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WO2014090438A1 - Mems-bauelement und verfahren zur verkapselung von mems-bauelementen - Google Patents

Mems-bauelement und verfahren zur verkapselung von mems-bauelementen Download PDF

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Publication number
WO2014090438A1
WO2014090438A1 PCT/EP2013/071396 EP2013071396W WO2014090438A1 WO 2014090438 A1 WO2014090438 A1 WO 2014090438A1 EP 2013071396 W EP2013071396 W EP 2013071396W WO 2014090438 A1 WO2014090438 A1 WO 2014090438A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
structures
resist layer
metallic
carrier layer
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/071396
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Krüger
Alois Stelzl
Christian Bauer
Jürgen PORTMANN
Wolfgang Pahl
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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 Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to US14/650,538 priority Critical patent/US9853204B2/en
Priority to JP2015546902A priority patent/JP6176803B2/ja
Publication of WO2014090438A1 publication Critical patent/WO2014090438A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US15/820,471 priority patent/US10164166B2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • B81B2207/095—Feed-through, via through the lid
    • H10W72/012—
    • H10W90/724—

Definitions

  • An electronic component with a hermetically CLOSED ⁇ Senen housing and a method of preparation is disclosed for example in DE 102008025202 A.
  • the encapsulation process can be performed at the wafer level. For this purpose, on a component wafer first
  • a metallic frame is generated on the wafer, which encloses the component structures.
  • a cover foil which comprises at least one metal layer is then placed on this frame and soldered firmly to the metallic frame.
  • Object of the present invention is to provide a MEMS device and a method for encapsulating MEMS devices, which has a simplified structure and is easy to manufacture.
  • the MEMS component has a substrate with an active surface, on which electrical component structures and contact surfaces for electrical contacting of the component structures are arranged.
  • metallic structures in the form of Column structures and a frame structure arranged on the active surface of the substrate.
  • the metallic pillar structures stand on the contact surfaces and protrude beyond the component structures.
  • Frame structure encloses the device structures on the surface of the substrate.
  • the component structures including a part of the columnar structures, are arranged in a cavity which is formed and terminated by a hardened resist layer placed on the frame structure and the pillar structures.
  • Resist layer can be UV cured or thermally cured. At least part of the metallic
  • Structures that is to say at least a part of the column structures and the frame structure, penetrate the resist layer in such a way that the surfaces pointing away from the substrate do not penetrate the resist layer
  • structured metallization is therefore at least with the resist layer piercing pillar structures in
  • the proposed MEMS device is simple
  • Resist layer and does not have a solder allowing for sealing the cavity is not required elevated temperatures, such as are needed for melting solder.
  • elevated temperatures such as are needed for melting solder.
  • the lowest thermal stress is achieved when using a UV-curing resist.
  • MEMS devices can react sensitively to thermomechanically generated voltages with a deviation in their device properties, one is at low process temperatures
  • the MEMS device comprises mechanically sensitive construction element structures which require a cavity housing for safe operation, as provided by the invention.
  • the component structures comprise moving parts, wherein the movement may also constitute a vibration.
  • One class of MEMS devices that require hermetic preferably hollow ⁇ chamber housing, are operating with acoustic waves devices. These can be surface acoustic wave (SAW) devices that work with surface acoustic waves.
  • SAW surface acoustic wave
  • FBAR thin film acoustic resonator
  • FBAR filter whose component structures comprise resonators operating with bulk acoustic waves.
  • Various sensors can also be designed in the form of MEMS components.
  • a carrier layer is disposed over the resist layer. On the surface of the carrier layer facing away from the substrate is then the structured
  • This can be electrically conductive
  • the hardened resist layer serves as the sole cover layer of the cavity housing. In conjunction with the arranged on it
  • the cured resist layer serves as a connecting and sealing layer.
  • the resist layer can be made correspondingly thin.
  • a hermetic layer is provided on the rear side of the substrate, which is opposite the active surface of the component
  • the hermetic layer therefore preferably comprises an inorganic layer, for example a dense oxide or a nitride or in particular a metal layer.
  • a hermetic housing is obtained, although the
  • Carrier layer is hermetically sealed and has no or only a low permeability to gases, moisture or liquids that the component structures could endanger or corrode, or interfere with the operation of the MEMS device.
  • a further possibility is to seal the back of the support layer with a further hermetic layer, for example with a ⁇ above the contact structure arranged patterned passivation layer, in which the external contacts are exposed.
  • the substrate is a piezoelectric wafer and the device structures include an interdigital transducer.
  • the carrier layer is formed as a glass sheet.
  • the hermetic layer can then be formed as a metallic layer.
  • Such formed MEMS device comprises a SAW device which can be provided as a tie layer inexpensive forth ⁇ with the glass sheet as the backing layer and the resist layer.
  • the metallic layer as a hermetic layer on the one hand a tightness against ⁇ over aggressive environmental conditions and on the other hand
  • a MEMS device is produced by generating electrical component structures and contact surfaces connected to them on an active surface of a wafer. Furthermore, metallic structures are produced on the active surface, which comprise pillar structures standing on the contact surfaces and a frame structure enclosing the component structures, wherein the frame structure likewise rests on the active surface of the wafer. In another Step, the surface of the metallic structures is planarized by a suitable method, for example by grinding or milling.
  • a carrier layer is placed on the metallic structures by means of a UV-curable resist layer and firmly bonded thereto by curing the resist layer by means of UV irradiation.
  • Resist für is given a simple method for producing a cavity housing for the MEMS devices, which can be carried out at the wafer level.
  • the UV irradiation can be carried out at room temperature, with excessive overheating of the component can be reliably prevented.
  • Component remains tension-free. Such is, on the one hand, less susceptible to damage and, on the other hand, does not show any change in its thermomechanical and, ultimately, electrical properties, which could be accompanied by a mechanical strain.
  • a further metal layer is applied to a portion of the metallic structures after planarization. Thereafter, a new planarization step may be performed. As a result, metallic
  • the upper ends of the metallic structures of each metal layer are each within a plane.
  • the carrier layer is preferably over the entire surface with the
  • the resist ⁇ layer penetrates until it comes into contact with the surface of the carrier layer.
  • the thickness of the resist layer is chosen thicker than the height of the further metal layer. This guarantees that the surfaces of all the metallic structures are embedded in the resist layer, with only the parts provided with the second metal layer
  • Metallic structures extend to the carrier layer.
  • This embodiment has the advantage that, because of the differently highly developed metallic structures in a contacting method, only the structures with the greater height can be contacted in a simple manner.
  • blind holes are produced in the carrier layer which extend through the carrier layer and in which the surfaces of at least the metallic structures thickened with the second metal layer are exposed.
  • Structures have the same height, the exposed in the blind holes metallic structures can be freely selected.
  • Carrier layer is now a structured contact structure applied so that they are exposed with the in the blind holes metallic structures is electrically connected.
  • an application method is selected, which also creates / deposits a conductive contact layer in the blind holes.
  • it is also to fill the blind holes first with conductive materials and then to choose a method of application of a contact layer or a contact ⁇ structure that can be performed on a flat surface.
  • the contact structure can also be generated directly structured or is first applied as a whole-area contact layer and then patterned.
  • the contact structure may also be a wiring structure, in which electrically conductive connections between different, in blind holes exposed, metallic
  • the carrier layer serves as an electrically insulating intermediate layer between the metallic structures and the contact structure and as a carrier of the contact structures.
  • the carrier layer may consist of a material which has sufficient hermiticity.
  • the UV-curable resist layer is applied over the entire surface of the carrier layer.
  • the carrier layer is then placed on the metallic structures so that at least a portion of the metallic
  • Carrier layer occur.
  • the resist layer is ⁇ cured with UV radiation.
  • the carrier ⁇ layer is peeled off from the resist layer. This leaves a cavity in which the element structures enclosed by the frame structure between the resist layer and the wafer
  • a structured contact structure is applied to the pointing away from the wafer surface of the resist layer so that they with the resist layer is electrically conductively connected by ⁇ abutting and therefore exposed metallic structures.
  • This embodiment has the advantage that no blind holes are required for contacting, since the surfaces of the metallic structures are exposed on the resist layer.
  • a uniform Schichtabtragungs ⁇ step are performed to remove a remaining residual layer ⁇ thickness between the metallic structures and the outwardly facing surface of the resist layer.
  • a short plasma treatment can be carried out, which is suitable for etching the resist.
  • Example ⁇ an oxygen plasma can be used.
  • no full-area resist layer is used. Rather, a resist layer is selectively applied to the surfaces of the metallic structures. On this provided with the resist layer Metallic structures is then adhered to a carrier layer, wherein the resist layer is used as an adhesive. Because the resist layer is here for gluing and not for
  • the structure widths of the blind holes are smaller than the structural widths of the metallic structures and thus the cavity enclosed between the carrier layer and the wafer does not have to be opened.
  • Variant can be performed with the different heights of the metallic structures with greater lateral tolerance. In this case, however, care must be taken that the depth of the blind holes does not exceed the layer thickness of the resist layer in order to avoid an opening of the cavity between the resist layer and the wafer.
  • the latter method variant has the advantage that, although a high lateral structural accuracy in the Manufacture of the blind holes is required, but the method is easy to control with respect to the depth of the blind holes, since the surfaces of the metallic structures can serve as a stop or as an etch stop.
  • a trench pattern may be formed in the active surface of the wafer prior to bonding to the resist layer and the support layer so as to separate a plurality of device regions from one another.
  • the component structures assigned to a respective component are arranged.
  • the resist and carrier layer are applied and the resist layer is cured.
  • the wafer can then be thinned from the rear side until the trench pattern is exposed. As a result, each component region has a completely separate substrate component from the other component regions.
  • the wafer thin has the advantage that the overall height of the device is reduced, the composite with the resist layer and the carrier layer ensures that the device is still sufficiently mechanically stable and therefore both against
  • the thinning of the wafer is preferably carried out by a mechanical method, for example by means of a grinding or milling process.
  • the wafer In a further process variant, the wafer
  • the hermetic layer is therefore applied to at least the back side of the wafer and to the surface of the carrier layer or of the exposed resist layer.
  • an anisotropic deposition of the hermetic layer also leads to an edge covering, so that the hermetic layer continuously covers the rear sides and side surfaces of all the components.
  • the hermetic layer can also be applied only at the places where the
  • Hermiticity of the existing housing must be strengthened. These are in particular the surface and other exposed interfaces of the resist layer to the frame structure and to the carrier layer.
  • a method is used to generate the hermetic layer, which can exactly ⁇ create a structured hermetic layer.
  • a Nanoj ethabilit is particularly suitable, preferably metallic inks are imprinted / decadejettet. It is also possible, however, the
  • hermetic coating or sputtering with another method.
  • Structures or the layer applied over the entire surface can be reinforced later by galvanic or electroless metal deposition.
  • the different methods of making the hermetic layer can also be made by galvanic or electroless metal deposition.
