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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauteilen mit Mikrostrukturen, bei dem ein Basiswafer mit einer Vielzahl von Mikrostrukturen bereitgestellt wird.
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Stand der Technik
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In der Fertigung von offenen MEMS Strukturen bzw. Mikrostrukturen bei Halbleiterbauteilen stellt der Schutz dieser empfindlichen und sensiblen Mikrostrukturen eine Herausforderung dar. Insbesondere müssen derartige Mikrostrukturen vor Kontamination, beispielsweise durch Partikel, flüssige chemische Substanzen, benötigte Prozess-Substanzen, und vor mechanischer Beschädigung geschützt werden. Bei der Kontamination durch Partikel können die Mikrostrukturen durch die Partikel blockiert werden und sind anschließend nicht mehr funktionsfähig. Die Kontamination mit chemischen Substanzen kann in einem Verkleben der Mikrostrukturen resultieren, wodurch die verklebten Mikrostrukturen ebenfalls nicht mehr die gewünschte Funktionalität aufweisen.
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Zum Schutz der Mikrostrukturen durch Kontamination mit Partikeln sind bereits Verfahren bekannt, die in Reinräumen umgesetzt werden. Problematisch ist jedoch der Schutz der Mikrostrukturen vor chemischen Substanzen, die bei der Herstellung zwangsweise eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus sind bei der Weiterverarbeitung der Wafer beim Vereinzeln der MEMS Chips und anschließenden Aufbau- und Verbindungstechnik offene Mikrostrukturen potentiell anfällig gegen Beschädigung und Kontamination anfällig. Insbesondere wird beim Vereinzeln des Wafers in die MEMS-Chips mit offenen Mikrostrukturen der normale Sägeprozess mit Diamatscheibe und Wasser zum Reinigen ausgeschlossen, wodurch die Wahl der Technologien zur Herstellung der Wafer eingeschränkt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein waferbasiertes Herstellungsverfahren von zu einem Umfeld offenen Mikrostrukturen zu schaffen, welches die Mikrostrukturen vor schädlichen Einwirkungen zumindest während des Herstellungsverfahrens schützt.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauteilen mit Mikrostrukturen bereitgestellt. In einem Schritt des Verfahrens wird ein Basiswafer mit einer Vielzahl von Mikrostrukturen bereitgestellt. Die Mikrostrukturen können beispielsweise als MEMS -Strukturen ausgestaltet sein, die für den Betrieb von Mikrospiegeln, µ-Phones, MEMS-Speakers, Druck- und Umgebungssensoren und dergleichen erforderlich sind. Derartige Anordnungen mit Mikrostrukturen benötigen einen Zugang zur Umgebung und können daher als Halbleiterbauteil bzw. Chip nicht hermetisch abgekapselt werden. Die Mikrostrukturen sind somit über die gesamte Prozesskette (Waferprozess, Vereinzeln, AVT usw.) potenziell hinsichtlich Beschädigung und Kontamination gefährdet.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein Kappenwafer auf dem Basiswafer angeordnet und stoffschlüssig mit dem Basiswafer verbunden, um eine Waferanordnung auszubilden. Bei dieser Waferanordnung werden die Mikrostrukturen zumindest einseitig gegenüber einem Umfeld durch den angeordneten Kappenwafer verschlossen. Dieser Schritt ermöglicht einen Schutz der Mikrostrukturen während des gesamten Herstellungsprozesses.
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Nach dem Aufbringen des mindestens einen Kappenwafers, welcher einseitig oder beidseitig auf den Basiswafer aufgebracht werden kann, wird mindestens ein Fertigungsschritt und/oder Verarbeitungsschritt und/oder Separierungsschritt durchgeführt. Somit ist die Auswahl der zur Verfügung stehenden Fertigungstechnologien nicht beschränkt, wodurch keine Kompromisse hinsichtlich der Fertigungstechnik der Halbleiterbauteile in Kauf genommen werden müssen.
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In einem weiteren Schritt, welcher optional als ein finaler Schritt ausgestaltet sein kann, wird zumindest ein Teil des Kappenwafers oder von separierten Abschnitten des Kappenwafers vom Basiswafer oder von separierten Abschnitten des Basiswafers entfernt.
