes 250, thereby exposing these holes 250. They now penetrate the entire thickness 211 of the silicon wafer 210. Finally, the holes 250 are thermally oxidized, for example, to create a passivation layer 122 in the holes 250. The result, the finished TSV wafer 120, is shown in sub-figure (v).

2B zeigt eine Alternative des Verfahrens aus 2A. Hierbei erfolgt erneut ein Bereitstellen eines Siliziumwafers 210 (Teilfigur (i), diesmal beispielsweise mit einer Dicke 211 von bis zu 1000 µm, vorzugsweise bis zu 800 µm, besonders vorzugsweise bis zu 725 µm. Auf die oben liegende Oberfläche des Siliziumwafers 210 wird nun in Teilfigur (ii) eine Ätzmaske 220' wie beispielsweise eine Oxid-Hartmaske 221, aufgebracht und anschließend strukturiert. Nun erfolgt, wie in Teilfigur (iii) gezeigt, ein Ätzen von Löchern 250 in den Siliziumwafer 210 unter Verwendung der strukturierten Ätzmaske 220'. Diese Löcher 250 sind im Gegensatz zu den Löchern 250 der 2A als Sacklöcher ausgeprägt, sie durchdringen den Siliziumwafer 210 nicht. 2B shows an alternative of the procedure 2A . Here, a silicon wafer 210 is again provided (partial figure (i), this time for example with a thickness 211 of up to 1000 µm, preferably up to 800 µm, particularly preferably up to 725 µm. An etching mask 220', such as an oxide hard mask 221, is then applied to the upper surface of the silicon wafer 210 in part figure (ii) and then structured. Now, as shown in part figure (iii), holes 250 are etched into the silicon wafer 210 using the structured etching mask 220'. These holes 250 are, in contrast to the holes 250 of the 2A as blind holes, they do not penetrate the silicon wafer 210.

Anschließend kann, wie in Teilfigur (iv) gezeigt, der Siliziumwafer 210 ausgedünnt, beispielsweise rückgeschliffen, werden. Dies erfolgt derart, dass die Löcher 250 den Siliziumwafer 210 vollständig durchdringen. Es erfolgt demnach ein Öffnen von Sacklöchern. Durch dieses Rückdünnen wird die Zieldicke des herzustellenden TSV-Wafers 120 eingestellt. Abschließend erfolgt ein Oxidieren, beispielsweise ein thermisches Oxidieren des ausgedünnten Siliziumwafers 210 oder durch einen Einsatz von LPCVD, um alle offenen Siliziumflächen zu passivieren. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Teilfigur (v) dargestellt und stellt den fertigen TSV-Wafer 120 dar. Durch das Oxidieren sind Passivierungsschichten 122 an den Wänden der Löcher 250 entstanden. Auch alle restlichen offenen Oberflächen des Siliziumwafers 210 wurden durch diesen Schritt, wie in Teilfigur (v) durch eingezeichnete weitere Passivierungsschichten 222 verdeutlicht, durch das Oxidieren passiviert. Vor dem Oxidieren wird bevorzugt ein Reinigen des Siliziumwafers 210 durchgeführt.Subsequently, as shown in sub-figure (iv), the silicon wafer 210 can be thinned, for example, ground back. This is done in such a way that the holes 250 completely penetrate the silicon wafer 210. Thus, blind holes are opened. Through this thinning The target thickness of the TSV wafer 120 to be produced is set. Finally, oxidation is performed, for example, thermal oxidation of the thinned silicon wafer 210 or through the use of LPCVD, to passivate all exposed silicon surfaces. The result of this step is shown in sub-figure (v) and represents the finished TSV wafer 120. The oxidation created passivation layers 122 on the walls of the holes 250. All remaining exposed surfaces of the silicon wafer 210 were also passivated by oxidation in this step, as illustrated in sub-figure (v) by additional passivation layers 222 drawn in. Before oxidation, the silicon wafer 210 is preferably cleaned.

