DE4107658A1 - Montageverfahren fuer mikromechanische sensoren - Google Patents

Montageverfahren fuer mikromechanische sensoren

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Montage von mikro­ mechanischen Sensoren nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Zum Beispiel in A. Heuberger, Springer Verlag 1989, "Mikromechanik", Seiten 475 bis 476 wird die Montage von mikromechanischen Sensor­ elementen für Drucksensoren und Beschleunigungssensoren beschrieben. Das Sensorelement wird durch anodisches Bonden mit einem Zwischen­ träger bzw. Silizium-Chip-Carrier aus Silizium oder Glas verbunden und über den Zwischenträger auf einen Sockel aufgebracht. Durch die Verbindungstechnik des anodischen Bondens wird eine zuverlässige Verbindung zwischen Sensorelement und Zwischenträger hergestellt. Bei dem hier beschriebenen Aufbau wird jedoch eine ganzflächige Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Zwischenträger her­ gestellt. Dabei treten häufig montagebedingte Verspannungen auf. Diese montagebedingten Verspannungen und die dazugehörigen Tempera­ turgänge müssen durch individuelle Anpassung der Auswerteschaltung eines jeden Sensors kompensiert werden.
Neben dem anodischen Bonden ist es auch bekannt, das Sensorelement auf einen Träger zu kleben oder Sensorelement und Auswerteschaltung als Hybrid aufzubauen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage von mikromechanischen Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ist besonders vorteilhaft, da die Verbindungsfläche zwischen dem Silizium-Sensorelement und dem Träger durch die Ausbildung von Montagesockeln minimiert wird, was eine Verringerung der montage­ bedingten Verspannungen und zugehörigen Temperaturgänge des Aufbaus zur Folge hat. Dadurch vereinfacht sich auch die Auswerteelektronik des Sensors.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Ver­ fahrens möglich. Die Ausbildung der Montagesockel durch Strukturie­ rung der Unterseite des Siliziumsensorelementes ist besonders vor­ teilhaft, da hierfür mikromechanische Strukturierungsverfahren, wie isotropes oder anisotropes Ätzen von Silizium, anwendbar sind. Diese Verfahren sind hinreichend bekannt und sehr gut handhabbar. Von Vorteil ist außerdem, schon bei der Strukturierung der mikromecha­ nischen Funktionselemente des Sensorelementes die Montagesockel zu strukturieren, was einfach möglich ist, da beide Strukturen mit denselben Verfahren erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Verbindung zwischen dem Siliziumsensorelement und dem Träger auf Waferebene und somit im Batch-Prozeß kostengünstig erfolgt. Das heißt, daß mehrere fertigstrukturierte Sensorelemente, die noch nicht vereinzelt sind, gemeinsam auf einen Träger aufgebracht werden und erst nach dem Ver­ binden der Siliziumsensorelemente mit dem Träger, beispielsweise durch Sägen, vereinzelt werden. Der Abstand, der sich durch die Höhe der Montagesockel zwischen dem Siliziumsensorelement und dem Träger ergibt, wird so gewählt, daß der Sägeschlamm beim Wafersägen heraus­ spülbar ist. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten der Realisierung von Montagesockeln bestehen darin, die Montagesockel aus der Oberseite des Trägers herauszustrukturieren oder im Falle eines Silizium­ trägers einen Glaswafer auf die Unterseite des Siliziumsensor­ elementes oder auf die Oberseite des Trägers aufzubringen, bei­ spielsweise durch anodisches Bonden, und diesen Glaswafer, z. B. durch Rückpolieren und Ätzen, bis auf die Montagesockel wieder zu entfernen. Je nach Trägermaterial wird eine vorteilhafte Ver­ bindungstechnik gewählt. Bei Verwendung von Siliziumträgern wird die Verbindung Sensorelement/Träger vorteilhaft durch Silizium/Sili­ zium-Bonden hergestellt; bei Verwendung von Glasträgern ist anodisches Bonden vorteilhaft. In beiden Fällen handelt es sich um Standardverfahren der Mikromechanik. Für andere Trägermaterialien werden vorteilhafterweise Verbindungstechniken, wie Kleben oder Löten, angewendet. Bei Verwendung eines Siliziumträgers und Struktu­ rierung der Montagesockel entweder aus dem Silizium-Sensorelement oder dem Träger ist es von Vorteil, eine Glasschicht auf die Montagesockel aufzubringen, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern, die anschließend strukturiert werden kann und über die dann durch anodisches Bonden die Verbindung zwischen Siliziumsensor­ element und Träger hergestellt wird. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß die Art der Montage, d. h. die Anzahl der Auflagepunkte, des Sensorelementes entsprechend der Funktion des Sensors wählbar ist. Eine Auflage über drei in einem Dreieck angeordneten Montagesockeln ist vorteilhaft, da durch diese drei Montagesockel eine eindeutige Auflageebene bestimmt wird. Dies ist besonders für Hall-Sensoren interessant. Die Montage des Sensor­ elementes über einen Montagesockel, so daß eine pilzartige Kon­ struktion des Sensorelementes auf den Montagesockel realisiert ist, eignet sich ebenfalls für Hall-Sensoren. Das Sensorelement kann aber auch über nur einen Montagesockel einseitig befestigt sein, was besonders vorteilhaft für kapazitive Beschleunigungssensoren ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise eines Sensors, bei der die Auswerteschaltung und ein eventueller Abgleich des Sensorelementes auf dem Träger integriert sind. Bei dieser Bauweise müssen nur im Bereich der Montagesockel auf dem Träger Flächen freigehalten werden, in die keine Schaltungselemente integriert werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1a den Schnitt durch ein Sensorelement mit Montagesockeln, Fig. 1b die Aufsicht auf die mit Montagesockeln versehene Ober­ fläche des Sensorelementes, die Fig. 2a bis d, 3a bis d, 4, 5a und b sowie 6 verschiedene Montagemöglichkeiten eines Sensor­ elementes mit verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Montage­ sockel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele beruhen auf der Reduzierung der Auflagefläche eines Sensorelementes auf einem Träger auf drei oder weniger durch Montagesockel realisierte Punkte. In Fig. 1 ist mit 10 ein Siliziumsensorelement bezeichnet, das schema­ tisch als Beschleunigungssensor dargestellt ist, aber eine beliebige mikromechanische Struktur entsprechend seiner Funktion haben kann. Aus der einen Oberfläche des Sensorelementes 10, in diesem Falle der Unterseite, sind Montagesockel 11, 12 und 13 herausstrukturiert. In Fig. 1a ist die ursprüngliche Unterseite des Sensorelementes 10 gestrichelt dargestellt. Die Montagesockel 11, 12 und 13 sind hier durch anisotropes Abätzen der Oberfläche bis auf drei Inseln er­ zeugt, wobei entsprechend der Kristallorientierung des Silizium­ sensorelementes (10) und den Anisotropieeigenschaften der verwen­ deten Ätzlösung die Montagesockel 11, 12 und 13 pyramidenförmig aus­ gebildet sind. Bei entsprechender Auslegung der Ätzmaske kann hier­ für auch ein isotropes Ätzverfahren verwendet werden. In Fig. 1b ist die Aufsicht auf die mit Montagesockeln versehene Oberfläche des Sensorelementes 10 dargestellt. Die Montagesockel 11, 12, 13 sind hier als Eckpunkte eines Dreiecks angeordnet, so daß durch die Höhe der Montagesockel 11, 12, 13 die Auflageebene des Sensorelementes und so der Abstand zwischen dem Sensorelement 10 und einem Träger bestimmt wird.
In den Fig. 2a bis d sind verschiedene Ausgestaltungsmöglich­ keiten und Anordnungsmöglichkeiten von Montagesockeln bei einem Sensorelement/Träger-Aufbau dargestellt. Bei diesen Ausführungs­ beispielen sind jeweils aus der Unterseite des schematisch dar­ gestellten Sensorelementes 10 Montagesockel 11, 12 strukturiert, wobei der Träger 20 nicht strukturiert ist. In Fig. 2a ist eine Zweipunkt- bzw. eine Dreipunktauflage entsprechend den Fig. 1a und b im Schnitt dargestellt. Bei dieser Montageform wird das Sensorelement 10 in einer Ebene fixiert. Durch den Spalt 50, der zwischen dem Sensorelement 10 und dem Träger 20 entsteht, wird die montagebedingte Verspannung dieses Aufbaus sehr gering gehalten. In Fig. 2b ist ein pilzförmiger Aufbau dargestellt, bei dem das Sensorelement 10 über nur einen Montagesockel 11 mit dem Träger 20 verbunden ist. Die in den Fig. 2a und b dargestellten Montage­ arten eignen sich besonders für Hall-Sensoren. In den Fig. 2c und d sind die Sensorelemente 10 ebenfalls jeweils nur über einen Montagesockel 11 mit dem Träger 20 verbunden. Der Aufbau ist hier jedoch unsymmetrisch, d. h., das Sensorelement 10 ist einseitig mit dem Träger 20 verbunden. Diese Montageart eignet sich besonders für Beschleunigungssensoren. In der Fig. 2c ist ein Aufbau dargestellt, bei dem der Träger 20 und das Sensorelement 10 zentriert übereinan­ der angeordnet sind. Im Gegensatz dazu sind bei dem in Fig. 2d dar­ gestellten Aufbau der Träger 20 und das Sensorelement 10 gegeneinan­ der versetzt angeordnet.