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Der mindestens eine zuvor aufgebrachte Kappenwafer kann somit vor einem Separierungsschritt oder nach einem Separierungsschritt umgesetzt werden. Beispielsweise kann eine Wahl der Technik zum Vereinzeln der Halbleiterbauteile aus der Waferanordnung die Entscheidung darüber liefern, ob nach oder vor dem Separierungsschritt der Kappenwafer bzw. Abschnitte des Kappenwafers entfernt werden.
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Hierbei wird der mindestens eine Kappenwafer vor dem Vereinzeln entfernt. Nach einem Separierungsschritt bzw. dem Vereinzeln der Waferanordnung liegen die miteinander verbundenen Kappenwafer und Basiswafer mit Mikrostrukturen in einer Vielzahl von Abschnitten vor, die einzeln nach dem Vereinzeln voneinander getrennt werden.
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Durch das Verfahren können die Mikrostrukturen während des gesamten Herstellungsprozesses geschützt werden. Beispielsweise kann der Schutz durch ein hermetisches Aufbonden des mindestens einen Kappenwafers aus Silizium oder aus Glas realisiert werden.
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Durch den Kappenwafer sind die Mikrostrukturen geschützt und das System bzw. die Waferanordnung kann durch den gesamten Herstellungsprozess hindurch ohne Einschränkung der Fertigungsschritte weiter hergestellt bzw. verarbeitet werden.
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Dabei werden auch Prozesse auf der Basiswafer-Unterseite unbeschränkt ermöglicht, die bei einem offenen System zur Beschädigung der Mikrostrukturen führen können. Der mindestens eine Kappenwafer fungiert hierbei als strukturelle Verstärkung.
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Beispielsweise kann durch das Verfahren die Waferanordnung auch durch konventionelles Sägen vereinzelt werden. Ein derartiges Vereinzeln wäre bei offenen Mikrostrukturen durch das Verwenden von Wasser (zur Kühlung und Reinigung) und des beim Sägen entstehenden Abriebs (Partikel) nicht möglich.
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Nach Fertigstellung des Gesamtsystems bzw. dem Beenden des Herstellungsprozesses können die Mikrostrukturen in der Waferanordnung als Ganzes oder die vereinzelten MEMS Chips in Form von Halbleiterbauteilen vom Kappenwafer getrennt werden. Das Trennen kann beispielsweise durch horizontales Slicen erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung bereitgestellt. Die Sensoranordnung kann beispielsweise in Form eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS) ausgestaltet sein und weist mindestens einen Abschnitt des Basiswafers mit mindestens einer Mikrostruktur auf.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Kappenwafer durch direktes Wafer Bonden oder anodisches Bonden, durch Seal Glas Bonden oder durch eutektisches Bonden mit dem Basiswafer verbunden. Durch diese Maßnahme kann der mindestens eine Kappenwafer basierend auf unterschiedlichen Verbindungsmethoden zum hermetischen Abdichten der Mikrostrukturen auf dem Basiswafer verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird zumindest ein Teil des Kappenwafers vom Basiswafer durch horizontales Stealth Dicing einer Bond-Schicht oder des Kappenwafers abgetrennt. Somit kann der Kappenwafer oder ein Teil bzw. Abschnitt des Kappenwafers beispielsweise durch ein sogenanntes Kabra Slicing vom Basiswafer entfernt werden. Ein derartiges Trennverfahren ermöglicht ein schnelles und präzises Öffnen der zuvor versiegelten Mikrostrukturen mit einem minimalen Kontaminationsrisiko, beispielsweise durch Partikel.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zumindest ein Teil von separierten Abschnitten des Kappenwafers von separierten Abschnitten des Basiswafers durch horizontales Stealth Dicing einer Bond-Schicht oder von separierten Abschnitten des Kappenwafers abgetrennt.
