DE102016214973A1 - Combined laser drilling and plasma etching method for producing a micromechanical device and micromechanical device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat (11), mit wenigstens einer ersten Kaverne (100), mit einem verschlossenen Zugang (1) zur ersten Kaverne (100), wobei der Zugang (1) durch das erste Substrat (11) verläuft. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zugang (1) einen lasergebohrten ersten Teilabschnitt (12) und einen plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) aufweist, wobei der plasmageätzten zweiten Teilabschnitt (13) eine Öffnung zur ersten Kaverne (100) aufweist, wobei der Zugang (1) im ersten Teilabschnitt (12) durch einen Schmelzverschluss (5) aus Schmelze wenigstens des ersten Substrats (11) verschlossen ist. Die Erfindung betrifft auch ein kombiniertes Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen.The invention relates to a micromechanical device having a first substrate (11), with at least one first cavern (100), with a closed access (1) to the first cavern (100), the access (1) passing through the first substrate (11). 11) runs. The essence of the invention is that the access (1) has a laser drilled first section (12) and a plasma etched second section (13), wherein the plasma etched second section (13) has an opening to the first cavity (100), wherein the Access (1) in the first section (12) by a melt closure (5) made of melt of at least the first substrate (11) is closed. The invention also relates to a combined laser drilling and plasma etching process for the production of micromechanical devices.
Description
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat, mit wenigstens einer ersten Kaverne, mit einem verschlossenen Zugang zur ersten Kaverne, wobei der Zugang durch das erste Substrat verläuft. The invention is based on a micromechanical device having a first substrate, with at least one first cavern, with a closed access to the first cavern, the access extending through the first substrate.
Aus der Druckschrift
Meist wird ein derartiges Verfahren genutzt, wenn man in einem MEMS-Element mit zwei Kavernen erzeugen möchte, wobei in den beiden Kavernen ein unterschiedlicher Innendruck erzeugt werden soll (
Notwendig ist dies, wenn man beispielsweise eine Beschleunigungssensor mit einem Drehratensensor kombinieren möchte. Der Beschleunigungssensor benötigt für eine optimale Arbeitsweise einen hohen Innendruck, wohingegen ein Drehratensensor eher einen sehr kleinen Innendruck benötigt. Dieses Verfahren erlaubt es in jeder Kaverne den jeweiligen, optimalen Innendruck einzustellen. This is necessary if, for example, you would like to combine an acceleration sensor with a yaw rate sensor. The acceleration sensor requires a high internal pressure for optimum operation, whereas a rotation rate sensor requires a very small internal pressure. This method makes it possible to set the respective optimum internal pressure in each cavern.
Auch kann das Verfahren genutzt werden, wenn verursacht durch eine Ausgasung während der Prozessführung ein sehr geringer Innendruck in einer Kaverne nicht erreicht werden kann, so kann dieser nachträglich eingestellt werden. Also, the method can be used, if caused by an outgassing during litigation, a very low internal pressure in a cavern can not be achieved, it can be subsequently adjusted.
In einer diskreten Anordnung, in der nur ein MEMS-Element realisiert wird und die Auswerteschaltung separat vorgesehen wird, kann die Erzeugung des Zugangskanals (
In der deutschen Patentschrift
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Gesucht ist ein Verfahren oder eine Anordnung, die es erlaubt einen Zugangskanal in einem dicken Substrat kostengünstig herzustellen. Der Zugangskanal soll in einer Kaverne enden und dort im Herstellungsprozess keinen Schmauch und andere Verunreinigungen erzeugen. Auch soll das Verfahren, sobald es die Kaverne erreicht, stoppen und nicht weiter in das unter der Kaverne liegende Material hineinbohren. Weiterhin soll das Verfahren an der Substratoberfläche sehr kleine Zugangslöcher erzeugen, die mit einem Laser-Aufschmelz-Verfahren verschlossen werden können. What is needed is a method or arrangement that allows inexpensive production of an access channel in a thick substrate. The access channel should end in a cavern and produce no smoke and other impurities in the manufacturing process. Also, the process should stop as soon as it reaches the cavern and not further drill into the underlying material under the cavern. Furthermore, the method should produce at the substrate surface very small access holes that can be closed by a laser reflow process.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Substrat, mit wenigstens einer ersten Kaverne, mit einem verschlossenen Zugang zur ersten Kaverne, wobei der Zugang durch das erste Substrat verläuft. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zugang einen lasergebohrten ersten Teilabschnitt und einen plasmageätzten zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der plasmageätzten zweiten Teilabschnitt eine Öffnung zur ersten Kaverne aufweist, wobei der Zugang im ersten Teilabschnitt durch einen Schmelzverschluss aus Schmelze wenigstens des ersten Substrats verschlossen ist. The invention is based on a micromechanical device having a first substrate, with at least one first cavern, with a closed access to the first cavern, the access extending through the first substrate. The essence of the invention is that the access has a laser-drilled first section and a plasma-etched second section, wherein the plasma-etched second section has an opening to the first cavity, wherein the access in the first section is closed by a melt-melt closure of at least the first substrate ,
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Substrat eine Zusatzschicht aufweist und der Zugang auch durch Schmelze der Zusatzschicht verschlossen ist. An advantageous embodiment of the invention provides that the first substrate has an additional layer and the access is also closed by melt of the additional layer.