  • Layer is reached when previously exposed surfaces of the resist layer are largely removed. This can be done on a procedural level after the trench pattern is exposed by wafer thinning. With a suitable
  • Etching process can then be freed by the open trench pattern, the surface of the support layer of the resist layer located there.
  • the process can be adjusted so that the as adhesive
  • an oxygen-containing plasma is suitable for etching the cured resist.
  • the UV-curable resist layer can be cured in a simple manner through the carrier layer by means of UV irradiation, if a carrier layer transparent to UV radiation is used.
  • piezoelectric substrates are suitable for this, which as a rule are likewise permeable to UV radiation.
  • Carrier layer may also be a thermosetting resist may be used, the wafer is then brought to a total of a correspondingly elevated temperature, e.g. in an oven. It is also possible, however, the arrangement with the
  • Carrier layer set up on a hot plate to effect only locally heating.
  • the carrier layer may be any thin film. It may consist of glass or comprise a glass layer. It can be a plastic film. It may be a composite film which comprises at least a plastic layer and a metal layer ⁇ .
  • the carrier Layer with a metal lining for example, provided with a copper lining and comprises a plastic film. From such a metal-clad carrier layer can in a simple manner by etching structuring a
  • Contact structure are generated. This can optionally by metallic deposition after structuring
  • the remaining remaining thin lamination can be removed by etching.
  • the opening of the blind holes can be done before or after structuring of the metal lamination. In both cases, however, must be ensured that an electrically conductive contact between metallic
  • Structures in the blind holes and the metal lining is made. This can be done for example by filling the blind holes with electrically conductive material.
  • the components are separated, in which the carrier layer and / or the resist layer between the individual components are severed. This is preferably done by a sawing step. However, it is also possible to carry out the separation into individual components by means of a laser process.
  • FIG. 1 shows a MEMS component during a process stage after being connected to a carrier layer in a schematic cross section
  • FIG. 2 shows a MEMS component at the same stage in a variant of the method
  • FIGS. 3A to 3C show various process stages in the production of an alternative embodiment
  • FIGS. 4A to 4B show two process steps in the production of a MEMS component of a further embodiment
  • FIGS. 5A to 5D are schematic cross sections
  • FIGS. 6A to 6C show a measure of the hermetic sealing by means of different process stages in the manufacture of a MEMS component
  • FIGS. 8A to 8C show various process steps in the production of a structured metallization
  • FIGS. 9A and 9B show two process stages in the production of a variant of a metallization structure
  • FIGS. 8A to 8C show various process steps in the production of a structured metallization
  • FIGS. 9A and 9B show two process stages in the production of a variant of a metallization structure
  • FIG. 10 shows a plan view of the active surface of a substrate with active component structures, contact surfaces and frame structure.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-section of a single substrate for a MEMS component on a stage, in which the substrate SU is connected to the carrier layer TS with the aid of a resist layer RL.
  • the substrate SU has on its active surface AS component structures BES.
  • the device structures further comprise contact pads (not shown in the figure), on which sit metallic pillars ⁇ PS structures.
  • a frame structure RS is applied to the active surface AS, preferably of the same material as the column structures PS.
  • the frame structure encloses at least the active component structures BES on the surface.
  • the contact surfaces and columnar structures are also arranged within the frame structure RS. However, it is also possible to arrange individual contact surfaces ⁇ and seated on pillar structures PS outside the frame structure on the active surface AS.
  • the substrate SU rests on a resist layer RL, which is arranged on a carrier layer TS.
  • a resist layer RL which is arranged on a carrier layer TS.
  • the Resist layer is preferably a UV-curable
  • the thickness of the resist layer is set smaller than the height difference between the
  • Device structures the highest pillar structures.
  • the metallic structures can be so deep in the
  • Structures are achieved by thickening the deeper penetrating metallic structures with an additional metal layer AM, which may be structured differently from the lower first metal layer.
  • Figure 2 shows e.g. further metal layers AMO, which have the same cross-section as the underlying first metal layer.
  • Metal layer within a column structure to choose larger than the cross section of the first metal layer, as shown for the other metal layers AMI.
  • the cross-section of the further metal layer AM2 may have a smaller cross-sectional area than the underlying first metal layer of the respective column structure PS.
  • a widened second metal layer AMI has the advantage that it provides increased process reliability during the subsequent contacting through the carrier layer TS.
  • a ver ⁇ detracted second metal layer AM2 has that it can be easier to sink into the resist layer RH the advantage.
  • the metallic structures that are not thickened with a second metal layer AM and therefore have a lower height than the thickened metallic structures can not penetrate to the surface of the carrier layer TS.
  • FIGS. 3A to 3C show different process stages in the production of a MEMS component according to a further variant or embodiment that does not require a carrier layer TS in the end product.
  • FIG. 3A shows a carrier substrate TS coated with a resist layer RL and a substrate SU, which has component structures, a frame structure RS and column structures PS.
  • Metallic structures may have the same or different heights.
  • the surfaces of the metal structures using a planarizing ⁇ process for example by milling or grinding to the same level are placed so that their surfaces lie within a plane and can be covered with a planar support layer TS close the better is advantageous.
  • FIG. 3B shows the attached substrate SU, in which the metallic structures have penetrated into the resist layer RL up to the surface of the carrier substrate TS.
  • the resist layer RL is cured and preferably irradiated with UV light. After hardening of the resist layer to form a UV-cured resist, the tightness of the cavity CV is ensured, as is its mechanical stability. Now it is possible to remove the carrier layer TS from the cured resist peel off so that only the cured resist layer RL remains on the device. The tops of the metallic structures are flush with that of the substrate
  • FIG. 3C shows the arrangement in this process stage.
  • FIGS. 4A and 4B show two process steps in the
  • the resist layer RL is not applied as a whole-area layer on the carrier substrate TS but according to FIG. 4A selectively only to the ends of the metallic structures facing away from the substrate. This is achieved by a suitable method, for example by means of printing, brushing or rolling up e.g. UV-curable resists.
  • FIG. 4B shows the arrangement after placement of the metallic structures covered by the resist layer RL onto the carrier layer TS. Also in this way can the
  • Figures 1 to 4 represent the components are in the process ⁇ stages before a patterned metallization for making external contacts, and for the contacting of the active component structures BES is applied.
  • the minimum layer thickness of the resist layer RL is selected such that the cavity CV can be tightly sealed off, which adds up to an overall question of the structural accuracy and the planarity of both
  • Resist layer RL since this is used as a free-bearing component ⁇ cover or as a housing cover and thereby ensure the mechanical stability of the cover.
  • a typical layer thickness for a variant according to FIG. 2 is, for example, 1 ⁇ m.
  • Variant of Figure 3 is, for example, 10 ym.
  • impermeability of the cavity and good adhesion may deviate a suitable layer thickness from these values upwards or downwards.
  • FIGS. 1 to 4 the component or the method leading thereto is illustrated with reference to a single component substrate and the corresponding section of the carrier layer TS, but is generally performed simultaneously on wafer level for all components located on a wafer.
  • Figures 5A to 5D show further details in the
  • a wafer serving as substrate SU comprises active component structures for a multiplicity of components. Active component structures and metallic Structures of a respective component are arranged within a component region BB, of which the wafer serving as substrate SU has a multiplicity.
  • a trench pattern GM introduced into the active surface comprises trenches enclosing each individual component region BB along the later separation line when the components are singulated. The grave patterns can be introduced into the substrate SU to about 50% of the layer ⁇ thick. The minimum depth of the trench pattern GM corresponds to that for the later
  • Component provided end layer thickness of the substrate after thinning.
  • the metallic structures are preferably with the
  • a resist layer application device RA therefore comprises, for example, a roller which can be used for roller coating.
  • the resist will be on the
  • FIG. 5A shows the arrangement during the application of the resist layer RL.
  • the carrier layer TS is placed on the resist-coated metallic structures.
  • a thin and flexible film is used, which is a plastic film, a composite film made of plastic and another material, in particular inorganic
  • FIG. 5B shows the arrangement during the application of the carrier layer TS.
  • the layer thickness of the wafer serving as substrate SU is reduced from the rear side. This can be done for example by means of grinding. The thinning is carried out until the trench pattern of the wafer serving as substrate SU.
  • FIG. 5C shows the arrangement in this process stage, but in contrast to FIGS. 5A and 5B, the substrates are now shown pointing upwards.
  • hermetic carrier substrate TS If a hermetic carrier substrate TS is used, then in a further process stage the hermiticity of the
  • Components are further increased by the joints between the metallic structures in particular the
  • the hermetic pattern is formed by the trench pattern or the gaps existing between the individual component regions BB
  • Material so applied to the exposed surfaces of the support layer, the resist layer and at least parts of the frame ⁇ structure can be done by means of an isotropic application method, which is used to produce a layer also suitable for vertical or overhanging surfaces.
  • an isotropic application method which is used to produce a layer also suitable for vertical or overhanging surfaces.
  • a structuring anisotropic method for example a jet printing method. With this it is possible to produce even fine structures of the printed material at the desired location.
  • FIG. 5D the application of the hermetic layer HS is indicated by arrows.
  • the hermetic layer used are inorganic layers, in particular metallic layers. With the Jetdruck compiler also metallic particles can be comprehensive inks ⁇ printed, the density in continuous and
  • Metallic nanoparticles can be melted at particularly low temperatures and converted into continuous metal layers or metal structures.
  • Such inks include, in particular, silver nanoparticles.
  • a hermetic layer HS applied in a structured manner or spread over the entire surface can additionally be produced by a galvanic or electroless metal deposition process
  • a hermetic layer HS which is also applied over the entire surface to the backs of the substrates may additionally have a
  • FIG. 6A shows the arrangement after the removal of the resist layer RL between the individual ones Components, so that there the surface of the carrier layer TS is exposed.
  • FIGS. 7A to 7C show different process stages in the production of a structured metallization on the surface of the cover facing away from the substrate, which is shown here as a pure resist layer RS according to the process variant according to FIG.
  • Figure 7A shows the device after placement on the entire surface covered with a resist layer carrier layer such that the ends of the metalli ⁇ rule structures penetrate the resist layer completely and practically in contact with the support layer TS.
  • FIG. 7B shows the arrangement at this stage of the process.
  • the surface of the resist layer RL provided with external contacts AK can still be provided with a passivation layer PS.
  • a passivation layer PS is preferably made of inorganic material, in particular an oxidic, nitridic or other hard and dense material.
  • the passivation layer PS is structured so that it covers exposed areas of the resist layer ⁇ and the edges of the external contacts and leaves free only used for contacting the area of the external contacts.
  • FIG. 7C shows the arrangement with the applied and structured passivation layer PS.
  • the external contacts can be produced in the form of a ball grid array or a land grid array in a manner known per se.
  • FIGS. 8A to 8C show different process stages in the production of a structured metallization on the outwardly facing lower side of the carrier layer TS.