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Je nach Ausgestaltung kann der Kappenwafer bzw. Abschnitt des Kappenwafers vollständig entlang der Verbindungsschicht vom Basiswafer abgetrennt werden. Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Kappenwafer oder Abschnitte des Kappenwafers auch an einer von der Verbindungsschicht abweichenden vertikalen Position aufgetrennt werden. Hierbei können Fragmente bzw. Reste des Kappenwafers auf dem Basiswafer oder den Abschnitten des Basiswafers verbleiben.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein in Richtung des Basiswafers strukturierter Kappenwafer auf dem Basiswafer angeordnet und mit dem Basiswafer verbunden. Alternativ zu einem unstrukturierten bzw. glatt ausgestalteten Kappenwafer kann eine Struktur auf dem Kappenwafer aufgeprägt werden, die im Bereich der Mikrostrukturen vorliegt. Hierdurch können beispielsweise aus dem Basiswafer hinausragende Mikrostrukturen durch den Kappenwafer geschützt werden. Alternativ können die Mikrostrukturen mit einer in den Kappenwafer eingebrachten Kavität oder einer Vielzahl von Kavitäten geschützt werden. Vorteilhafterweise kann für jede Mikrostruktur eine Kavität in dem Kappenwafer vorgesehen sein, die sich exakt über der zu schützenden Mikrostruktur befindet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Mikrostrukturen durch ein zumindest teilweises Entfernen des Kappenwafers nach dem mindestens einen Fertigungsschritt und/oder Verarbeitungsschritt und/oder Separierungsschritt freigelegt. Beispielsweise kann mit einem passenden Laser eine sogenannte Stealth Layer bzw. Schicht im Material des Kappenwafers oberhalb der Waferbond-Stelle als Verbindungsschicht angelegt werden. Anschließend lässt sich der Kappenwafer entlang dieser (Soll-)Bruchstelle abnehmen.
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Dies funktioniert technisch besonders einfach am zuvor vereinzelten MEMS Chip. Hier kann der Abschnitt des Kappenwafers einfach über einen üblichen Pick & Place Prozess mit einem entsprechenden Pick Tool angehoben werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird zum zumindest teilweisen Entfernen des Kappenwafers mindestens eine horizontal verlaufende Stealth-Schicht in den Kappenwafer eingebracht und eine Abtrennung entlang der horizontal verlaufenden Stealth-Schicht durchgeführt.
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Erfolgt die Trennung des Kappenwafers oder einen Teil des Kappenwafers nach dem Vereinzeln der Waferanordnung, wird in die vereinzelten bzw. separierten Abschnitte des Kappenwafers mindestens eine horizontal verlaufende Stealth-Schicht eingebracht und eine Abtrennung entlang der horizontal verlaufenden Stealth-Schicht durchgeführt wird. Hierdurch können die Mikrostrukturen erst am Ende der gesamten Prozesskette freigestellt und dem bestimmungsgemäßen Gebrauch zugeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird durch ein zumindest teilweises Abtrennen von separierten Abschnitten des Kappenwafers eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen mit freigelegten Mikrostrukturen hergestellt. Bei einer alternativen Ausgestaltung wird durch ein zumindest teilweises Abtrennen des Kappenwafers und ein anschließendes Separieren eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen mit freigelegten Mikrostrukturen hergestellt wird. Durch diese Maßnahmen kann der Schutz vor einem Vereinzeln oder nach einem Vereinzeln der jeweiligen Halbleiterbauteile umgesetzt werden. Hierdurch kann das Herstellungsverfahren ohne Rücksicht auf mögliche Kontaminationen der Mikrostrukturen effizient durchgeführt werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung mit einer eingebrachten Stealth-Schicht zum Veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine Schnittdarstellung eines Basiswafers mit einem teilweise entlang der Stealth-Schicht entfernten Kappenwafer zum Veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 5 Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Verfahren dient zum Herstellen von Halbleiterbauteilen 2 mit Mikrostrukturen 4. Die separierten Halbleiterbauteile 2 mit Mikrostrukturen 4 sind beispielhaft in der 5 dargestellt.
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In einem Schritt des Verfahrens wird ein Basiswafer 6 mit einer Vielzahl von Mikrostrukturen 4 bereitgestellt. Die Mikrostrukturen 4 sind beispielhaft als MEMS -Strukturen ausgestaltet. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein Kappenwafer 8 auf dem Basiswafer 6 angeordnet und stoffschlüssig mit dem Basiswafer 6 verbunden, um die Waferanordnung 1 auszubilden, die in der 1 und der 2 dargestellt ist. Bei dieser Waferanordnung 1 werden die Mikrostrukturen 4 einseitig gegenüber einem Umfeld U durch den angeordneten Kappenwafer 8 verschlossen.