Vorteilhaft ist die mikromechanische Vorrichtung eine hybrid integrierte mikromechanische Vorrichtung wobei die Vorrichtung ein zweites Substrat mit einer ASIC-Schaltung aufweist. Advantageously, the micromechanical device is a hybrid integrated micromechanical device wherein the device has a second substrate with an ASIC circuit.
Die Erfindung betrifft auch ein kombiniertes Laser-Bohr- und Plasmaätz-Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen. The invention also relates to a combined laser drilling and plasma etching method for producing micromechanical devices.
Vorteilhaft wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schmauch in der Kaverne vollständig vermieden. Vorteilhaft ist keine teure Fotomaske für dem Plasma-Ätzprozess notwendig. Der Laserbohrprozess erzeugt die für den Trenchprozess notwendige Maske. Vorteilhaft erfolgt die Justage zwischen Laser-Bohrprozess und Trenchprozess über die Zusatzschicht selbstjustierend, ein Versatz ist ausgeschlossen. Vorteilhaft kann durch die Kombination zweier Abtragungsverfahren, nämlich Laserbohren und Trenchätzen, ein in Summe höheres Aspektverhältnis für den Zugangskanal erreicht werden. Durch geeignete Wahl der Zusatzschicht ist es vorteilhaft möglich kleinere Zugangsöffnungen im Laser-Bohrprozess zu erreichen. Vorteilhaft kann die Zusatzschicht gleichzeitig genutzt werden, um einen stabileren Laser-Reseal-Prozess zu erzeugen, beispielsweise indem das Material der Zusatzschicht leichter schmelzbar ist, oder mit dem Material des Substrats, insbesondere Silizium, ein Eutektikum bildet. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße kombinierte Laserbohr- und Plasmaätz-Verfahren mit dem definierten Einbringen einer geeigneten Atmosphäre und dem Verschließen an jeder beliebigen Stelle im gesamten MEMS-Herstellungsprozess integriert werden. Insbesondere kann diese Schrittfolge auch ganz am Ende des Wafer-Herstellungsprozesses integriert werden. So muss der eigentliche Herstellungsprozess nicht verändert werden. Advantageously, with the method according to the invention, smoke in the cavern is completely avoided. Advantageously, no expensive photomask for the plasma etching process is necessary. The laser drilling process generates the mask necessary for the trench process. Advantageously, the adjustment between the laser drilling process and the trench process via the additional layer is self-adjusting, an offset is excluded. Advantageously, by combining two removal methods, namely laser drilling and trench etching, a higher overall aspect ratio for the access channel can be achieved. By suitable choice of the additional layer, it is advantageously possible to achieve smaller access openings in the laser drilling process. Advantageously, the additional layer can be used simultaneously to produce a more stable laser reseal process, for example by making the material of the additional layer more readily fusible, or by forming a eutectic with the material of the substrate, in particular silicon. Advantageously, the combined laser drilling and plasma etching process according to the invention can be integrated with the defined introduction of a suitable atmosphere and sealing at any point in the entire MEMS production process. In particular, this sequence of steps can also be integrated at the very end of the wafer production process. So the actual manufacturing process does not have to be changed.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt (c) die Zusatzschicht entfernt wird. Vorteilhaft kann die Zusatzschicht unmittelbar nach dem Schritt (c) entfernt werden oder in einem späteren Verfahrensschritt.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that after step (c) the additional layer is removed. Advantageously, the additional layer can be removed immediately after step (c) or in a later process step.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt (e) in der ersten Kaverne eine Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung und bestimmtem Druck eingestellt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that after the step (e) in the first cavern, an atmosphere having a specific composition and a certain pressure is set.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (f) auch Laser-Schmelzen von Material der Zusatzschicht erfolgt. Vorteilhaft wird der Zugang auch durch Schmelze der Zusatzschicht verschlossen. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that laser melting of material of the additional layer takes place in step (f). Advantageously, the access is closed by melt of the additional layer.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schritt (c) und/oder der Schritt (d) im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck durchgeführt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that step (c) and / or step (d) is carried out essentially at atmospheric pressure.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (c) das Laserbohren mit einem ersten Laser oder auch mit ersten Laser-Betriebsparametern, insbesondere mit sehr kurzer Wellenlänge oder auch sehr stark fokussiert oder auch mit sehr kurzer Pulslänge durchgeführt wird, und dass im Schritt (d) das Laserbohren mit einem zweiten laser oder auch mit zweiten Laser-Betriebsparametern, welche von den ersten Laser-Betriebsparametern verschieden sind, insbesondere mit größerer Wellenlänge oder auch weniger stark fokussiert oder auch mit größerer Pulslänge durchgeführt wird. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step (c) the laser drilling is performed with a first laser or with first laser operating parameters, in particular with a very short wavelength or very strongly focused or with a very short pulse length, and that in step (d) the laser drilling with a second laser or with second laser operating parameters, which are different from the first laser operating parameters, in particular with a larger wavelength or less strongly focused or performed with a larger pulse length.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt (d) das Laserbohren zunächst mit den ersten Laser-Betriebsparametern bis zu einer bestimmten Tiefe durchgeführt wird und anschließend das Laserbohren mit den zweiten Laser-Betriebsparametern durchgeführt wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step (d) the laser drilling is first performed with the first laser operating parameters to a certain depth and then the laser drilling is performed with the second laser operating parameters.
Zeichnung drawing
Beschreibung description
In einer diskreten Anordnung eines mikromechanischen Sensors oder einer sonstigen mikromechanischen Vorrichtung, in der nur ein MEMS-Element realisiert wird und die Auswerteschaltung oder eine sonstige elektrische Steuerschaltung separat vorgesehen wird, kann der Zugangskanal
Schwierig wird die Herstellung der Zugangsöffnung
Wird der Zugang
- (a) Bereitstellen eines mikromechanischen Vorläuferprodukts mit einem ersten Substrat
11 und wenigstens einer erstenKaverne 100 , wobei die ersteKaverne 100 wenigstens vondem ersten Substrat 11 begrenzt wird, - (b)
Aufbringen einer Zusatzschicht 9 aufdas erste Substrat 11 , - (c) Laserbohren durch die
Zusatzschicht 9 und somit Herstellen einer Maske, - (d) Laserbohren eines ersten Teilabschnitts
12 des ersten Substrats11 durch die Maske hindurch, - (e) Plasmaätzen eines zweiten Teilabschnitts
13 des ersten Substrats11 durch die Maske und durch den erstenTeilabschnitt 12 hindurch, derart, dassein Zugang 1 durchdas erste Substrat 11 zur Kaverne 100 geschaffen wird, - (f) Laser-Schmelzen von Substratmaterial des ersten Teilabschnitts
12 und Verschließen des Zugangs1 mit Schmelze.
- (a) providing a micromechanical precursor product with a
first substrate 11 and at least afirst cavern 100 , where thefirst cavern 100 at least from thefirst substrate 11 is limited, - (b) applying an
additional layer 9 on thefirst substrate 11 . - (c) laser drilling through the
additional layer 9 and thus producing a mask, - (d) laser drilling a
first section 12 of thefirst substrate 11 through the mask, - (e) plasma etching a
second subsection 13 of thefirst substrate 11 through the mask and through thefirst section 12 through, such anaccess 1 through thefirst substrate 11 to thecavern 100 is created - (f) laser melting substrate material of the
first section 12 and closing theaccess 1 with melt.
Die wesentlichen Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Ein MEMS-Wafer-Strack wird mit mindesten einer Zusatzschicht versehen.
- 2. Mit einem Laser-Bohr-Verfahren wird in die Zusatzschicht und das Substratmaterial ein Sack-Loch gebohrt.
- 3. Mit einem Plasma-Ätzverfahren insbesondere mit einem Trench-Verfahren wird das Loch weiter bis in die Kaverne geätzt.
- 4. Optional kann nun die Zusatzschicht entfernt werden (
2F ). - 5. Die Kaverne wird mit den gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet.