  • FIG. 8A shows the arrangement after the placement of a carrier layer TS covered with a resist layer RL on the
  • blind holes SL are generated from the underside of the carrier layer ago, in which the surface of the metallic structures to be contacted are exposed.
  • the blind holes are produced so that the enclosed cavity CV remains closed, so the resist layer RL is not pierced by the blind hole.
  • various measures are suitable. For example, it is possible to increase the layer depth
  • Another measure includes an endpoint detection ⁇ , wherein the beginning of ablation of the metallic structure is detected. Another possibility exists to center the cross-sectional area of the blind hole SL on the metallic structure to be contacted and to make the cross-sectional area of the blind hole smaller than the cross-section of the metallic structure, so that the bottom of the blind hole SL is completely formed by the metallic structure. In this way, the metal of the metallic structure constitutes a "natural" etch stop.
  • the support layer has a sufficiently thin layer TS ⁇ thickness that the blind holes SL can be produced with the aid of a laser. This has the advantage that the laser can be used exactly ⁇ places and an additional resist mask is not required. Also suitable are dry or
  • a structured metallization MS is produced such that it can enter into electrically conductive connection with the metallic structures exposed in the blind holes. For this purpose, as in FIG. 8C
  • an electrically conductive material in particular a metal preferably over the entire surface deposited example ⁇ by sputtering, so that it is in contact with the metallic structure at the bottom of the blind holes.
  • a structuring and possibly a Ver ⁇ strengthening of the metal layer in a metal deposition which can be carried out galvanically or de-energized.
  • the structuring can be carried out by applying a structured resist mask to the metal layer applied over the whole area, so that the thickening takes place only in that of the resist. mask free areas. Subsequently, the mask is removed and the remainders of the metal layer in the unreinforced areas are removed.
  • FIG. 8C shows the arrangement in this process stage.
  • process step (after the generation of the blind holes ⁇ SL) initially provided with an electrically conductive filling the blind holes, as illustrated for example in Figure 9B.
  • This can be done by a mechanical method, eg by introducing a conductive paste.
  • FIG. 9A shows a variant of the method described with reference to FIGS. 8A to C, in which the metallic structures are designed with a cross-section which varies over the height.
  • the metallic structures RS, PS at least in a part of the metallic structures RS, PS, the upper end remote from the substrate is provided with a larger cross-sectional area, which then extends as far as the substrate during placement of the substrate
  • the increased cross-sectional area of the metallic structures means that more area is available for producing the blind holes, without thereby opening the enclosed cavity. A sure on The broadened cross section of the metallic structures centered blind hole leads to high process reliability.
  • the cross-sectional area of the metallic structures can be varied in the production of the metallic structures in a stage between the first and second metal layers.
  • the additional metal layer AMI is above ⁇ semi certain to be contacted metallic
  • FIG. 9B shows a structured metallization in which the blind hole SL is closed by an electrically conductive mass CF.
  • the structured metallization then includes the electrically conductive filled blind hole and one on the
  • FIG. 10 shows a plan view of a substrate with component structures BES, contact surfaces KF connected thereto,
  • component structures BES an interdigital transducer is exemplarily shown, as used, for example, in SAW components as a frequency-determining structure.
  • the component structures BES ⁇ may also include other structures or more interdigital transducers adjacent to the interdigital transducer.
  • Other types of electrical or electromechanical construction Elements may also have deviating component structures, for example, a movable membrane in a capacitive MEMS device.
  • the frame structure RS encloses the component structures BES. Deviating from this, however, the contact surfaces KF can pass through under the frame structure RS
  • Component enclosed cavity can be arranged.
  • Process steps are preferably carried out at wafer level.
  • the invention has been illustrated in part with only a single substrate for a single device. Individual structures illustrated in the figures may also be used in other embodiments
  • hermetic layer is used, even if they are not explicitly mentioned or presented there. Thus, for example, it is possible in all embodiments a hermetic layer
  • the hermetic layer HS may also cover the entire back surface of the substrate SU.
  • the hermetic layer can be electrically conductively connected via an appropriately placed contact hole to an external contact AK on the underside of the carrier layer TS. It is also possible in all cases to contact the frame structure RS electrically, preferably to be connected to a grounded external contact AK. With the help of this additional ground connection an improved shielding of the device is achieved, which for a trouble-free

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Abstract

Es wird ein MEMS-Bauelement vorgeschlagen, welches auf einem Substrat Bauelementstrukturen, mit den Bauelementstrukturen verbundene Kontaktflächen, metallische Säulenstrukturen, die auf den Kontaktflächen aufsitzen und metallische Rahmenstrukturen, die die Bauelementstrukturen umgeben, aufweist. Eine gehärtete Resistschicht sitzt so auf Rahmenstruktur und Säulenstrukturen auf, dass ein Hohlraum zwischen Substrat, Rahmenstruktur und Resistschicht eingeschlossen ist. Direkt auf der Resistschicht oder auf einer auf der Resistschicht aufsitzenden Trägerschicht ist eine strukturierte Metallisierung vorgesehen, die zumindest Außenkontakte des Bauelements umfasst und sowohl mit metallischen Strukturen als auch den Kontaktflächen der Bauelementstrukturen elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Beschreibung
MEMS-Bauelement und Verfahren zur Verkapselung von MEMS- Bauelementen
Ein elektronisches Bauelement mit einem hermetisch geschlos¬ senen Gehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung ist beispielsweise der DE 102008025202 A zu entnehmen. Das Verfahren zur Verkapselung kann auf Waferebene durchgeführt werden. Dazu werden auf einem Bauelementwafer zunächst
Bauelementstrukturen für eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen gleichzeitig erzeugt. Um die Bauelement¬ strukturen eines jeden Bauelements wird auf dem Wafer ein metallischer Rahmen erzeugt, der die Bauelementstrukturen umschließt. Auf diesen Rahmen wird nun eine Deckfolie, die zumindest eine Metallschicht umfasst, aufgelegt und fest mit dem metallischen Rahmen verlötet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS- Bauelement und ein Verfahren zur Verkapselung von MEMS- Bauelementen anzugeben, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist und einfach herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch ein MEMS-Bauelement mit den
Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Verkapselung des MEMS- Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das MEMS-Bauelement weist ein Substrat mit einer aktiven Oberfläche auf, auf der elektrische Bauelementstrukturen und Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Bauelementstrukturen angeordnet sind. Zusätzlich sind auf der aktiven Oberfläche des Substrats metallische Strukturen in Form von Säulenstrukturen und einer Rahmenstruktur angeordnet. Die metallischen Säulenstrukturen stehen auf den Kontaktflächen und überragen die Bauelementstrukturen. Die metallische
Rahmenstruktur umschließt die Bauelementstrukturen auf der Oberfläche des Substrats.
Die Bauelementstrukturen samt einem Teil der Säulenstrukturen sind in einem Hohlraum angeordnet, der durch eine auf der Rahmenstruktur und den Säulenstrukturen aufsitzende gehärtete Resistschicht gebildet und abgeschlossen wird. Die
Resistschicht kann dabei UV gehärtet sein oder thermisch gehärtet sein. Zumindest ein Teil der metallischen
Strukturen, also zumindest ein Teil der Säulenstrukturen und der Rahmenstruktur durchstößt dabei die Resistschicht derart, dass die vom Substrat weg weisenden Oberflächen der
metallischen Strukturen bündig mit der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht abschließen. Oberhalb der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht oder auf einer weiteren, direkt über der Resistschicht angeordneten Prägeschicht ist eine strukturierte Metallisierung
vorgesehen. Aus dieser sind zumindest Anschlussflächen zur Kontaktierung des MEMS-Bauelements ausgebildet. Die
strukturierte Metallisierung steht daher zumindest mit den die Resistschicht durchstoßenden Säulenstrukturen in
elektrisch leitender Verbindung und damit auch mit den
Bauelementstrukturen .
Das vorgeschlagene MEMS-Bauelement lässt sich einfach
herstellen. Aufgrund der verwendeten Materialien ist es auch kostengünstig .
Der Verschluss des Hohlraums erfolgt über die gehärtete
Resistschicht und nicht über ein Lot, so dass zum Abdichten des Hohlraums keine erhöhten Temperaturen erforderlich sind, wie sie etwa zum Aufschmelzen von Lot benötigt werden. Die geringste thermische Belastung wird bei Verwendung eines UV härtenden Resists erzielt. Da insbesondere MEMS-Bauelemente gegenüber thermomechanisch erzeugten Spannungen empfindlich mit einem Abweichen ihrer Bauelementeigenschaften reagieren können, ist ein bei niedrigen Prozesstemperaturen
hergestelltes Bauelement mit hoher Fertigungssicherheit herstellbar. Das Herstellverfahren erzeugt wenig Ausschuss und erniedrigt dadurch zusätzlich die Kosten des Bauelements
Das MEMS-Bauelement umfasst mechanisch empfindliche Bau¬ elementstrukturen, die zum sicheren Betrieb ein Hohlraumgehäuse erfordern, wie es die Erfindung zur Verfügung stellt. Die Bauelementstrukturen umfassen bewegliche Teile, wobei die Bewegung auch eine Schwingung darstellen kann. Eine Klasse von MEMS-Bauelementen, die vorzugsweise hermetische Hohl¬ raumgehäuse erfordern, sind mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente. Dies können SAW-Bauelemente (SAW = surface acoustic wave) sein, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten. Möglich ist es auch, dass das MEMS-Bauelement als FBAR-Resonator (FBAR = thin film acoustic resonator) oder FBAR-Filter ausgebildet ist, dessen Bauelementstrukturen mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren umfassen. Auch diverse Sensoren können in Form von MEMS-Bauelementen ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform ist über der Resistschicht eine Trägerschicht angeordnet. Auf der vom Substrat wegweisenden Oberfläche der Trägerschicht ist dann die strukturierte
Metallisierung mit den Außenkontakten angeordnet. Durch die Trägerschicht hindurch sind Durchkontaktierungen vorgesehen, die die Außenkontakte mit den metallischen
Strukturen verbinden. Dabei können elektrisch leitende
Verbindungen zu einzelnen Säulenstrukturen, zu allen
Säulenstrukturen und wahlweise auch zur Rahmenstruktur vorgesehen sein.
In einer einfachen ersten Ausführung dient die gehärtete Resistschicht als alleinige Deckelschicht des Hohlraumge- häuses. In Verbindung mit der darauf angeordneten
Trägerschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform dient die gehärtete Resistschicht als Verbindungs- und Abdichtschicht. Die mechanische Stabilität des Hohlraumgehäuses
beziehungsweise dessen Deckel kann allein durch die Träger- schicht gewährleistet werden. Dann kann die Resistschicht entsprechend dünn ausgeführt werden. Möglich ist es jedoch auch, die Resistschicht entsprechend dicker auszuführen und die mechanische Stabilität durch entsprechend dimensionierte und aufeinander abgestimmte Kombinationen von Resistschicht und Trägerschicht zu gewährleisten.