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In der 1 wird ein in Richtung des Basiswafers 6 strukturierter Kappenwafer 8 auf dem Basiswafer 6 angeordnet und mit dem Basiswafer 6 mittels einer Verbindungsschicht 10 verbunden. Durch die Strukturierung des Kappenwafers 8 wird eine Vielzahl von Kavitäten 12 bzw. Ausnehmungen in den Kappenwafer 8 eingebracht. Dabei ist für jede Mikrostruktur 4 eine Kavität 12 in dem Kappenwafer 8 vorgesehen, um die jeweilige Mikrostruktur 4 aufzunehmen.
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In der 2 ist eine weitere Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dabei ist eine alternative Waferanordnung 1 dargestellt, bei welcher ein unstrukturierter Kappenwafer 8 verwendet wird, um die Mikrostrukturen 4 hermetisch zu versiegeln bzw. zu schützen.
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Dieser in der 1 und 2 gezeigter Schritt des Verfahrens ermöglicht einen Schutz der Mikrostrukturen 4 während des gesamten Herstellungsprozesses. Nach dem Aufbringen des mindestens einen Kappenwafers 8, welcher einseitig oder beidseitig auf den Basiswafer 6 aufgebracht werden kann, wird mindestens ein Fertigungsschritt und/oder Verarbeitungsschritt und/oder Separierungsschritt durchgeführt, welcher der Einfachheit halber nicht näher beschrieben ist.
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Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Waferanordnung 1 mit einer eingebrachten Stealth-Schicht 14 zum Veranschaulichen eines weiteren Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird beispielhaft an einer von der Verbindungsschicht 10 abweichenden vertikalen Position der Waferanordnung 1 eine horizontal verlaufende Stealth-Schicht 14 in den Kappenwafer 8 eingebracht.
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In einem anschließenden Schritt erfolgt eine teilweise Abtrennung des Kappenwafers 8 entlang der horizontal verlaufenden Stealth-Schicht 14. Das Ergebnis der Abtrennung ist in der 4 gezeigt, die eine Schnittdarstellung des Basiswafers 6 mit einem teilweise entlang der Stealth-Schicht 14 entfernten Kappenwafer 8 veranschaulicht. Dabei sind in der 4 auch verbleibende Fragmente 16 des Kappenwafers 8 dargestellt, die mittels der Verbindungsschicht 10 mit dem Basiswafer 6 verbunden sind.
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Durch ein zumindest teilweises Entfernen des Kappenwafers 8 nach dem mindestens einen Fertigungsschritt und/oder Verarbeitungsschritt werden die Mikrostrukturen 4 freigelegt. Beispielsweise kann mit einem passenden Laser eine sogenannte Stealth Layer bzw. Schicht 14 im Material des Kappenwafers 8 oberhalb der Waferbond-Stelle als Verbindungsschicht 10 angelegt werden. Anschließend lässt sich der Kappenwafer 8 entlang dieser (Soll-)Bruchstelle abnehmen.
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Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann anschließend ein Separierungsschritt durchgeführt werden, um eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen 2 herzustellen.
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Die 3 und 4 veranschaulichen beispielhaft die Weiterverarbeitung der in 1 gezeigten Waferanordnung 1 mit einem strukturiert ausgestalteten Kappenwafer 8.
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In der 5 sind Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Dabei wird in einem Schritt die in 1 gezeigte Waferanordnung 1 in Abschnitte 3 separiert. Beispielsweise kann die Waferanordnung 1 durch konventionelles Sägen vereinzelt werden.
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Nach dem Separierungsschritt bzw. dem Vereinzeln der Waferanordnung 1 liegen die miteinander verbundenen Kappenwafer 8 und Basiswafer 6 mit Mikrostrukturen 4 in einer Vielzahl von Abschnitten 7, 9 vor, die nach dem Vereinzeln voneinander getrennt werden. Hierbei wird zumindest ein Teil des separierten Abschnitts 9 des Kappenwafers 8 vom separierten Abschnitt 7 des Basiswafers 6 entfernt.