In den Fig. 3a bis d sind Sensorelement/Träger-Aufbauten in Analogie zu den in den Fig. 2a bis d dargestellten Ausführungs­ beispielen dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen sind jedoch jeweils aus der Oberseite des Trägers 20 Montagesockel 21, 22 strukturiert, wobei das schematisch dargestellte Sensorelement 10 nicht strukturiert ist.
Der Träger 20 kann beispielsweise durch einen Silziumwafer oder auch durch einen Glaswafer gebildet werden; es eignen sich aber auch andere Materialien, je nach den Anforderungen, die an den Sensor gestellt werden. Die Strukturierung eines Silizium- oder Glas-Trägers kann wie die des Siliziumsensorelementes durch mikromechanische Strukturierungsverfahren wie isotropes oder anisotropes Ätzen erfolgen. Als Verbindungstechnik eignet sich im Falle eines Siliziumträgers Silizium/Silizium-Bonden, im Falle eines Glasträgers anodisches Bonden; bei Trägern aus anderen Materialien kann die Verbindung beispielsweise durch Kleben oder Löten hergestellt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Montage von Sensorelementen auf Trägern können mehrere Sensorelemente mit einem Trägersubstrat verbunden werden und erst anschließend eine Vereinzelung der mit dem Träger­ substrat verbundenen Sensorelemente vorgenommen werden. Dies erfolgt üblicherweise durch Sägen. Bei den in den Fig. 2a bis c und 3a bis c dargestellten Montagevarianten wurden die Sensorelemente an derselben Stelle getrennt wie das Trägersubstrat. Die Breite des Spaltes 50, die über die Höhe der Montagesockel 11, 12, 21, 22 bestimmt wird, wird so gewählt, daß der beim Sägen entstehende Sägeschlamm herausgespült werden kann. In den in den Fig. 2d und 3d dargestellten Varianten sind die die Sensorelemente trennenden und das Trägersubstrat durchtrennenden Sägeschnitte gegeneinander versetzt. Bei dieser Variante läßt sich der Sägeschlamm besonders einfach entfernen.
In den Fig. 4, 5a und b sowie 6 sind weitere erfindungsgemäße Möglichkeiten der Montage eines Beschleunigungssensorelementes 10 auf einem Träger 20 dargestellt. Der Träger 20 ist in diesen Bei­ spielen ein Silizium-Chip, auf dem Teile der Auswerteschaltung 25 mit einem Abgleich für das Sensorelement 10 integriert sind. Die Bereiche der Oberfläche des Chips 20, die in Verbindung zu den Montagesockeln stehen, sind jedoch ausgespart, d. h. dort sind keine Schaltungselemente integriert. Die elektrische Kontaktierung 26 des Sensorelementes 10 mit den auf dem Chip 20 integrierten Teilen der Auswerteschaltung 25 ist hier schematisch durch einen Bondpads verbindenden Bonddraht dargestellt.
In Fig. 4 sind Montagesockel 11, 12 aus der Unterseite des Sensor­ elementes 10 heraustrukturiert. Mindestens einer der Montagesockel 11 ist fest durch Silizium/Silizium-Bonden mit dem Chip 20 ver­ bunden, der andere Montagesockel 12 kann entweder auch fest mit dem Chip 20 verbunden sein oder lose auf dem Chip 20 aufliegen, wodurch die montagebedingten Verspannungen weiter reduziert werden.
In den Fig. 5a und b sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Chip 20 durch anodisches Bonden hergestellt wurde. Die Montagesockel 11, 12 sind wie bei der in Fig. 4 dargestellten Variante aus der Unter­ seite des Sensorelements 10 strukturiert. Auf diese ist eine Glas­ schicht 43 abgeschieden. Sie kann zum Beispiel aufgedampft oder auf­ gesputtert sein. Die Glasschicht 43 des Ausführungsbeispiels in Fig. 5a ist nicht strukturiert im Gegensatz zu dem in Fig. 5b darge­ stellten Beispiel. Hier wurde die Glasschicht 43 außer im Bereich der Auflageflächen der Montagesockel wieder entfernt. Wie bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 10 jeweils über mindestens einen Montagesockel 11 fest mit dem Chip 20 verbunden und liegen auf einem weiteren Montagesockel 12 nur auf, so daß die montagebedingten Verspannungen weiter reduziert werden.
In dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Montagesockel 41, 42 aus Glas realisiert. Dazu wird auf die mit dem Chip 20 zu verbindenden Oberfläche des Sensorelementes 10 ein Glaswafer aufgebracht, beispielsweise durch anodisches Boden, der durch Rückpolieren und Ätzen außer in den Bereichen der Montage­ sockel 41, 42 wieder entfernt wird. Die Verbindung zum Chip 20 kann dann ebenfalls durch anodisches Bonden hergestellt werden.