3A, 3B zeigen nun schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung von Details eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von MEMS-Baugruppen. Die zeitliche Reihenfolge der Verfahrensschritte ist, wie bereits in den 2A, 2B, durch Pfeile 280 verdeutlicht. 3A , 3B now show schematic cross-sectional views to explain details of a method according to the invention for producing MEMS modules. The chronological order of the process steps is, as already shown in the 2A , 2B , indicated by arrows 280.

Genauer zeigen die 3A und 3B Details des Schritts des Verbindens eines TSV-Wafers 120 mit einem MEMS-Wafer 110, wie einem Aktuator-Wafer, wobei Möglichkeiten zur Gestaltung einer Umverdrahtungsebene 300 und zum Verfüllen der Löcher 250 gezeigt werden. Hierbei zeigen die Teilfiguren (i) bis (iv) der 3A beziehungsweise die Teilfiguren (i) bis (v) der 3B jeweils vergrößerte Darstellungen eines in den 3A, 3B oben links dargestellten gekoppelten Wafers 100, wobei in dieser Gesamtansicht die gezeigten Elemente und Strukturen gegenüber den Teilfiguren weiter vereinfacht dargestellt sind. So wurde beispielsweise auf eine Einzeichnung der Signalleitungen 330 des MEMS-Wafers 110 verzichtet. Grob entspricht die in der Gesamtansicht dargestellte Situation am ehesten den Teilfiguren (ii).More precisely, the 3A and 3B Details of the step of connecting a TSV wafer 120 to a MEMS wafer 110, such as an actuator wafer, showing possibilities for designing a redistribution layer 300 and for filling the holes 250. Here, the sub-figures (i) to (iv) of the 3A or the sub-figures (i) to (v) of the 3B each enlarged representation of a 3A , 3B The coupled wafer 100 shown at the top left, with the elements and structures shown in this overall view being further simplified compared to the partial figures. For example, the signal lines 330 of the MEMS wafer 110 have been omitted. Roughly speaking, the situation shown in the overall view most closely corresponds to the partial figures (ii).