In einer Ausgestaltung des MEMS-Bauelementes ist auf der Rückseite des Substrats, die der aktiven Oberfläche des Bauelements gegenüberliegt, eine hermetische Schicht
angeordnet, die das Bauelement gegen die Trägerschicht abdichtet. Vorzugsweise umfasst die hermetische Schicht daher eine anorganische Schicht, beispielsweise ein dichtes Oxid oder eine Nitrid- oder insbesondere eine Metallschicht. Ein hermetisches Gehäuse wird erhalten, wenn auch die
Trägerschicht hermetisch dicht ist und keine oder nur eine geringe Durchlässigkeit für Gase, Feuchtigkeit oder solche Flüssigkeiten aufweist, die die Bauelementstrukturen gefährden oder korrodieren könnten, oder die den Betrieb des MEMS-Bauelements stören könnten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auch die Rückseite der Trägerschicht mit einer weiteren hermetischen Schicht abzudichten, beispielsweise mit einer oberhalb der Kontakt¬ struktur angeordneten strukturierten Passivierungsschicht, in der die Außenkontakte freigelegt sind.
In einer Ausführungsform ist das Substrat ein piezoelektrischer Wafer und die Bauelementstrukturen umfassen einen Interdigitalwandler . Vorzugsweise ist die Trägerschicht als Glasfolie ausgebildet. Passend dazu kann die hermetische Schicht dann als metallische Schicht ausgebildet sein.
Ein derart ausgebildetes MEMS-Bauelement umfasst ein SAW- Bauelement, welches mit der Glasfolie als Trägerschicht und der Resistschicht als Verbindungsschicht kostengünstig her¬ gestellt werden kann. Mit der metallischen Schicht als hermetische Schicht wird einerseits eine Dichtigkeit gegen¬ über aggressiven Umweltbedingungen und zum anderen eine
Schirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung erhalten, so dass eine elektromagnetische Wechselwirkung der Bau¬ elementstrukturen mit der Außenwelt verhindert wird.
Ein MEMS-Bauelement wird hergestellt, indem auf einer aktiven Oberfläche eines Wafers elektrische Bauelementstrukturen und mit diesen verbundene Kontaktflächen erzeugt werden. Weiterhin werden auf der aktiven Oberfläche metallische Strukturen erzeugt, die auf den Kontaktflächen stehende Säulenstrukturen und eine die Bauelementstrukturen umschließende Rahmenstruktur umfassen, wobei die Rahmenstruktur ebenfalls auf der aktiven Oberfläche des Wafers aufsitzt. In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche der metallischen Strukturen mit einem geeigneten Verfahren planarisiert , beispielsweise durch Abschleifen oder Fräsen.
Anschließend wird eine Trägerschicht mithilfe einer UV- härtbaren Resistschicht auf die metallischen Strukturen aufgesetzt und fest mit dieser verbunden, indem die Resist¬ schicht mittels UV-Bestrahlung gehärtet wird. Durch das
Aufkleben der Trägerschicht mithilfe einer UV-härtbaren
Resistschicht wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumgehäuses für die MEMS-Bauelemente angegeben, welches auf Waferebene durchgeführt werden kann.
Die UV-Bestrahlung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden wobei eine zu starke Erwärmung des Bauelements sicher verhindert werden kann. Somit können praktisch alle
Fertigungsschritte sowohl des Bauelements als auch dessen Verkapselung bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden, so dass das Gehäuse verschlossen werden kann, ohne dass dabei eine thermische Verspannung zwischen sich unterschiedlich ausdehnenden Gehäuseteilen auftritt. Ein spannungsfreies Gehäuse garantiert, dass auch das damit fest verbundene
Bauelement spannungsfrei bleibt. Ein solches ist zum Einen wenig anfällig gegen Beschädigung und zeigt zum Anderen auch keine Veränderung seiner thermomechanischen und letztendlich auch elektrischen Eigenschaften, die mit einer mechanischen Verspannung einhergehen könnten.
In einer Ausführungsform wird auf einem Teil der metallischen Strukturen nach dem Planarisieren eine weitere Metalllage aufgebracht. Danach kann ein erneuter Planarisierungsschritt durchgeführt werden. Im Ergebnis werden metallische
Strukturen erhalten, die zumindest zwei unterschiedliche Höhen über der Oberfläche des Substrats aufweisen. Die oberen Enden der metallischen Strukturen einer jeden Metalllage liegen jeweils innerhalb einer Ebene. Die Trägerschicht wird vorzugsweise ganzflächig mit der
Resistschicht beschichtet und dann so auf die metallischen Strukturen aufgesetzt, dass der mit der weiteren Metalllage beschichtete Teil der metallischen Strukturen die Resist¬ schicht durchstößt, bis er in Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht gelangt. Die Dicke der Resistschicht ist dabei dicker gewählt als die Höhe der weiteren Metalllage. Dies garantiert, dass die Oberflächen sämtlicher metallischen Strukturen in der Resistschicht eingebettet sind, wobei nur die mit der zweiten Metalllage versehenen Teile der
metallischen Strukturen bis zur Trägerschicht reichen.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich wegen der unterschiedlich hoch ausgebildeten metallischen Strukturen in einem Kontaktierungsverfahren in einfacher Weise nur die Strukturen mit der größeren Höhe kontaktieren lassen.
In einer weiteren Ausführungsform werden in der Trägerschicht Sacklöcher erzeugt, die durch die Trägerschicht hindurch reichen und in denen die Oberflächen zumindest der mit der zweiten Metalllage aufgedickten metallischen Strukturen freigelegt werden. Für den Fall, dass alle metallischen
Strukturen die gleiche Höhe aufweisen, können die in den Sacklöchern freizulegenden metallischen Strukturen frei ausgewählt werden.
Auf die vom Substrat/Wafer wegweisende Oberfläche der
Trägerschicht wird nun eine strukturierte Kontaktstruktur so aufgebracht, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch verbunden ist. Dazu wird entweder ein Aufbringverfahren gewählt, welches auch in den Sacklöchern eine leitende Kontaktschicht erzeugt/abscheidet . Möglich ist es jedoch auch, die Sacklöcher zunächst mit leitenden Materialien zu befüllen und anschließend ein Aufbringverfahren für eine Kontaktschicht oder eine Kontakt¬ struktur zu wählen, welches auf einer ebenen Oberfläche durchgeführt werden kann. Die Kontaktstruktur kann auch direkt strukturiert erzeugt werden oder wird zunächst als ganzflächige Kontaktschicht aufgebracht und anschließend strukturiert.
Die Kontaktstruktur kann auch eine Verdrahtungsstruktur sein, bei der elektrisch leitende Verbindungen zwischen unterschiedlichen, in Sacklöchern freigelegten, metallischen
Strukturen erzeugt werden. Möglich ist jedoch auch eine
Kontaktstruktur, die direkt über den Sacklöchern angeordnete Außenkontakte aufweist, insbesondere lötbare metallische Flächen die in elektrisch leitendem Kontakt zu den entsprechenden metallischen Strukturen stehen. In allen Ausführungen dient die Trägerschicht als elektrisch isolierende Zwischenlage zwischen den metallischen Strukturen und der Kontaktstruktur sowie als Träger der Kontaktstrukturen. Zu- sätzlich kann die Trägerschicht aus einem Material bestehen, welches eine ausreichende Hermitizität aufweist.
In einer Ausführungsform wird die UV-härtbare Resistschicht ganzflächig auf die Trägerschicht aufgebracht. Die Träger- schicht wird anschließend auf den metallischen Strukturen so aufgesetzt, dass zumindest ein Teil der metallischen
Strukturen die Resistschicht bis zum Kontakt mit der Ober¬ fläche der Trägerschicht durchstößt. Für den Fall, dass sämtliche metallischen Strukturen die gleiche Höhe aufweisen, werden alle metallischen Strukturen in die Resistschicht eingeführt, bis sie in Kontakt mit der Oberfläche der
Trägerschicht treten.
Anschließend wird die Resistschicht mit UV-Bestrahlung ausge¬ härtet. Nach dem Aushärten der Resistschicht wird die Träger¬ schicht von der Resistschicht abgezogen. Es verbleibt ein Hohlraum, in dem die von der Rahmenstruktur umschlossenen Bauelementstrukturen zwischen Resistschicht und Wafer
eingeschlossen sind.
Im nächsten Schritt wird eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer wegweisende Oberfläche der Resistschicht so aufgebracht, dass sie mit den die Resistschicht durch¬ stoßenden und daher freiliegenden metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zur Kontaktierung keine Sacklöcher erforderlich sind, da die Oberflächen der metallischen Strukturen auf der Resistschicht freiliegen. Gegebenenfalls kann ein gleichmäßiger Schichtabtragungs¬ schritt durchgeführt werden, eine verbleibende Restschicht¬ dicke zwischen den metallischen Strukturen und der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht abzutragen. Dazu kann beispielsweise eine kurze Plasmabehandlung durchgeführt werden, die zum Ätzen des Resists geeignet ist. Beispiels¬ weise kann ein Sauerstoffplasma verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform wird keine ganzflächige Resistschicht eingesetzt. Vielmehr wird eine Resistschicht selektiv auf die Oberflächen der metallischen Strukturen aufgetragen. Auf diese mit der Resistschicht versehenen metallischen Strukturen wird anschließend eine Trägerschicht aufgeklebt, wobei die Resistschicht als Klebstoff verwendet wird . Da die Resistschicht hier zum Verkleben und nicht zur
Abdichtung des Hohlraums geeignet ist, verbleibt die
Trägerschicht auf der Anordnung. Im nächsten Schritt werden daher auch hier Sacklöcher erzeugt und darin die Oberflächen der metallischen Strukturen freigelegt. Anschließend wird eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer
wegweisende Oberfläche der Trägerschicht so aufgebracht, dass ein elektrisch leitender Kontakt der Kontaktstruktur mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen hergestellt wird.
In dieser Ausführungsform kann beim Herstellen der Sacklöcher durch Einhaltung der lateralen Toleranz gewährleistet werden, dass die Strukturbreiten der Sacklöcher kleiner sind als die Strukturbreiten der metallischen Strukturen und so der zwischen Trägerschicht und Wafer eingeschlossene Hohlraum nicht geöffnet werden muss.
Steht ein Verfahren zur Kontrolle der Ätztiefe für die
Sacklöcher zur Verfügung, kann die vorher beschriebene
Variante mit den unterschiedlichen Höhen der metallischen Strukturen mit größerer lateraler Toleranz durchgeführt werden. In diesem Fall ist jedoch darauf zu achten, dass die Tiefe der Sacklöcher nicht die Schichtdicke der Resistschicht überschreitet, um auch hier eine Öffnung des Hohlraums zwischen Resistschicht und Wafer zu vermeiden.