Im Falle, daß der Träger 20 durch einen passiven Siliziumwafer, d. h. einen Siliziumwafer ohne integrierte Schaltungselemente in der dem Siliziumsensorelement zugewandten Oberfläche, realisiert wird, kann die Verbindung Siliziumsensorelement/Träger analog zu den in den Fig. 4, 5a und b sowie 6 dargestellten Ausführungsbeispielen auch über eine auf den Träger 20 aufgebrachte strukturierte oder unstrukturierte Glasschicht oder über einen gegen den Träger 20 gebondeten, strukturierten Glaswafer erfolgen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Montage von mikromechanischen Sensoren, insbeson­ dere Hall-Sensoren, Druck- oder Beschleunigungssensoren, bei dem mindestens ein Silizium-Sensorelement auf einen Träger aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Silizium-Sen­ sorelement (10) über mindestens einen Montagesockel (11, 12, 13), dessen Auflageflächen klein gegenüber der Oberfläche des Sili­ zium-Sensorelementes (10) sind, mit dem Träger (20) verbunden wird, so daß zwischen dem Träger (20) und dem Silizium-Sensorelement (10) außer im Bereich des mindestens einen Montagesockels (11, 12, 13) ein Spalt (50) besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Montegesockel (11, 12, 13) durch isotropes oder anisotropes Ätzen aus der mit dem Träger (20) zu verbindenden Oberfläche des Silizium-Sensorelementes (10) herausstrukturiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Montagesockel (21, 22) aus der mit dem Silizium-Sen­ sorelement (10) zu verbindenden Oberfläche des Trägers (20) heraus­ strukturiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) ein Siliziumwafer ist und die Verbindung zwischen dem Silizium-Sensorelement (10) und dem Träger (20) durch direktes Silizium/Silizium-Bonden hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (20) ein Glaskörper ist und die Verbindung zwischen dem Silizium-Sensorelement (10) und dem Träger (20) durch anodisches Bonden hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Silizium-Sensorelement (10) und dem Träger (20) durch Kleben oder Löten hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (20) ein Siliziumwafer ist und daß auf die mit dem Träger (20) zu verbindende Oberfläche des Silizium-Sensor­ elementes (10) oder auf die mit dem Silizium-Sensorelement (10) zu verbindende Oberfläche des Trägers (20) eine Glasschicht (43), vorzugsweise durch Bedampfen oder Aufsputtern, aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (43) strukturiert wird, derart, daß die Glasschicht (43) zumindest im Bereich der Auflageflächen der Montagesockel erhalten bleibt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit dem Träger (20) zu verbindende Oberfläche des Silizium-Sensor­ elementes (10) oder auf die mit dem Silizium-Sensorelement (10) zu verbindende Oberfläche des Trägers (20) ein Glaswafer aufgebracht wird und daß der Glaswafer vorzugsweise durch Rückpolieren und Ätzen bis auf mindestens einen Bereich der den mindestens einen Montagesockel (41, 42) bildet, wieder entfernt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Silizium-Sensorelement (10) und dem Träger (20) durch anodisches Bonden hergestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Silizium-Sensorelemente (10) auf einen Träger (20) aufgebracht werden und erst nach dem Verbinden der Silizium-Sensorelemente (10) mit dem Träger (20) vorzugsweise durch Aussägen der Silizium-Sensorelemente (10) und Zersägen des Trägers (20) vereinzelt werden.
12. Sensor nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Montagesockel (11, 12, 13) vorhanden sind und daß die drei Montagesockel (11, 12, 13) wie die Eckpunkte eines Dreiecks angeordnet sind, so daß sie die Auflageebene des Silizium-Sensorelementes (10) bestimmen.
13. Sensor nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Montagesockel (21) vorhanden ist und daß das Silizium-Sensorelement (10) bezüglich des einen Montage­ sockels (21) so angeordnet ist, daß es zusammen mit dem Montage­ sockel (21) eine pilzförmige Anordnung auf dem Träger (20) bildet.
14. Sensor nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Montagesockel (21) vorhanden ist und daß das Silizium-Sensorelement (10) bezüglich des mindestens einen Montagesockels (21) so angeordnet ist, daß es unsymmetrisch, ein­ seitig mit dem Träger (20) verbunden ist.
15. Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (20) ein Chip ist mit integrierten Schal­ tungselementen (25), wobei in dem Bereich des Chips, auf den der mindestens eine Montagesockel (11, 12, 41, 42) fußt, keine Schal­ tungselemente integriert sind.
16. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Chip (20) die Auswerteschaltung (25) des Sensors und/oder Schaltungselemente zum Abgleich des Sensors integriert sind.
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