Typischerweise benötigt der erste MEMS-Wafer 110 nur eine dünne Umverdrahtungsebene 300. Ein Deckoxid 320 der auf der zum TSV-Wafer 120 hin gerichteten Seite der Umverdrahtungsebene 300 des MEMS-Wafers 110 wird poliert und so strukturiert, dass die Signalleitungen 330 in Deckung mit den Löchern 250 des TSV-Wafers 120 liegen. Diese Situation ist in Teilfigur (i) gezeigt, wobei neben dem Deckoxid 320 auch weitere mögliche Passivierungsschichten 340, 350 des MEMS-Wafers 110 eingezeichnet sind. Anschließend erfolgt ein Bonden der Wafer 110, 120, beispielsweise durch ein hydrophiles SiO2-SiO2-Bonden. Die Signalleitungen 330 des MEMS-Wafers 110 sind dabei frei von Oxiden und durch die Löcher 250 des TSV-Wafers 120 zur Rückseite des gekoppelten Wafers 100 hin geöffnet und zugänglich. Hierbei sind die Löcher 250 mit Passivierungsschichten 122 versehen. Zu diesem Zeitpunkt (Teilfigur (ii)) ist noch kein elektrischer Kontakt zwischen TSV-Wafer 120 und MEMS-Wafer 110 hergestellt. Durch einen Reinigungsschritt können eventuell vorhandene native Oxide auf den Siliziumkontaktflächen entfernt werden. Der elektrische Kontakt wird nun im nächsten Schritt (Teilfigur (iii)) durch Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials 150, beispielsweise LPCVD-abgeschiedenes dotiertes Polysilizium, hergestellt, wobei aber auch Kupfer, Wolfram und/oder Metallsilizide möglich sind. Dieses Füllmaterial 150 kleidet im Prozess die passivierten Löcher 250 gleichmäßig aus und stellt so eine elektrische Verbindung zwischen den Signalleitungen 330 des ersten MEMS-Wafers 110 und der Oberseite des TSV-Wafers 120 her. Es wird so viel Füllmaterial 150 abgeschieden, bis die Löcher 250 vollständig verschlossen sind, um eine geschlossene Ebene 124, beispielsweise eine Polysiliziumschicht 124, auf der Oberseite des TSV-Wafers 120 zu erzielen und die Weiterprozessierbarkeit sicherzustellen.Typically, the first MEMS wafer 110 requires only a thin redistribution layer 300. A cover oxide 320 of the redistribution layer 300 of the MEMS wafer 110 on the side of the redistribution layer 300 facing the TSV wafer 120 is polished and structured such that the signal lines 330 are aligned with the holes 250 of the TSV wafer 120. This situation is shown in sub-figure (i), where, in addition to the cover oxide 320, other possible passivation layers 340, 350 of the MEMS wafer 110 are also shown. Subsequently, the wafers 110, 120 are bonded, for example, by hydrophilic SiO2 - SiO2 bonding. The signal lines 330 of the MEMS wafer 110 are free of oxides and open and accessible through the holes 250 of the TSV wafer 120 to the backside of the coupled wafer 100. The holes 250 are provided with passivation layers 122. At this point in time (partial figure (ii)), no electrical contact has yet been established between the TSV wafer 120 and the MEMS wafer 110. Any native oxides present on the silicon contact surfaces can be removed by a cleaning step. The electrical contact is then established in the next step (partial figure (iii)) by depositing an electrically conductive material 150, for example, LPCVD-deposited doped polysilicon, although copper, tungsten, and/or metal silicides are also possible. This fill material 150 evenly lines the passivated holes 250 during the process, thus establishing an electrical connection between the signal lines 330 of the first MEMS wafer 110 and the top surface of the TSV wafer 120. Sufficient fill material 150 is deposited until the holes 250 are completely closed in order to achieve a closed plane 124, for example, a polysilicon layer 124, on the top surface of the TSV wafer 120 and to ensure further processability.

Um den vollständigen Verschluss der Löcher 250 mit Polysilizium zu vereinfachen und zu beschleunigen, kann eine künstliche Verengung der Löcher 250 durch ein vorher abgeschiedenes PECVD-Oxid (PECVD: plasma-enhanced chemical vapour deposition) vorgesehen werden. Ein solches Vorgehen ist in 4 verdeutlicht. Hierbei zeigt die Teilfigur (ii) ein entsprechend mittels eines anisotropen Wachstums durch PECVD erreichte Verengung 410, wobei dieses Vorgehen in den Teilfiguren (iii) bis (v) in Vergrößerung gezeigt ist. Auch in 4 ist die zeitliche Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte durch Pfeile 280 gekennzeichnet.To simplify and accelerate the complete closure of the holes 250 with polysilicon, an artificial narrowing of the holes 250 by a previously deposited PECVD oxide (PECVD: plasma-enhanced chemical vapor deposition) can be provided. Such a procedure is described in 4 Here, sub-figure (ii) shows a constriction 410 achieved by means of anisotropic growth by PECVD, whereby this procedure is shown in enlarged form in sub-figures (iii) to (v). 4 The chronological sequence of the individual process steps is indicated by arrows 280.