Die zuletzt genannte Verfahrensvariante hat den Vorteil, das zwar eine hohe laterale Strukturgenauigkeit bei der Herstellung der Sacklöcher erforderlich ist, das Verfahren jedoch bezüglich der Tiefe der Sacklöcher einfach steuerbar ist, da die Oberflächen der metallischen Strukturen als Anschlag beziehungsweise als Ätzstopp dienen können.
In allen Verfahrensvarianten kann in der aktiven Oberfläche des Wafers vor dem Verbinden mit der Resistschicht und der Trägerschicht ein Grabenmuster so erzeugt werden, dass dadurch eine Vielzahl von Bauelementbereichen voneinander getrennt wird. In jedem Bauelementbereich sind die einem jeweiligen Bauelement zugeordneten Bauelementstrukturen angeordnet. Anschließend werden Resist- und Trägerschicht aufgebracht und die Resistschicht gehärtet. Auf einer beliebigen Stufe nach diesem Verfahrensschritt kann anschließend der Wafer von der Rückseite her gedünnt werden, bis das Grabenmuster freigelegt ist. Dies führt dazu, dass jeder Bauelementbereich einen von den übrigen Bauelementbereichen vollständig getrennten Substratanteil aufweist.
Neben der Auftrennung in einzelne Substrate hat das Wafer- dünnen den Vorteil, dass die Gesamthöhe des Bauelements reduziert wird, wobei der Verbund mit der Resistschicht und der Trägerschicht gewährleistet, dass das Bauelemente dennoch ausreichend mechanisch stabil ist und daher sowohl gegen
Beschädigung als auch Verformung stabil ist. Das Dünnen des Wafers wird vorzugsweise mit einem mechanischen Verfahren durchgeführt, beispielsweise mittels eines Schleif- oder Fräsprozesses .
In einer weiteren Verfahrensvariante wird der Wafer
beziehungsweise werden die aufgetrennten Einzelsubstrate von der Rückseite her mit einer hermetischen Schicht gegen die Trägerschicht oder gegen die Resistschicht abgedichtet. Die hermetische Schicht wird daher zumindest auf die Rückseite des Wafers und auf die Oberfläche der Trägerschicht oder der freiliegenden Resistschicht aufgebracht.
In einer Verfahrensvariante führt eine anisotrope Abscheidung der hermetischen Schicht auch zu einer Kantenbedeckung, so dass die hermetische Schicht durchgehend die Rückseiten und Seitenflächen aller Bauelemente bedeckt.
In einer Verfahrensvariante kann die hermetische Schicht auch nur an den Stellen aufgebracht werden, an denen die
Hermitizität des bestehenden Gehäuses verstärkt werden muss. Dies sind insbesondere die Oberfläche und sonstigen frei- liegenden Interfaces der Resistschicht zur Rahmenstruktur und zur Trägerschicht. In diesem Fall wird zur Erzeugung der hermetischen Schicht ein Verfahren verwendet, welches orts¬ genau eine strukturierte hermetische Schicht erzeugen kann. Für diese Ausführung ist insbesondere ein Nanoj etverfahren geeignet, wobei vorzugsweise metallische Tinten aufgedruckt/ aufgejettet werden. Möglich ist es jedoch auch, die
hermetische Schicht mit einem anderen Verfahren aufzudrucken oder aufzusputtern . Wahlweise können die aufgebrachten
Strukturen oder die ganzflächig aufgebrachte Schicht nach- träglich noch durch galvanische oder stromlose Metall- abscheidung verstärkt werden. Die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung der hermetischen Schicht können auch
kombiniert werden. Eine bessere hermetische Abdichtung durch die hermetische
Schicht wird erreicht, wenn vorher freiliegende Oberflächen der Resistschicht weitgehend entfernt werden. Dies kann auf einer Verfahrensstufe erfolgen, nachdem das Grabenmuster durch Waferdünnung freigelegt ist. Mit einem geeigneten
Ätzverfahren kann dann durch das geöffnete Grabenmuster hindurch die Oberfläche der Trägerschicht von der dort befindlichen Resistschicht befreit werden. Das Verfahren kann dabei so eingestellt werden, dass die als Klebstoff
fungierenden Bereiche der Resistschicht zwischen den
metallischen Strukturen und der Trägerschicht durch das Ätzverfahren unverletzt werden. Zum Ätzen des gehärteten Resists ist beispielsweise ein sauerstoffhaltiges Plasma geeignet.
Die UV-härtbare Resistschicht kann in einfacher Weise durch die Trägerschicht hindurch mittels UV Bestrahlung gehärtet werden, wenn eine für UV-Strahlung transparente Trägerschicht verwendet wird.
Möglich ist es jedoch auch, zusätzlich oder alternativ einen für UV-Strahlung transparenten Wafer zu verwenden. Für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente sind dazu Piezo- Substrate geeignet, die in der Regel ebenfalls für UV- Strahlung durchlässig sind. Für die Variante mit
Trägerschicht kann auch ein thermisch härtender Resist verwendet werden, wobei der Wafer dann insgesamt auf eine entsprechend erhöte Temperatur gebracht wird, z.B. in einem Ofen. Möglich ist es jedoch auch die Anordnung mit der
Trägerschicht auf eine Heizplatte aufzusetzen, um nur lokal eine Aufheizung zu bewirken.
Die Trägerschicht kann eine beliebige dünne Folie sein. Sie kann aus Glas bestehen oder eine Glasschicht umfassen. Sie kann eine Kunststofffolie sein. Sie kann eine Verbundfolie sein, die zumindest eine KunststoffSchicht und eine Metall¬ schicht umfasst. In einer Ausführungsschicht ist die Träger- Schicht mit einer Metallkaschierung, beispielsweise mit einer Kupferkaschierung versehen und umfasst eine Kunststofffolie . Aus einer solchen mit Metall kaschierten Trägerschicht kann in einfacher Weise mittels ätzender Strukturierung eine
Kontaktstruktur erzeugt werden. Diese kann gegebenenfalls durch metallische Abscheidung nach der Strukturierung
verstärkt werden. Möglich ist es auch, einen Resist auf die mit Metall kaschierte Oberfläche aufzubringen, zu
strukturieren und anschließend in den freiliegenden Bereichen die Schicht zu verstärken. Nach der Entfernung des Resists kann die restliche verbleibende dünne Kaschierung durch Ätzen entfernt werden. Das Öffnen der Sacklöcher kann dabei vor oder nach dem Strukturieren der Metallkaschierung erfolgen. In beiden Fällen muss dann jedoch dafür gesorgt werden, dass ein elektrisch leitender Kontakt zwischen metallischen
Strukturen in den Sacklöchern und der Metallkaschierung hergestellt wird. Dies kann beispielsweise durch Befüllen der Sacklöcher mit elektrisch leitendem Material erfolgen. Im letzten Schritt werden die Bauelemente vereinzelt, in dem die Trägerschicht und/oder die Resistschicht zwischen den einzelnen Bauelementen durchtrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Sägeschritt. Möglich ist es jedoch auch, die Auftrennung in Einzelbauelemente mittels eines Laserverfahrens vorzunehmen.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die
Figuren sind nur schematisch ausgeführt und dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung. Einzelne Teile können daher vergrößert oder verkleinert dargestellt sein. Den Figuren können daher weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
Es zeigen:
Figur 1 ein MEMS-Bauelement während einer Verfahrensstufe nach dem Verbinden mit einer Trägerschicht im schematischen Querschnitt,
Figur 2 ein MEMS-Bauelement auf derselben Stufe in einer VerfahrensVariante,
Figuren 3A bis 3C verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer alternativen Ausführungsform,
Figur 4A bis 4B zwei Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements einer weiteren Ausführungsform,
Figuren 5A bis 5D anhand schematischer Querschnitte
verschiedene Verfahrensstufen einer weiteren
VerfahrensVariante,
Figuren 6A bis 6C eine Maßnahme zur hermetischen Abdichtung anhand verschiedener Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements,
Figuren 7A bis 7C die Herstellung einer strukturierten
Metallisierung und einer Passivierungsschicht anhand
verschiedener Verfahrensstufen,
Figuren 8A bis 8C verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung, Figuren 9A und 9B zwei Verfahrensstufen bei der Herstellung einer Variante einer Metallisierungsstruktur, und
Figur 10 eine Draufsicht auf die aktive Oberfläche eines Substrats mit aktiven Bauelementstrukturen, Kontaktflächen und Rahmenstruktur.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein einzelnes Substrat für ein MEMS-Bauelement auf einer Stufe, bei der da Substrat SU mit der Trägerschicht TS mit Hilfe einer Resist- schicht RL verbunden ist. Das Substrat SU weist auf seiner aktiven Oberfläche AS Bauelementstrukturen BES auf. Die Bauelementstrukturen umfassen außerdem Kontaktflächen (in der Figur nicht dargestellt) , auf denen metallische Säulen¬ strukturen PS aufsitzen. Weiterhin ist auf der aktiven Oberfläche AS eine Rahmenstruktur RS aufgebracht, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Säulenstrukturen PS. Die Rahmenstruktur umschließt auf der Oberfläche zumindest die aktiven Bauelementstrukturen BES. Auch die Kontaktflächen un Säulenstrukturen sind innerhalb der Rahmenstruktur RS angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, einzelne der Kontakt¬ flächen und der darauf aufsitzenden Säulenstrukturen PS außerhalb der Rahmenstruktur auf der aktiven Oberfläche AS anzuordnen .
Mit den metallischen Strukturen, nämlich der metallischen Rahmenstruktur RS und den metallischen Säulenstrukturen PS sitzt das Substrat SU auf einer Resistschicht RL auf, die au einer Trägerschicht TS angeordnet ist. Dabei wird zumindest gewährleistet, dass der Hohlraum CV innerhalb der Rahmen¬ struktur RS zwischen Substrat SU und Trägerschicht TS dicht abgedichtet ist. Dies setzt voraus, dass die metallischen Strukturen zumindest in die Resistschicht RL eintauchen. Die Resistschicht ist vorzugsweise eine UV-härtbare
Resistschicht . Die Dicke der Resistschicht ist kleiner gewählt als die Höhendifferenz zwischen den
Bauelementstrukturen den höchsten Säulenstrukturen.
Die metallischen Strukturen können so tief in die
Resistschicht RL eindringen, dass sie mit der Oberfläche der Trägerschicht TS in Kontakt treten. Figur 2 zeigt eine solche Ausführung, bei der nur ein Teil der metallischen Strukturen quasi bis zum Anschlag an der Trägerschicht in die Resistschicht RL eingedrungen ist. Eine derartige Differenzierung zwischen den metallischen
Strukturen wird erreicht, indem die tiefer eindringenden metallischen Strukturen mit einer zusätzlichen Metalllage AM aufgedickt sind, die gegenüber der niedrigeren ersten Metalllage unterschiedlich strukturiert sein kann. In einer
einzigen Darstellung zusammengefasst dargestellt zeigt Figur 2 z.B. weitere Metalllagen AMO, die den gleichen Querschnitt wie die darunter liegende erste Metalllage aufweisen.
