Ziel der Entwicklung
Zielstellung des Projekts war die Entwicklung und Erprobung des Chemisch-Mechanischen Polierens zur Herstellung bondfähiger Oberflächen um das hermetisch dichte Packaging von Sensoren auf Wafer-Level zu realisieren. Das Packaging der im Projekt geplanten IR-Sensoraufbauten zeichnet sich dabei durch ein eingeschränktes Temperaturfenster aus, da die IR-Sensoren in Prozessen über 200°C nicht längere Zeit stabil sind. Um bei diesen niedrigeren Temperaturen zu bonden, ist eine besonders glatte Oberfläche notwendig. Der zweite Demonstrator – ein Drucksensor – ist für die Verwendung in aggressive Medien und bei Temperaturen bis 200°C vorgesehen. Dazu ist es notwendig die freigestellten Leitbahnen auf der Sensorseite anzuordnen, auf der sich das Referenzvakuum befindet. Um den hermetisch dichten Einschluss des Referenzvakuums zu realisieren, ist es notwendig die Gräben zwischen den freigestellten Leitbahnen zu verfüllen und danach eine ebene Fläche für den Bondprozess herzustellen. Für diesen letzten Teil sollte ebenfalls ein angepasster CMP-Prozess entwickelt werden.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt konnte das Chemisch-Mechanische Polieren am CiS erprobt werden. Bei den Drucksensoren ist es gelungen auf Waferlevel eine hermetisch dichte Hausung zu realisieren. Dafür wurde der sogenannte Caldera-Prozess auf das Layout des Drucksensors angewendet und auf unserer Anlage umgesetzt. Auf Grund der im Caldera-Prozess signifikant reduzierten Prozesszeit, spielten die immer noch auftretenden Inhomogenitäten beim Abtrag über den Wafer nur eine untergeordnete Rolle. Die großflächige Politur zur Herstellung der gehausten Thermopiles stellte sich als deutlich größere Herausforderung dar. Mit der verfügbaren Anlagentechnik konnte kein ausreichend einheitliches Polierbild über den Wafer erreicht werden, so dass dieser Prozessschritt im Unterauftrag am Fraunhofer ENAS durchgeführt wurde. Um eine Verschlechterung der Bondoberfläche durch den Transport zurück in die eigenen Labore zu verhindern, wurde auch das Bonden der Wafer ebenfalls am ENAS durchgeführt. Dort konnte bei den im Projekt angestrebten niedrigen Temperaturen von <200°C gebondet werden. Dazu wurden die Wafer nach dem Polieren in einem chemisch-reaktiven Plasma aktiviert. Dieses Vorgehen verursachte jedoch irreversible Schäden an den eingesetzten Thermopiles. Die Ursachenanalyse lieferte erste Erkenntnisse und offenbarte die Notwendigkeit einer Technologieanpassung in einem Folgeprojekt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptanwendung der verbesserten Hausungstechnologien ist im Bereich Mikrosensoren – insbesondere solche bei denen eine hermetisch dichte Hausung erforderlich ist. Der große Vorteil der hier verfolgten Lösung ist, dass dieser dichte Verschluss der empfindlichen Sensorkomponenten bereits auf Waferebene erreicht werden kann. Das erspart deutlichen Aufwand im Vergleich zur Einzelteilmontage einzelner Chips. sind optische und photoakustische Gassensoren sein. Der Markt für solche Sensoren hat sich im Laufe der Projektbearbeitung weiterhin gut entwickelt und folgt dem prognostizierten Wachstum im oberen einstelligen Prozentbereich pro Jahr (CAGR). Aktuelle Marktstudien zu diesem Anwendungsfeld versprechen weiterhin starkes Wachstum mit nunmehr über zehn Prozent Steigerung pro Jahr in den kommenden fünf Jahren. Die Anwendung der Entwicklungsergebnisse erfolgt durch enge Kooperation mit Transferunternehmen. Zu den Transferunternehmen zählen insbesondere Hersteller von IR-basierten Sensoren und Messgeräten (vor allem kleine und mittlere Unternehmen und Zulieferer), Drucksensorhersteller aber auch Massenfertiger aus der Halbleiter-Sensor-Industrie. Für die Erstgenannten ist das CiS Forschungsinstitut in der Lage, anwendungsspezifische und hochfunktionale Sensor-Komponenten zu entwickeln und anschließend in Kleinserie zu fertigen. Übersteigt der Bedarf dieser Unternehmen die Kapazitäten des CiS Forschungsinstitutes, kann ein Technologietransfer zu großen Halbleiter-Produzenten erfolgen.