Auch eine Kombination aus LPCVD-Polysilizium 124 (isotropes Wachstum) mit einem anschließenden Epitaxie-Schritt (anisotropes Wachstum), oder eine Kombination aus beiden Varianten, ist möglich. Dieses Variante ist in 3B dargestellt. Hier wird zunächst ein Loch 250 mit LPCVD-Polysilizium 124 ausgekleidet, aber nicht komplett gefüllt (Teilfigur (iii)). Anschließend wird die verbleibende Öffnung in einem Epitaxie-Schritt mit einer anisotropen Passivierungsschicht 360 verschlossen, wobei aber ein Lunker 322, also ein Hohlraum, verbleibt (Teilfigur (iv)).A combination of LPCVD polysilicon 124 (isotropic growth) with a subsequent epitaxial step (anisotropic growth), or a combination of both, is also possible. This variant is available in 3B Here, a hole 250 is first lined with LPCVD polysilicon 124, but not completely filled (partial figure (iii)). Subsequently, the remaining opening is sealed with an anisotropic passivation layer 360 in an epitaxial step, leaving a shrinkage cavity 322, i.e., a hollow space (partial figure (iv)).

Die Löcher 250 sind nun, wie in Teilfigur (iii) der 3A und Teilfigur (iv) der 3B gezeigt, verschlossen und der TSV-Wafer 120 kann als Handlewafer zur Weiterprozessierung des gekoppelten Wafers 100 genutzt werden. Im Vergleich zu 3A, bei der eine Komplettverfüllung des Loches 250 erfolgt, geschieht das Schließen des Loches 250 in der Variante nach 3B durch eine Teilverfüllung in Kombination mit einem Verschluss.The holes 250 are now, as shown in part figure (iii) of the 3A and sub-figure (iv) of the 3B shown, sealed and the TSV wafer 120 can be used as a handle wafer for further processing of the coupled wafer 100. Compared to 3A , in which the hole 250 is completely filled, the closing of the hole 250 is done in the variant according to 3B by partial filling in combination with a closure.

Zu einem geeigneten Zeitpunkt werden die Si-Durchkontaktierungen 150, welche bis hierher im Prozess miteinander kurzgeschlossen waren, elektrisch gegeneinander isoliert. Dies kann mittels einer Metallisierung zur Erzeugung von Metallkontakten 190 und einer anschließenden Passivierung zur Erzeugung einer Passivierungsschicht 350 erfolgen (3A, Teilfigur (iv)). Alternativ zu einer isotropen Passivierungsschicht 350 kann auch, wie in Teilfigur (v) der 3B gezeigt, die anisotrope Polysiliziumschicht 360 gezielt zur Isolierung der Metallkontakte 190 entfernt werden.At an appropriate time, the 150 Si vias, which have been in the process, are electrically isolated from each other. This can be done by metallization to produce metal contacts 190 and subsequent passivation to produce a passivation layer 350 ( 3A , sub-figure (iv)). Alternatively to an isotropic passivation layer 350, as in sub-figure (v) the 3B shown, the anisotropic polysilicon layer 360 is selectively removed to insulate the metal contacts 190.

Die hier beschriebene Prozessabfolge ist beispielhaft und lässt sich modular in einer beliebigen Stelle im Prozessfluss einbauen. Es ist möglich, die TSVs komplett fertig zu stellen, bevor der erste MEMS-Wafer 110 fertig prozessiert wird. Ebenso ist es möglich, den ersten MEMS-Wafer 110 fertig zu prozessieren und anschließend erst mit dem TSV-Wafer 120 zu verbonden.The process sequence described here is exemplary and can be integrated modularly at any point in the process flow. It is possible to completely complete the TSVs before the first MEMS wafer 110 is fully processed. It is also possible to complete the first MEMS wafer 110 and then bond it to the TSV wafer 120.