Weiterhin ist es möglich, den Querschnitt der weiteren
Metalllage innerhalb einer Säulenstruktur größer zu wählen als den Querschnitt der ersten Metalllage, wie dies für die weitere Metalllagen AMI dargestellt ist. In einer dritten Variante kann der Querschnitt der weiteren Metalllage AM2 eine geringere Querschnittsfläche aufweisen als die darunter liegende erste Metalllage der jeweiligen Säulenstruktur PS.
Eine verbreiterte zweite Metalllage AMI hat den Vorteil, dass sie bei der späteren Kontaktierung durch die Trägerschicht TS hindurch eine erhöhte Verfahrenssicherheit gewährt. Eine ver¬ schmälerte zweite Metalllage AM2 hat den Vorteil, dass sie sich einfacher in die Resistschicht RH versenken lässt. Die metallischen Strukturen, die nicht mit einer zweiten Metalllage AM verdickt sind und daher eine geringere Höhe als die verdickten metallischen Strukturen aufweisen, können nicht bis zur Oberfläche der Trägerschicht TS eindringen.
Insbesondere können metallische Strukturen, die nicht zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind, ohne zweite
Metalllage bleiben.
Figuren 3A bis 3C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements gemäß einer weiteren Variante beziehungsweise Ausführungsform, die im Endprodukt ohne Trägerschicht TS auskommt. Figur 3A zeigt ein mit einer Resistschicht RL beschichtetes Trägersubstrat TS und ein Substrat SU, welches Bauelementstrukturen, eine Rahmenstruktur RS und Säulenstrukturen PS aufweist. Die
metallischen Strukturen können gleiche oder unterschiedliche Höhe aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen der metallischen Strukturen mit Hilfe eines Planarisierungs¬ prozesses, beispielsweise durch Abfräsen oder Abschleifen auf das gleiche Niveau gebracht werden, so dass deren Oberflächen innerhalb einer Ebene liegen und so besser mit einer planen Trägerschicht TS dicht abgedeckt werden können.
Figur 3B zeigt das aufgesetzte Substrat SU, bei dem die metallischen Strukturen bis zur Oberfläche des Trägersubstrats TS in die Resistschicht RL eingedrungen sind.
Anschließend wird die Resistschicht RL gehärtet und dazu vorzugsweise mit UV-Licht bestrahlt. Nach der so erfolgten Härtung der Resistschicht zu einem UV- gehärteten Resist ist die Dichtigkeit des Hohlraums CV gewährleistet, ebenso dessen mechanische Stabilität. Nun gelingt es, die Trägerschicht TS von der gehärteten Resist- schicht abzuziehen, so dass nur die gehärtete Resistschicht RL am Bauelement verbleibt. Die Oberseiten der metallischen Strukturen schließen bündig mit der vom Substrat weg
weisenden Oberfläche der Resistschicht RL ab, liegen also frei und können so einfach kontaktiert werden. Figur 3C zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.
Eine Restschichtdicke der Resistschicht RL, die gegebenen¬ falls noch über den Enden der metallischen Strukturen
vorhanden ist, kann in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf mechanische, chemische oder sonstige Weise, beispiels¬ weise durch Plasmaätzen entfernt werden.
Figuren 4A und 4B zeigen zwei Verfahrensstufen bei der
Herstellung eines Bauelements gemäß einer weiteren Variante. Im Unterschied zu den Varianten nach Figuren 1 bis 3 wird hier die Resistschicht RL nicht als ganzflächige Schicht auf dem Trägersubstrat TS aufgebracht sondern gemäß Figur 4A selektiv nur auf den vom Substrat wegweisenden Enden der metallischen Strukturen. Dies gelingt mit einem geeigneten Verfahren, beispielsweise mittels Aufdrucken, Aufstreichen oder Aufrollen eines z.B. UV-härtbaren Resists.
Figur 4B zeigt die Anordnung nach dem Aufsetzen der mit der Resistschicht RL bedeckten metallischen Strukturen auf die Trägerschicht TS. Auch auf diese Weise lässt sich der
Hohlraum CV dicht abschließen. Für diese Verfahrensvariante ist es jedoch vorteilhaft, alle Enden der metallischen
Strukturen mit dem genannten Planarisierungsverfahren auf das selbe Niveau zu bringen, um die Dichtigkeit des Hohlraums CV sicherer zu gewährleisten. Die Figuren 1 bis 4 stellen die Bauelemente in Verfahrens¬ stadien dar, bevor eine strukturierte Metallisierung zur Herstellung von Außenkontakten und zur Kontaktierung der aktiven Bauelementstrukturen BES aufgebracht ist. In allen diesen Ausführungen ist die Mindestschichtdicke der Resist- schicht RL so gewählt, dass sich der Hohlraum CV dicht ab¬ schließen lässt, was insgesamt zusätzlich eine Frage der Strukturgenauigkeit und der Planarität sowohl der
metallischen Strukturen als auch der Trägerschicht TS ist. Die Ausführungsform, bei der die Trägerschicht TS entfernt wird, erfordert zusätzlich eine höhere Schichtdicke der
Resistschicht RL, da diese als frei tragende Bauelement¬ abdeckung bzw. als Gehäusedeckel eingesetzt wird und dabei die mechanische Stabilität der Abdeckung gewährleisten muss. Eine typische Schichtdicke für eine Variante nach Figur 2 ist zum Beispiel 1 ym. Eine geeignete Schichtdicke für die
Variante nach Figur 3 beträgt zum Beispiel 10 ym. Unter den genannten Voraussetzungen der Verfahrenssicherheit, der
Dichtigkeit des Hohlraums und der guten Haftung kann eine geeignete Schichtdicke jedoch von diesen Werten nach oben oder unten abweichen.
In den Figuren 1 bis 4 ist das Bauelement beziehungsweise das dazu führende Verfahren anhand eines einzelnen Bauelement- Substrats und dem entsprechenden Abschnitt der Trägerschicht TS dargestellt, wird aber in der Regel auf Waferebene für alle auf einem Wafer befindlichen Bauelemente gleichzeitig durchgeführt . Die Figuren 5A bis 5D zeigen weitere Details bei der
Herstellung auf Waferebene. Ein als Substrat SU dienender Wafer umfasst aktive Bauelementstrukturen für eine Vielzahl von Bauelementen. Aktive Bauelementstrukturen und metallische Strukturen jeweils eines Bauelements sind innerhalb eines Bauelementbereichs BB angeordnet, von denen der als Substrat SU dienende Wafer eine Vielzahl aufweist. Ein in die aktive Oberfläche eingebrachtes Grabenmuster GM umfasst jeden einzelnen Bauelementbereich BB umschließende Gräben entlang der späteren Auftrennungslinie beim Vereinzeln der Bauelemente. Das Grabenmuster kann bis circa 50 % der Schicht¬ dicke in das Substrat SU eingebracht werden. Die Mindesttiefe des Grabenmusters GM entspricht der für das spätere
Bauelement vorgesehenen Endschichtdicke des Substrats nach dem Dünnen.
Die metallischen Strukturen sind vorzugsweise mit dem
genannten Planarisierungsverfahren eingeebnet, so dass sich in einfacher Weise eine Resistschicht auf die oberen Enden der metallischen Strukturen mit einem Druckverfahren aufbringen lässt. Eine Resistschichtaufbringvorrichtung RA umfasst daher beispielsweise eine Walze, die für ein Roller- coating eingesetzt werden kann. Der Resist wird auf die
Oberfläche einer Walze aufgebracht und auf die metallischen Strukturen aufgerollt. Figur 5A zeigt die Anordnung während des Aufbringens der Resistschicht RL .
Im nächsten Schritt wird die Trägerschicht TS auf die mit Resist beschichteten metallischen Strukturen aufgesetzt. Dazu wird vorzugsweise eine dünne und flexible Folie verwendet, die eine Kunststofffolie, eine Verbundfolie aus Kunststoff und einem weiteren Material insbesondere anorganischen
Material oder ein rein anorganische Folie sein und beispiels- weise aus Glas bestehen. Bevorzugt sind hermetische
Materialien, beispielsweise Glas. Die flexible Trägerschicht TS beziehungsweise die dafür verwendete Folie wird nun auf die metallischen Strukturen des gesamten Wafers mit Hilfe einer Trägerschichtaufbringvor- richtung TA aufgewalzt oder auflaminiert . Durch einen geeig- neten Andruck wird eine sichere Verbindung von Trägerschicht TS und metallischen Strukturen gewährleistet, die einen sicheren Verschluss des Hohlraums garantiert. Figur 5B zeigt die Anordnung während des Aufbringens der Trägerschicht TS.
Im nächsten Schritt wird die Schichtdicke des als Substrats SU dienenden Wafers von der Rückseite her reduziert. Dies kann beispielsweise mittels Abschleifen erfolgen. Das Dünnen wird soweit durchgeführt, bis das Grabenmuster von der
Rückseite des Substrats SU her freigelegt wird. Auf diese Weise werden die einzelnen Substrate voneinander getrennt, so dass jeder Bauelementbereich BB ein mechanisch von benachbarten Bauelementen getrenntes Substrat aufweist. Figur 5C zeigt die Anordnung auf diese Verfahrensstufe, wobei jedoch im Gegensatz zu Figuren 5A und 5B nun die Substrate nach oben weisend dargestellt sind.
Wird ein hermetisches Trägersubstrat TS eingesetzt, so kann in einer weiteren Verfahrensstufe die Hermitizität der
Bauelemente weiter gesteigert werden, indem die Trennfugen zwischen den metallischen Strukturen insbesondere der
Rahmenstruktur und der Trägerschicht mit einer hermetischen Schicht abgedeckt werden. Dazu wird durch das Grabenmuster, beziehungsweise die zwischen den einzelnen Bauelement¬ bereichen BB bestehenden Spalte hindurch hermetisches
Material so auf die frei liegenden Oberflächen der Trägerschicht, der Resistschicht und zumindest Teilen der Rahmen¬ struktur aufgebracht. Dies kann mittels eines isotropen Auf- bringverfahrens erfolgen, welches zum Erzeugen einer Schicht auch an vertikalen oder überhängenden Oberflächen geeignet ist. Möglich ist es jedoch auch, ein strukturierendes anisotropes Verfahren zu verwenden, beispielsweise ein Jet¬ druckverfahren. Mit diesem gelingt es, auch feine Strukturen des aufgedruckten Materials am gewünschten Ort zu erzeugen. In Figur 5D ist die Aufbringung der hermetischen Schicht HS durch Pfeile angedeutet.