- 6. Der Bereich um den Zugangskanal wird lokal über einen Laser erhitzt, das Substratmaterial verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch.
- 1. A MEMS wafer line is provided with at least one additional layer.
- 2. A sack hole is drilled in the additional layer and substrate material using a laser drilling method.
- 3. With a plasma etching process, in particular with a trench method, the hole is further etched into the cavern.
- 4. Optionally, the additional layer can now be removed (
2F ). - 5. The cavern is flooded with the desired gas and internal pressure over the access channel.
- 6. The area around the access channel is locally heated by a laser, the substrate material liquefies locally and hermetically seals the access channel upon solidification.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung Further embodiments of the invention
Es ist günstig den Laser-Bohr-Prozess mit zwei unterschiedlichen Lasern oder Lasereinstellungen vorzunehmen. Der erste Laser-Bohr-Prozess ist optimiert, um ein Loch in die Zusatzschicht zu bohren. Es kann beispielsweise bewusst eine Laser mit sehr kurzer Wellenlänge verwendet werden, der sehr stark fokussiert ist und oder eine sehr kurze Pulslänge hat. Damit kann in der Zusatzschicht ein sehr kleines Zugangsloch erzeugt werden. Der zweite Laser-Bohr-Prozess kann optimiert werden, um im Substrat ein Loch zu bohren. Insbesondere kann die Zusatzschicht und der zweite Laser derart kombiniert werden, dass ein Teil der Laserleistung reflektiert wird. Es kann beispielsweise als Zusatzschicht eine Metallschicht wie insbesondere Aluminium verwendet werden, die mit einer Laserwellenlänge kombiniert wird, so dass ein großer Teil des Lichts reflektiert wird. Oder es wird eine teilweise transparente Schicht, wie beispielsweise Oxid verwendet, die aber in einer Dicke derart gewählt wird, dass das Laser-Licht zu einem großen Teil reflektiert wird. Durch eine solche Anordnung kann das Laser-Licht durch die Zusatzschicht neben der normalen Fokussierung noch weiter räumlich lokalisiert werden und man ist damit in der Lage sehr kleine Zugangskanäle auch in großer Tiefe zu bohren. Günstig an diesem Verfahren ist, dass als zweiter Laser-Bohr-Prozess auch ein Laser mit größerer Wellenlänge und /oder größerer Pulslänge verwendet werden kann, der schnellere Bohrraten erlaubt. It is convenient to perform the laser drilling process with two different lasers or laser settings. The first laser drilling process is optimized to drill a hole in the additional layer. For example, it is possible to deliberately use a laser with a very short wavelength, which is very focused and or has a very short pulse length. Thus, a very small access hole can be created in the additional layer. The second laser drilling process can be optimized to drill a hole in the substrate. In particular, the additional layer and the second laser can be combined in such a way that a part of the laser power is reflected. For example, as an additional layer, it is possible to use a metal layer, in particular aluminum, which is combined with a laser wavelength, so that a large part of the light is reflected. Or, a partially transparent layer such as oxide is used, but is selected in a thickness such that the laser light is largely reflected. By such an arrangement, the laser light can be further spatially localized by the additional layer in addition to the normal focus and it is thus able to drill very small access channels also at great depth. A favorable feature of this method is that the second laser drilling process can also use a laser with a longer wavelength and / or a longer pulse length, which allows faster drilling rates.