Der absolute elektrische Widerstand der Si-Durchkontaktierungen 150 beziehungsweise der Füllung mit Füllmaterial kann über deren Querschnittfläche (TSV-Querschnittsflächen) eingestellt werden. Im Einzelnen hängt der elektrische Widerstand einer Si-Durchkontaktierung 150 sowohl von ihrer Querschnittsfläche als auch von ihrer Länge ab. So kann bei konstanter Länge, also TSV-Tiefe, der Widerstand über die TSV-Querschnittsfläche verändert werden. Dabei sollte die Querschnittsfläche eines TSV so gewählt werden, dass der TSV verschlossen werden kann. Neben klassischen, runden oder rechteckigen Formen sind auch komplexere Strukturen, wie beispielsweise Kreuze, Spiralen und/oder Mäander für die Form einer TSV-Querschnittsfläche denkbar. Der absolute elektrische Widerstand der Si-Durchkontaktierungen 150 kann durch die Wahl der TSV-Querschnittsfläche gezielt eingestellt werden. Entsprechende beispielhafte Varianten für eine TSV-Querschnittfläche sind in Teilfigur A der 5 dargestellt, wobei in der Teilfigur B die Anordnung der Si-Durchkontaktierungen 150 auf einem gekoppelten Wafer 100 beispielhaft für eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen 510 gezeigt ist.The absolute electrical resistance of the Si vias 150 or the filling with filler material can be adjusted via their cross-sectional area (TSV cross-sectional area). In detail, the electrical resistance of a Si via 150 depends on both its cross-sectional area and its length. Thus, with a constant length, i.e., TSV depth, the resistance can be varied across the TSV cross-sectional area. The cross-sectional area of a TSV should be selected so that the TSV can be closed. In addition to classic, round, or rectangular shapes, more complex structures, such as crosses, spirals, and/or meanders, are also conceivable for the shape of a TSV cross-sectional area. The absolute electrical resistance of the Si vias 150 can be specifically adjusted by selecting the TSV cross-sectional area. Corresponding exemplary variants for a TSV cross-sectional area are shown in sub-figure A of the 5 shown, wherein in sub-figure B the arrangement of the Si vias 150 on a coupled wafer 100 is shown as an example for a plurality of MEMS components 510.

6 zeigt in schematischer Form als Flussdiagramm ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen 600 eines gekoppelten Wafers 100. Weiterhin zeigt 6 auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips 500. 6 shows in schematic form as a flow chart an exemplary inventive method for producing 600 a coupled wafer 100. Furthermore, 6 also a method according to the invention for producing MEMS chips 500.

Zuerst erfolgt demnach ein Bereitstellen 610 eines ersten MEMS-Wafers 110, wobei der erste MEMS-Wafer 110 eine erste Funktionsschicht 112 mit ersten MEMS-Strukturen 112' und einen ersten Handlewafer 114 aufweist. Davon unabhängig erfolgt ein Bereitstellen 615 eines TSV-Wafers 120 mit Silizium-Durchkontaktierungen 150. In Schritt 620 erfolgt anschließend ein Verbinden einer ersten Seite 110a des ersten MEMS-Wafers 110 mit einer ersten Seite 120a des TSV-Wafers 120 derart, dass ein gekoppelter Wafer 100 erhalten wird.First, a first MEMS wafer 110 is provided 610, wherein the first MEMS wafer 110 has a first functional layer 112 with first MEMS structures 112' and a first handle wafer 114. Independently of this, a TSV wafer 120 with silicon vias 150 is provided 615. In step 620, a first side 110a of the first MEMS wafer 110 is subsequently connected to a first side 120a of the TSV wafer 120 such that a coupled wafer 100 is obtained.

Weiterhin wird ein zweiter MEMS-Wafer 130 bereitgestellt (Schritt 630), wobei der zweite MEMS-Wafer 130 eine zweite Funktionsschicht 132 mit zweiten MEMS-Strukturen 132' und einen zweiten Handlewafer 134 aufweist. Nun erfolgt ein Verbinden 640 einer von der ersten Seite 110a verschiedenen zweiten Seite 110b des ersten MEMS-Wafers 110 mit einer Seite 130b des zweiten MEMS-Wafers 130, beispielsweise über Bondverbindungen 180.Furthermore, a second MEMS wafer 130 is provided (step 630), wherein the second MEMS wafer 130 has a second functional layer 132 with second MEMS structures 132' and a second handle wafer 134. Next, a second side 110b of the first MEMS wafer 110, different from the first side 110a, is connected 640 to a side 130b of the second MEMS wafer 130, for example, via bond connections 180.