Als hermetische Schicht dienen anorganische Schichten, insbesondere metallische Schichten. Mit dem Jetdruckverfahren können auch metallische Partikel umfassende Tinten aufge¬ druckt werden, die sich in durchgehende und dichte
metallische Überzüge überführen lassen. Tinten, die
metallische Nanopartikel umfassen, können bei besonders niedrigen Temperaturen aufgeschmolzen und in kontinuierliche Metallschichten oder Metallstrukturen überführt werden.
Solche Tinten umfassen insbesondere Silbernanopartikel .
Eine strukturiert aufgebrachte oder ganzflächig aufge- sputterte hermetische Schicht HS kann zusätzlich durch ein galvanisches oder stromloses Metallabscheideverfahren
verstärkt und dadurch in der Dichtigkeit erhöht werden. Eine ganzflächig auch auf die Rückseiten der Substrate aufgebrachte hermetische Schicht HS kann zusätzlich eine
Schirmungswirkung gegenüber elektromagnetischer Strahlung entfalten .
Durch die Spalten zwischen den einzelnen Substraten hindurch können dort freiliegende Bereiche der Resistschicht RL mittels Ätzens entfernt werden. Dies ist in Figur 6A durch Pfeile angedeutet. Figur 6B zeigt die Anordnung nach dem Entfernen der Resistschicht RL zwischen den einzelnen Bauelementen, so dass dort die Oberfläche der Trägerschicht TS freigelegt ist.
In diesen Bereichen wird nun wie vorher an Figur 5 beschrie- ben eine hermetische Schicht abgeschieden. Dies kann wie in Figur 6C dargestellt selektiv in dem Bereich zwischen den Substraten erfolgen, oder alternativ auch ganzflächig über der gesamten Anordnung und den Rückseiten der Substrate SU. Figuren 7A bis 7C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung auf der vom Substrat wegweisenden Oberfläche der Abdeckung, die hier als reine Resistschicht RS gemäß der Verfahrensvariante nach Figur 3 dargestellt ist. Figur 7A zeigt das Bauelement nach dem Aufsetzen auf die ganzflächig mit einer Resistschicht bedeckte Trägerschicht derart, dass die Enden der metalli¬ schen Strukturen die Resistschicht vollständig durchstoßen und praktisch in Kontakt mit der Trägerschicht TS stehen. Nach Härten der Resistschicht und Abziehen der Trägerschicht liegen daher die Oberflächen der metallischen Strukturen an der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht RL frei. Durch Aufbringen einer strukturierten Metallisierung können nun Verbindungsleitungen und Außenkontakte HK erzeugt werden. Dazu sind an sich bekannte Metallisierungs- und
Strukturierungsverfahren geeignet. In einfacher Weise können derartige Kontakte beispielsweise aufgedruckt und
gegebenenfalls durch Metallabscheidung verstärkt werden.
Möglich ist jedoch auch eine zweistufige Metallisierung mit Hilfe einer aufgesputterten metallischen Wachstumsschicht und anschließender galvanischer oder stromloser Verstärkung.
Figur 7B zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Im nächsten Schritt kann die mit Außenkontakten AK versehene Oberfläche der Resistschicht RL noch mit einer Passivierungs- schicht PS versehen werden. Eine solche Passivierungsschicht ist vorzugsweise aus anorganischem Material, insbesondere einem oxidischen, nitridischen oder sonstigen harten und dichten Material hergestellt. Die Passivierungsschicht PS ist so strukturiert, dass sie freiliegende Bereiche der Resist¬ schicht sowie der Ränder der Außenkontakte abdeckt und nur den zur Kontaktierung genutzten Bereich der Außenkontakte freilässt. Figur 7C zeigt die Anordnung mit der aufgebrachten und strukturierten Passivierungsschicht PS. Die Außenkontakte können in Form eines Ballgridarrays oder eines Landgridarrays in an sich bekannter Weise hergestellt werden.
Figuren 8A bis 8C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung auf der nach außen weisenden Unterseite der Trägerschicht TS. Figur 8A zeigt die Anordnung nach dem Aufsetzen einer mit einer Resistschicht RL bedeckten Trägerschicht TS auf die
metallischen Strukturen des Bauelementsubstrats SU. Nach der Härtung mittels UV-Licht und Überführung in eine UV-gehärtete Resistschicht RL werden von der Unterseite der Trägerschicht her Sacklöcher SL erzeugt, in denen die Oberfläche der zu kontaktierenden metallischen Strukturen freigelegt werden. Die Sacklöcher werden so erzeugt, dass der eingeschlossene Hohlraum CV verschlossen bleibt, die Resistschicht RL also nicht vom Sackloch durchstoßen wird. Dazu sind verschiedene Maßnahmen geeignet. Beispielsweise ist es möglich, die Schichttiefe zu
kontrollieren. Eine weitere Maßnahme umfasst eine Endpunkt¬ erkennung, bei der der Beginn des Abtragens der metallischen Struktur erkannt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Querschnittsfläche des Sackloches SL jeweils auf die zu kontaktierende metallische Struktur zu zentrieren und die Querschnittsfläche des Sackloches kleiner zu gestalten als den Querschnitt der metallischen Struktur, so dass das der Boden des Sacklochs SL vollständig von der metallischen Struktur gebildet wird. Auf diese Weise stellt das Metall der metallischen Struktur einen „natürlichen" Ätzstopp dar.
Je nach Material der Trägerschicht TS kann ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Sacklöcher SL gewählt werden. Weist die Trägerschicht TS eine ausreichend dünne Schicht¬ dicke auf, können die Sacklöcher SL mit Hilfe eines Lasers erzeugt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Laser orts¬ genau eingesetzt werden kann und eine zusätzliche Resistmaske nicht erforderlich ist. Geeignet sind auch Trocken- oder
Nassätzverfahren, die mit einer entsprechenden Resistmaske, die auf der Unterseite der Trägerschicht TS aufgebracht und strukturiert wird, durchgeführt werden können muss. Im nächsten Schritt wird eine strukturierte Metallisierung MS so erzeugt, dass sie in elektrisch leitende Verbindung mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen treten kann. Dazu wird wie beispielsweise in Figur 8C
dargestellt ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Metall vorzugsweise ganzflächig abgeschieden, beispiels¬ weise durch Sputtern, so dass es am Boden der Sacklöcher mit der metallischen Struktur in Kontakt steht. Anschließend erfolgt eine Strukturierung und gegebenenfalls eine Ver¬ stärkung der Metallschicht in einem Metallabscheideverfahren, welches galvanisch oder stromlos durchgeführt werden kann.
Die Strukturierung kann durch Aufbringen einer strukturierten Resistmaske auf die ganzflächig aufgebrachte Metallschicht erfolgen, so dass die Aufdickung nur in den von der Resist- maske freibleibenden Bereichen erfolgt. Anschließend wird die Maske entfernt und die Reste der Metallschicht in den nicht verstärkten Bereichen entfernt. Figur 8C zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.
Möglich ist es jedoch auch, im Anschluss an die in Figur 8B dargestellte Verfahrensstufe (nach dem Erzeugen der Sack¬ löcher SL) zunächst die Sacklöcher mit einer elektrisch leitenden Füllung zu versehen, wie es etwa in Figur 9B dargestellt ist. Dies kann mit einem mechanischen Verfahren erfolgen, z.B. durch Einbringen einer leitfähigen Paste.
Anschließend kann die strukturierte Metallisierung in einem Schichtabscheideverfahren auf der nun annähernd ebenen weil mit gefüllten Sacklöchern SL versehenen Trägerschicht TS erfolgen.
Möglich ist es jedoch auch, die strukturierte Metallisierung mittels eines Druckverfahrens aufzubringen, welches so ausgeführt werden kann, dass es auch im Boden der Sacklöcher zur Kontaktierung der metallischen Strukturen führt.
Figur 9A zeigt eine Variante des anhand der Figuren 8A bis C beschriebenen Verfahrens, bei der die metallischen Strukturen mit einem über die Höhe variierenden Querschnitt ausgeführt sind. In der dargestellten Ausführungsform ist zumindest bei einem Teil der metallischen Strukturen RS, PS das vom Substrat entfernte obere Ende mit einer größeren Querschnittsfläche versehen, die beim Aufsetzen des Substrats dann bis zum
Kontakt mit der Trägerschicht TS in die Resistschicht RL eingedrückt wird. Die vergrößerte Querschnittsfläche der metallischen Strukturen führt dazu, dass zum Erzeugen der Sacklöcher mehr Fläche zur Verfügung steht, ohne dass dadurch der eingeschlossene Hohlraum geöffnet wird. Ein sicher auf den verbreiterten Querschnitt der metallischen Strukturen zentriertes Sackloch führt zu hoher Verfahrenssicherheit.
Die Querschnittsfläche der metallischen Strukturen kann bei der Herstellung der metallischen Strukturen in einer Stufe zwischen erster und zweiter Metalllage variiert werden. Im vorliegenden Beispiel wird die weitere Metalllage AMI ober¬ halb bestimmter zu kontaktierender metallischer
Säulenstrukturen PS mit größerer Querschnittsfläche als die erste Metalllage erzeugt.
Figur 9B zeigt eine strukturierte Metallisierung, bei der das Sackloch SL mit einer elektrisch leitfähigen Masse CF verschlossen ist. Die strukturierte Metallisierung umfasst dann das elektrisch leitend gefüllte Sackloch und eine auf der
Unterseite der Trägerschicht über den gefüllten Sacklöchern aufgebrachte Metallisierung, die Außenkontakte AK realisiert.
Figur 10 zeigt in der Draufsicht ein Substrat mit Bauelement- strukturen BES, damit verbundenen Kontaktflächen KF,
beziehungsweise mit darauf aufsitzenden metallischen Säulenstrukturen PS und einer die Bauelementstrukturen umschließenden Rahmenstruktur RS. Mit strichpunktierter Linie ist die Substratkante bezeichnet, beziehungsweise die Grenze des Bau- elementbereichs BB, der zusammen mit einer Vielzahl weiterer Bauelementbereiche und der dazugehörigen Strukturen auf einem gemeinsamen Wafer ausgebildet sein kann. Für die Bauelementstrukturen BES ist stellvertretend ein Interdigitalwandler dargestellt, wie er beispielsweise in SAW-Bauelementen als frequenzbestimmende Struktur eingesetzt wird. Die Bauelement¬ strukturen BES können neben dem Interdigitalwandler noch weitere Strukturen oder weitere Interdigitalwandler umfassen. Andere Typen von elektrischen oder elektromechanischen Bau- elementen können auch davon abweichende Bauelementstrukturen aufweisen, beispielsweise eine bewegliche Membran in einem kapazitiven MEMS-Bauelement .
Die Rahmenstruktur RS umschließt die Bauelementstrukturen BES. Abweichend davon können jedoch die Kontaktflächen KF mittels einer unter der Rahmenstruktur RS hindurch
verlaufenden Zuleitung in einen Bereich außerhalb des von der Rahmenstruktur RS umschlossenen Bereichs geführt werden. Da weder Kontaktfläche noch metallische Säulenstruktur eine mechanisch empfindliche Struktur darstellen, müssen diese auch nicht in dem von der Rahmenstruktur RS im fertigen
Bauelement umschlossenen Hohlraum angeordnet werden.