Weiterhin kann es günstig sein mit den ersten Laser-Bohr-Prozess ein Loch nicht nur in die Zusatzschicht
Weiter günstig ist es, wenn zunächst der Laser-Bohr-Prozess an der Luft, das heißt bei atmosphärischem Druck durchgeführt wird, um eine einfache, kostengünstige Prozessführung zu erlauben. Anschließend wird das Plasma-Ätzverfahren in einer Vakuum-Kammer durchgeführt. Dann wird der Wafer direkt, ohne den Wafer aus der Vakuum-Anlage zu bringen, mit dem Laser-Reseal-Prozess verschlossen. Günstig an diesem Ablauf ist, dass keine Verunreinigungen beim anschließenden Belüften in die Kaverne kommen können. Weiter können auch keine Feuchtigkeit und andere absorbierende Gase in die Kaverne kommen. Diese Gase könnten zum Teil nur durch Ausheizen entfernt werden. Da bei dieser Prozessführung kein Ausheizen notwendig ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren an beliebiger Stelle, insbesondere auch ganz am Ende der Prozesskette zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung, vorgenommen werden. Dies ist beispielsweise auch noch möglich, wenn schon Lotkugeln auf dem Wafer platziert wurden und daher eine Temperaturbehandlung nicht mehr möglich ist. It is further advantageous if the laser drilling process is initially carried out in air, that is to say at atmospheric pressure, in order to allow simple, cost-effective process control. Subsequently, the plasma etching process is carried out in a vacuum chamber. Then, the wafer is directly, without bringing the wafer from the vacuum system, closed with the laser reseal process. A favorable feature of this process is that no impurities can enter the cavern during subsequent aerating. Furthermore, moisture and other absorbing gases can not enter the cavern. These gases could be removed in part only by heating. Since in this process management no annealing is necessary, the inventive method can be made at any point, especially at the very end of the process chain for the production of a micromechanical device. This is also possible, for example, if solder balls have already been placed on the wafer and therefore a temperature treatment is no longer possible.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch das MEMS-Substrat deutlich dicker als das ASIC-Substrat gewählt werden. Das ist insbesondere dann günstig wenn die MEMS-Strukturen mechanisch an das MEMS-Substrat gekoppelt sind.With the method according to the invention, the MEMS substrate can be selected to be significantly thicker than the ASIC substrate. This is particularly favorable when the MEMS structures are mechanically coupled to the MEMS substrate.
Besonders günstig ist das Verfahren für hybrid integrierte MEMS-Elemente. Günstig ist insbesondere, wenn auf einem Substrat eine MEMS-Struktur vorgesehen wird und auf einem weiteren Substrat eine ASIC-Auswerteschaltung vorgesehen wird und beide Substrate aufeinander gebondet werden. Dann ist es günstig den Zugang nach dem beschrieben Verfahren durch das Substrat mit der MEMS-Struktur zu wählen. In diesem Fall können ASIC-Funktionsschichten wie Passivierungsschichten (Oxide) oder Verdrahtungsschichten (Al oder Cu) als Ätz-Stoppschicht für das Plasma-Ätzverfahren verwendet werden, ohne dass Zusatzschichten im System aufgebracht werden müssen. The method is particularly favorable for hybrid integrated MEMS elements. It is particularly advantageous if a MEMS structure is provided on a substrate and an ASIC evaluation circuit is provided on a further substrate and both substrates are bonded to one another. Then it is convenient to choose access to the described method through the substrate with the MEMS structure. In this case, ASIC functional layers such as passivation layers (oxides) or wiring layers (Al or Cu) can be used as etchants. Stop layer can be used for the plasma etching process without additional layers must be applied in the system.
Speziell ist das Verfahren günstig zur Herstellung von hybrid integrierte MEMS-Elemente mit mindesten zwei Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck. In particular, the method is favorable for the production of hybrid integrated MEMS elements with at least two caverns with different internal pressure.
Weiterhin ist das Verfahren günstig zur Herstellung von hybrid integrierte MEMS-Elemente die als Bare-Die-Aufbauten konzipiert sind, also direkt mit Lotkugeln versehen sind und nicht in Plastikmasse vergossen werden. Furthermore, the method is favorable for the production of hybrid integrated MEMS elements which are designed as bare die constructions, ie are provided directly with solder balls and are not potted in plastic material.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zugangskanalaccess channel
- 22
- elektrische Kontaktflächenelectrical contact surfaces
- 33
- Kappenwafercap wafer
- 44
- Sensorwafersensor wafer
- 55
- Schmelzverschlussmelting closure
- 66
- ASIC WaferASIC wafer
- 77
- MEMS WaferMEMS wafer
- 88th
- TSVTSV
- 99
- Zusatzschichtadditional layer
- 1010
- lasergebohrtes Loch in Zusatzschicht laser drilled hole in additional layer
- 1111
- erstes Substrat first substrate
- 1212
- lasergebohrter erster Teilabschnitt des Zugangskanals im ersten Substrat laser drilled first section of the access channel in the first substrate
- 1313
- plasmageätzter zweiter Teilabschnitt des Zugangskanals im ersten Substrat plasma etched second section of the access channel in the first substrate
- 1414
- Stoppschicht stop layer
- 1515
- zweites Substrat second substrate
- 2020
- Lotkugel solder ball
- 100100
- erste Kaverne first cavern
- 200200
- zweite Kaverne second cavern
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2015/120939 A1 [0002] WO 2015/120939 A1 [0002]
- DE 102011103516 B4 [0007] DE 102011103516 B4 [0007]
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