Nun kann ein Entfernen 650 des ersten Handlewafers 114 und hierdurch Freilegen einer Oberfläche 112a der ersten Funktionsschicht 112 sowie ein Hinzufügen 660 von weiteren ersten MEMS-Strukturen 116' durch Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren Schichten 116 mit den weiteren ersten MEMS-Strukturen 116' auf der freigelegten Oberfläche 112 erfolgen.Now, a removal 650 of the first handle wafer 114 and thereby exposing a surface 112a of the first functional layer 112 as well as an addition 660 of further first MEMS structures 116' by growing one or more further layers 116 with the further first MEMS structures 116' on the exposed surface 112 can take place.

Nach dem Herstellen 600 des gekoppelten Wafers 100 kann ein Freistellen 670 der ersten MEMS-Strukturen 112', 116' und/oder der zweiten MEMS-Strukturen 132' erfolgen. Schließlich erfolgt ein Vereinzeln 680 des gekoppelten Wafers 100 in eine Mehrzahl von MEMS-Chips 500.After manufacturing 600 the coupled wafer 100, the first MEMS structures 112', 116' and/or the second MEMS structures 132' can be cut out 670. Finally, the coupled wafer 100 is separated 680 into a plurality of MEMS chips 500.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, numerous modifications are possible within the scope of the claims, which are within the scope of one skilled in the art.

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  • DE 10 2015 206 996 A1 [0002]DE 10 2015 206 996 A1 [0002]

Claims (14)