Soweit in den bislang beschriebenen beziehungsweise
dargestellten Ausführungsformen nur einzelne Bauelemente dargestellt wurden, so ist doch klar, dass sämtliche
Verfahrensschritte vorzugsweise auf Waferlevel durchgeführt werden. Nur der Einfachheit halber wurde die Erfindung zum Teil anhand nur eines einzelnen Substrats für ein einziges Bauelement dargestellt. In den Figuren dargestellte einzelne Strukturen können auch in anderen Ausführungsformen
eingesetzt werden, auch wenn sie dort nicht explizit genannt oder dargestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, bei allen Ausführungsformen eine hermetische Schicht
vorzusehen, die zumindest die Seitenflächen des Bauelements bedeckt und gegen die Trägerschicht TS abschließt. Die hermetische Schicht HS kann auch die gesamte Rückseite des Substrats SU bedecken. Die hermetische Schicht kann darüber hinaus über ein entsprechend platziertes Kontaktloch mit einem Außenkontakt AK auf der Unterseite der Trägerschicht TS elektrisch leitend verbunden werden. Möglich ist es auch in allen Fällen, die Rahmenstruktur RS elektrisch zu kontaktieren, vorzugsweise mit einem auf Masse liegenden Außenkontakt AK zu verbinden. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Massenverbindung wird eine verbesserte Schirmung des Bauelements erreicht, die für einen störungsfreien
Betrieb des Bauelements sorgt.
Wenn einzelne Verfahrensschritt anhand bestimmter an sich bekannter Verfahren beschrieben sind, so ist das Verfahren doch nicht auf dieses ausdrücklich genannte Mittel
beschränkt, sofern gleich wirkende andere Verfahren bekannt sind, die sich einsetzen lassen.
Für alle auf Waferlevel gefertigten Bauelemente samt Ver- kapselung gilt, dass sie in der Regel in einem letzten oder in einem der letzten Schritte durch Durchtrennen der Trägerschicht vereinzelt werden müssen. Weiterhin ist es möglich, die einzelnen Bauelemente bereits auf Waferlevel zusätzlich oder alternativ zur hermetischen Schicht mit einer mechanisch stabilen Vergussmasse zu überdecken, um das sichere Handling des Bauelements zu erleichtern. Eine auf Waferlevel aufge¬ brachte Vergussmasse bedarf eines separaten Vereinzelungs¬ schrittes, um die nicht unerhebliche Schichtdicke der
Vergussmasse im Bereich der die Bauelementebereiche BB trennenden Trennlinien zu durchtrennen.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind alle neuen Merkmale und Merkmalskombinationen
insbesondere von in den Ansprüchen genannten Merkmalen als zur Erfindung gehörig anzusehen. Bezugs zeichenliste
SU Substrat/Wafer
AS aktive Oberfläche
BES elektrische Bauelementstrukturen
KF Kontaktflächen
PS metallische Säulenstruktur
RS metallische Rahmenstruktur
RL Resistschicht
CV Hohlraum
MS strukturierte Metallisierung
TS Trägerschicht
AK Außenkontakte
HS hermetische Schicht
AM0, AMi , AM2 weitere Metalllage
SL Sackloch
GM Grabenmuster
BB Bauelementbereich
RA Resistaufbringvorrichtung
TA Trägerschichtaufbringvorrichtung
CF leitfähige Füllung in Kontaktloch

Claims

Patentansprüche
MEMS Bauelement,
mit einem Substrat (SU) , das eine aktive Oberfläche aufweist, auf der elektrische Bauelementstrukturen (BES) und Kontaktflächen (KF) zur elektrischen
Kontaktierung der Bauelementstrukturen angeordnet sind,
mit metallischen Säulenstrukturen (PS) , die auf den Kontaktflächen stehen und die Bauelementstrukturen überragen,
mit einer metallischen Rahmenstruktur (RS) , die auf der aktiven Oberfläche des Substrats angeordnet ist und die Bauelementstrukturen samt der
Säulenstrukturen umschließt,
mit einer gehärteten Resistschicht (RL) , die auf der Rahmenstruktur (RS) und den Säulenstrukturen (PS) so aufsitzt, dass zwischen Substrat, Rahmenstruktur und Resistschicht ein Hohlraum (CV) eingeschlossen ist, wobei zumindest ein Teil der metallischen Strukturen (PS, RS), ausgewählt aus Säulenstrukturen (PS) und Rahmenstruktur (RS) die Resistschicht (RL) so weit durchstößt, so dass die vom Substrat weg weisenden Oberflächen der metallischen Strukturen von der Resistschicht unbedeckt sind,
mit einer strukturierten Metallisierung (MS) , die auf der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht oder auf einer weiteren über der Resistschicht angeordneten Trägerschicht angeordnet ist, wobei die strukturierte Metallisierung zumindest strukturierte Außenkontakte (AK) zur Kontaktierung des MEMS Bauelements ausbildet und mit den von der Resistschicht unbedeckten metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden sind.
2. MEMS Bauelement nach Anspruch 1,
- bei dem eine Trägerschicht (TS) über der
Resistschicht (RL) angeordnet ist,
- bei dem die strukturierten Außenkontakte (AK) auf der Oberfläche der Trägerschicht angeordnet sind,
- bei dem Durchkontaktierungen durch die
Trägerschicht vorgesehen sind, die die
Außenkontakte mit den metallischen Strukturen verbinden .
MEMS Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem eine hermetische Schicht die Rückseite des Substrats (SU) , die der aktiven Oberfläche gegenüb liegt, gegen die Trägerschicht (TS) abdichtet.
4. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-3,
- bei dem das Substrat (SU) ein piezoelektrischer
Wafer ist,
- bei dem die Bauelementstrukturen (BES) einen
Interdigitalwandler umfassen,
- bei dem die Trägerschicht eine Glasfolie ist, - bei dem die hermetische Schicht eine metallische
Schicht ist.
Verfahren zur Verkapselung von MEMS Bauelementen auf
Waferebene
bei dem auf einer aktiven Oberfläche eines Wafer elektrische Bauelementstrukturen und mit diesen verbundene Kontaktflächen erzeugt werden, bei dem metallische Strukturen auf der aktiven
Oberfläche erzeugt werden, die auf den Kontaktflächen stehende Säulenstrukturen und eine die
Bauelementstrukturen umschließende Rahmenstruktur umfassen,
bei dem die Oberfläche der metallischen Strukturen in einem Schleif- oder Fräsverfahren planarisiert wird, bei dem eine Trägerschicht mit Hilfe einer
Resistschicht auf die metallischen Strukturen
aufgesetzt wird und
bei dem die Resistschicht gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
- bei dem bei dem auf einen Teil der metallischen
Strukturen (PS, RS) nach dem Planarisieren eine weitere Metalllage (AM) aufgebracht wird,
- bei dem die Trägerschicht (TS) mit der Resistschicht (RL) beschichtet und so auf die metallischen Strukturen aufgesetzt wird, dass der mit der weiteren Metalllage (AM) beschichte Teil der metallischen Strukturen die
Resistschicht bis zum Kontakt mit der Oberfläche der
Trägerschicht (TS) durchstößt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
- bei dem durch die Trägerschicht hindurchreichende Sacklöcher erzeugt werden, in denen die Oberflächen zumindest des genannten Teils der metallischen
Strukturen frei gelegt werden,
- bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Trägerschicht so aufgebracht wird, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
- bei dem die Resistschicht ganzflächig auf die
Trägerschicht aufgebracht wird,
- bei dem die Trägerschicht so auf die metallischen Strukturen aufgesetzt wird, dass zumindest ein Teil der metallischen Strukturen die Resistschicht bis zum
Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht durchstößt,
- bei dem nach dem Härten der Resistschicht die
Trägerschicht von der Resistschicht abgezogen wird, so dass die Bauelementstrukturen in einem von der
Rahmenstruktur umschlossenen Hohlraum zwischen
Resistschicht und Wafer eingeschlossen sind,
- bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Resistschicht so aufgebracht wird, dass sie mit den die Resistschicht durchstoßenden und so freiliegenden metallischen
Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5,
- bei dem selektiv auf die Oberflächen der metallischen Strukturen eine Resistschicht aufgetragen wird und der Wafer mit Hilfe dieser Resistschicht auf die
Trägerschicht aufgeklebt wird,
- bei dem durch die Trägerschicht hindurchreichende Sacklöcher erzeugt werden, in denen die Oberflächen der metallischen Strukturen frei gelegt werden,
- bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Trägerschicht so aufgebracht wird, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-9,
bei dem in der die Bauelementstrukturen tragenden
Oberfläche des Wafers vor dem Verbinden mit der
Resistschicht und der Trägerschicht ein Grabenmuster erzeugt wird, so dass eine Mehrzahl von
Bauelementbereichen mit jeweils einem einzelnen
Bauelement zugeordneten Bauelementstrukturen voneinander durch das Grabenmuster getrennt werden. 11. Verfahren nach Anspruch 10,
bei dem der Wafer nach dem Verbinden mit der
Trägerschicht und nach dem Härten der Resistschicht von seiner Rückseite her soweit gedünnt wird, bis das
Grabenmuster von der Rückseite her freigelegt ist und die Substrate für die einzelnen Bauelemente voneinander getrennt sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem der Wafer von der Rückseite her mit einer hermetischen Schicht gegen die Trägerschicht oder gegen die Resistschicht abgedichtet wird,
wobei die hermetische Schicht durch Sputtern, Nano- Jetten von metallischen Tinten und/oder durch
galvanische oder stromlose Metallabscheidung erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
bei dem die Resistschicht vor dem Aufbringen der
hermetischen Schicht von der Rückseite des Wafers her durch das dort freigelegte Grabenmuster hindurch mittels
Ätzens in den Bereichen entfernt wird, die nicht zum Verkleben von metallischen Strukturen mit der
Trägerschicht genutzt sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-13,
bei dem eine für UV Strahlung transparente Trägerschicht verwendet wird,
bei dem die Härtung der Resistschicht mittels UV- Bestrahlung durch die Trägerschicht hindurch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7-14,
- bei dem als Trägerschicht eine mit Metallkaschierung versehene Kunststofffolie verwendet wird,
- bei dem zur Herstellung der Kontaktstruktur die
Metallkaschierung strukturiert und
- bei dem vor oder nach dem Strukturieren der
Metallkaschierung die Sacklöcher geöffnet und die metallischen Strukturen elektrisch leitend mit der
Metallkaschierung verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-15,
bei dem die Bauelemente abschließend vereinzelt werden indem die Trägerschicht und/oder die Resistschicht zwischen den einzelnen Bauelementen durchtrennt werden
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