Verfahren zum Herstellen (600) eines gekoppelten Wafers (100) mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen (610) eines ersten MEMS-Wafers (110), wobei der erste MEMS-Wafer (110) eine erste Funktionsschicht (112) mit ersten MEMS-Strukturen (112') und einen ersten Handlewafer (114) aufweist; b. davon unabhängiges Bereitstellen (615) eines TSV-Wafers (120) mit Silizium-Durchkontaktierungen (150); und c. Verbinden (620) einer ersten Seite (110a) des ersten MEMS-Wafers (110) mit einer ersten Seite (120a) des TSV-Wafers (120) derart, dass ein gekoppelter Wafer (100) erhalten wird.A method for producing (600) a coupled wafer (100), comprising the following steps: a. Providing (610) a first MEMS wafer (110), wherein the first MEMS wafer (110) has a first functional layer (112) with first MEMS structures (112') and a first handle wafer (114); b. Independently providing (615) a TSV wafer (120) with silicon vias (150); and c. Connecting (620) a first side (110a) of the first MEMS wafer (110) to a first side (120a) of the TSV wafer (120) such that a coupled wafer (100) is obtained. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: d. Bereitstellen (630) eines zweiten MEMS-Wafers (130), wobei der zweite MEMS-Wafer (130) eine zweite Funktionsschicht (132) mit zweiten MEMS-Strukturen (132') und einen zweiten Handlewafer (134) aufweist; und e. Verbinden (640) einer von der ersten Seite (110a) verschiedenen zweiten Seite (110b) des ersten MEMS-Wafers (110) mit einer Seite (130b) des zweiten MEMS-Wafers (130).Procedure according to Claim 1 , wherein the method comprises the following further steps: d. Providing (630) a second MEMS wafer (130), wherein the second MEMS wafer (130) has a second functional layer (132) with second MEMS structures (132') and a second handle wafer (134); and e. Connecting (640) a second side (110b) of the first MEMS wafer (110), which is different from the first side (110a), to a side (130b) of the second MEMS wafer (130). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen (615) des TSV-Wafers (120) die folgenden Schritte umfasst: a. Bereitstellen eines Siliziumwafers (210); b. Oxidieren des Siliziumwafers (210) zur Ausprägung einer Siliziumdioxidschicht (220) auf einer Oberfläche des Siliziumwafers (210); c. Erzeugen einer Ätzmaske (220') durch Strukturieren der Siliziumoxidschicht (220); d. Erzeugen von den Siliziumwafer (210) durchdringenden Löchern (250) für die Silizium-Durchkontaktierungen (150) unter Verwendung der Ätzmaske (220'); e. zumindest teilweises Entfernen der Siliziumdioxidschicht (220) auf der Waferrückseite zur Freilegung der Löcher (250); und f. Oxidieren der Löcher (250).Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein providing (615) the TSV wafer (120) comprises the following steps: a. providing a silicon wafer (210); b. oxidizing the silicon wafer (210) to form a silicon dioxide layer (220) on a surface of the silicon wafer (210); c. generating an etching mask (220') by structuring the silicon oxide layer (220); d. generating holes (250) penetrating the silicon wafer (210) for the silicon vias (150) using the etching mask (220'); e. at least partially removing the silicon dioxide layer (220) on the back side of the wafer to expose the holes (250); and f. oxidizing the holes (250). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen (615) des TSV-Wafers (120) die folgenden Schritte umfasst: a. Bereitstellen eines Siliziumwafers (210); b. Aufbringen einer Ätzmaske (220') auf eine Oberfläche des Si-Wafers (210); c. Strukturieren der Ätzmaske (220'); d. Ätzen von Löchern (250) in den Siliziumwafer (210) unter Verwendung der strukturierten Ätzmaske (220'); e. Rückdünnen des Siliziumwafers (210) derart, dass die Löcher (250) den Siliziumwafer (210) vollständig durchdringen; und f. Oxidieren der Löcher (250).Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein providing (615) the TSV wafer (120) comprises the following steps: a. providing a silicon wafer (210); b. applying an etching mask (220') to a surface of the Si wafer (210); c. structuring the etching mask (220'); d. etching holes (250) into the silicon wafer (210) using the structured etching mask (220'); e. back-thinning the silicon wafer (210) such that the holes (250) completely penetrate the silicon wafer (210); and f. oxidizing the holes (250). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: • zumindest teilweises Entfernen (650) des ersten Handlewafers (114) und hierdurch Freilegen einer Oberfläche (112a) der ersten Funktionsschicht (112); und • Hinzufügen (660) von weiteren ersten MEMS-Strukturen (116') durch Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren Schichten (116) mit den weiteren ersten MEMS-Strukturen (116') auf der freigelegten Oberfläche (112a).Method according to one of the preceding claims, wherein the method comprises the following further steps: • at least partially removing (650) the first handle wafer (114) and thereby exposing a surface (112a) of the first functional layer (112); and • adding (660) further first MEMS structures (116') by growing one or more further layers (116) with the further first MEMS structures (116') on the exposed surface (112a). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbinden (620) der ersten Seite (110a) des ersten MEMS-Wafers (110) mit der ersten Seite (120a) des TSV-Wafers (120) zeitlich vor dem Verbinden (640) der zweiten Seite (110b) des ersten MEMS-Wafers (110) mit der Seite (130b) des zweiten MEMS-Wafers (130) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the bonding (620) of the first side (110a) of the first MEMS wafer (110) to the first side (120a) of the TSV wafer (120) takes place before the bonding (640) of the second side (110b) of the first MEMS wafer (110) to the side (130b) of the second MEMS wafer (130). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen (610) des ersten MEMS-Wafers (110) und des TSV-Wafers (120) ein Herstellen des ersten MEMS-Wafers (110) und des TSV-Wafers (120) umfasst und das Herstellen des ersten MEMS-Wafers (110) und des TSV-Wafers (120) zeitlich überschneidend erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the providing (610) of the first MEMS wafer (110) and the TSV wafer (120) comprises producing the first MEMS wafer (110) and the TSV wafer (120), and the producing of the first MEMS wafer (110) and the TSV wafer (120) occurs in a temporally overlapping manner. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das Verbinden (620) der ersten Seite (110a) des ersten MEMS-Wafers (110) mit der ersten Seite (120a) des TSV-Wafers (120) eine oder mehrere Verbindungsstellen (180) ausgeprägt werden, die zur Weiterleitung elektrischer Signale zwischen einer Umverdrahtungsebene (300) des MEMS-Wafer (110) und zumindest einem Teil der Silizium-Durchkontaktierungen (150) des TSV-Wafers (120) geeignet sind.Method according to one of the preceding claims, wherein by connecting (620) the first side (110a) of the first MEMS wafer (110) to the first side (120a) of the TSV wafer (120), one or more connection points (180) are formed which are suitable for forwarding electrical signals between a rewiring level (300) of the MEMS wafer (110) and at least some of the silicon vias (150) of the TSV wafer (120). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten MEMS-Strukturen (112', 116') Strukturen für Aktuatoren und/oder Sensoren und die zweiten MEMS-Strukturen (132') Strukturen für Spiegelplatten umfassen.Method according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the first MEMS structures (112', 116') comprise structures for actuators and/or sensors and the second MEMS structures (132') comprise structures for mirror plates. Gekoppelter Wafer (100), vorzugsweise hergestellt nach einem der Verfahren 1 bis 9, umfassend einen ersten MEMS-Wafers (110), wobei der erste MEMS-Wafer (110) eine erste Funktionsschicht (112) mit ersten MEMS-Strukturen (112') und einen ersten Handlewafer (114) aufweist, und einen TSV-Wafer (120) mit Silizium-Durchkontaktierungen (150), wobei eine erste Seite (110a) des ersten MEMS-Wafers (110) mit einer ersten Seite (120a) des TSV-Wafers (120) verbunden ist.Coupled wafer (100), preferably produced according to one of the methods 1 to 9, comprising a first MEMS wafer (110), wherein the first MEMS wafer (110) has a first functional layer (112) with first MEMS structures (112') and a first handle wafer (114), and a TSV wafer (120) with silicon vias (150), wherein a first side (110a) of the first MEMS wafer (110) is connected to a first side (120a) of the TSV wafer (120). Verfahren zum Herstellen von MEMS-Chips (500) mit einem oder mehreren MEMS-Bauelementen (510) umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellen (600) eines gekoppelten Wafers (100) umfassend einen gekoppelten Wafer (100) nach Anspruch 10; und b. Vereinzeln (680) des gekoppelten Wafers (100) in eine Mehrzahl von MEMS-Chips (500).Method for producing MEMS chips (500) with one or more MEMS components (510), comprising the following steps: a. producing (600) a coupled wafer (100) comprising a coupled wafer (100) according to Claim 10 and b. singulating (680) the coupled wafer (100) into a plurality of MEMS chips (500). Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Herstellen (600) des gekoppelten Wafers (100) nach Anspruch 2 und vorzugsweise einem der Ansprüche 3 bis 9 erfolgt und der gekoppelte Wafer (100) weiterhin den zweiten MEMS-Wafer (140) umfasst.Procedure according to Claim 11 , wherein the manufacturing (600) of the coupled wafer (100) according to Claim 2 and preferably one of the Claims 3 until 9 and the coupled wafer (100) further comprises the second MEMS wafer (140). Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Herstellen (600) des gekoppelten Wafers (100) und vor dem Vereinzeln (680) des gekoppelten Wafers (100) ein Freistellen (670) der ersten MEMS-Strukturen (112', 116') und/oder der zweiten MEMS-Strukturen (132') erfolgt.Procedure according to Claim 12 , wherein after the production (600) of the coupled wafer (100) and before the singulation (680) of the coupled wafer (100), a release (670) of the first MEMS structures (112', 116') and/or the second MEMS structures (132') takes place. MEMS-Chip (500) hergestellt nach einem der Verfahren 11 bis 13.MEMS chip (500) manufactured according to one of the methods 11 to 13.
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