DE102006040115A1 - Verfahren und Anordnung zur hermetisch dichten vertikalen elektrischen Durchkontaktierung von Deckscheiben der Mikrosystemtechnik - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Anordnung für eine vertikale Durchkontaktierung von Deckscheiben für mikrosystemtechnische Komponenten, insbesondere für mikroelektromechanische Systeme mittels eines leitfähigen Glaslotes beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine vertikale elektrische Durchkontaktierung von Deckscheiben für mikrosystemtechnische Komponenten.
  • In der siliziumbasierten Mikrosystemtechnik ist es bei der Herstellung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) notwendig, die miniaturisierten und somit gegen mechanische Beschädigung, Feuchte und Korrosion sehr empfindlichen frei beweglichen mechanischen Strukturen mittels eines Deckels (typisch Silizium oder Glas) zu schützen. Meist erfolgt dessen Aufbringen bereits im Scheibenverband als effektiver paralleler Fügeprozess (Scheibenbonden: Waferbonden), der zudem nicht nur einen Schutz in der Anwendung über die Lebensdauer sondern auch für die weitere Verarbeitung (Vereinzeln, Aufbau- und Verbindungstechnik) bietet. In der Regel wird bei einem hermetisch dichten Aufbringen des Deckels eine definierte Atmosphäre mit einem bestimmten Druck eingeschlossen, die für die Funktion des Bauteiles wichtig ist. Bei der Abdeckung der mikromechanischen Struktur muss allerdings gewährleistet sein, dass elektrische Kontaktleitungen für die Energieversorgung des elektromechanischen Systems und die Auslesung von Signalen (z.B. Sensorausgangssignale) in den hermetisch abgeschlossenen Bereich hinein, bzw. aus ihm herausgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel durch horizontale Leitbahndurchführung im Bereich der Verbindungsstelle von Systemscheibe und Deck-Chip (bzw. -Scheibe). Dabei müssen die Leitbahndurchführungen beim direkten und anodischen Bonden aufwendig vergraben werden, um eine ebene, dichtende Verbindungsfläche zu erhalten. Beim Bonden mit weichen Zwischenschichten (Glaslotbonden, adhäsives Bonden) können metallische Standardleitbahnen in das Verbindungsmaterial hermetisch dicht eingebettet werden. In beiden Fällen müssen sich außerhalb des Deckels in der Verbindungsebene Deckel- und System-Chip (bzw. -Scheibe) Anschlussflächen (Bondpads) für das spätere Drahtbonden liegen. Diese Anordnung bringt die folgenden Nachteile mit sich:
    • 1. Die Deckscheiben müssen große Durchbrüche aufweisen, durch die die Anschlussflächen (meist sehr viele) zugänglich sind. Diese Durchbrüche lassen sich effektiv nur im Waferverband, vor oder nach dem Bonden herstellen, was jedoch stets mit hohem Aufwand (z.B. tiefes Siliziumätzen, Glasstrukturierung) verbunden ist. Aufgrund der Durchbrüche wird die mechanische Festigkeit der Deckscheiben jedoch stark vermindert so dass sie bruchanfällig werden. Daher können die Öffnungen für die Anschlussflächen nicht beliebig groß ausgelegt und angeordnet werden.
    • 2. Die Anschlussflächen müssen sich zwingend neben den aktiven Strukturen befinden, d.h. es wird zusätzlicher Platz auf dem Chip benötigt wodurch die Integrationsdichte begrenzt wird und höherer Kosten entstehen. Im Extremfall können die Anschlussflächen und die aktiven Strukturen den gleichen Platzbedarf aufweisen.
    • 3. Die Anschlußflächen befinden sich nicht wie von integrierten Standardschaltungen gewohnt auf der Chipoberfläche sondern sind um die Dicke des Deckels abgesenkt. Dies erschwert die Anwendung Standardmethoden der Aufbau- und Verbindungstechnik (Drahtbonden) bzw. macht den Einsatz spezieller Technologien, wie das Flip-Chip-Bonden, unmöglich.
  • Zur Überwindung der Nachteile können vertikale Durchkontaktierungen eingesetzt werden, um durch ein Loch in der Deckscheibe einen elektrischen Kontakt von der Vorder- auf ihre Rückseite zu führen, so dass abgedeckte Strukturen elektrisch angeschlossen werden können. Zur Herstellung derartiger Durchkontaktierungen sind verschiedene Verfahren bekannt. So können z.B. die Durchgangslöcher komplett mit Metallen in chemischen bzw. elektrochemischen Prozessen verfüllt werden. Dabei besteht die besondere Schwierigkeit darin, eine gasdichte Verfüllung zu gewährleisten. Aus der Literatur (M. Wiemer: Technologieentwicklung für Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren unter Nutzung von Waferbondverfahren, Dissertation April 1999 Chemnitz) ist eine Methode bekannt, bei der die Löcher lediglich an den Seitenwänden metallisiert werden und ihr hermetisch dichter Verschluss durch gebondete Mikrodeckel realisiert wird.
  • Alle bisher bekannten Verfahren sind sehr aufwendig und aufgrund langwieriger Einzelprozesse (Metallverfüllung der Löcher) sehr teuer und fehleranfällig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 6 so zu gestalten, dass sich der Prozeß der Durchkontaktierung vereinfacht, wodurch Fehlerquote und Kosten sinken und sich die Zuverlässigkeit der Bauelemente erhöht.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 12 angegebenen Merkmalen.
  • Die Gegenstände der Ansprüche 1 bis 12 sowie 13 und 14 weisen die Vorteile auf, dass sie einfach anzuwenden sind, Kosten einsparen und universell einsetzbar sind. Verfahren und Anordnung der Durchkontaktierung können im Fertigungsprozess von Mikrosystemtechnikkomponenten gut integriert werden. Elektrisch leitfähige Glaslote sind in organischen Bindern gebundene Glas- und Metallpulvergemischen in Pastenform, die kommerziell verfügbar sind. Nach dem Austreiben des Binders und Verschmelzen des Glasanteils bilden die Metallpartikel elektrisch leitfähige Pfade, die sehr gut den elektrischen Strom leiten und einen geringen ohmschen Widerstand aufweisen.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen
  • 1 den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen MEMS-Chip in schematischer Darstellung mit einer isolierenden Deckscheibe,
  • 2 den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen MEMS-Chip in schematischer Darstellung mit einer leitfähigen Deckscheibe.
  • Dargestellt ist jeweils die vertikale elektrische Durchkontaktierung von Deckscheiben für mikrosystemtechnische Komponenten mittels eines elektrisch leitfähigem Glaslotes, dass sich in den in Durchgangslöchern der Deckscheibe befindet. Auf einer Systemscheibe (1) befinden sich die frei bewegliche, zu schützende mikroelektromechanische Struktur (2) die in 1 durch eine isolierende Deckscheibe (5) abgedeckt wird, wobei nach dem Vereinzeln des Scheibenstapels zu Chips, System- und Deckchip die gleichen äußeren Abmessungen haben werden. Die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) sind über die Verbindungsstelle (4) mechanisch fest und hermetisch dicht miteinander verbunden. Dabei kann die Verbindungsstelle (4) eine ausgleichende Zwischenschicht (Glaslot, organisches Adhäsiv) oder eine direkte Verbindung (molekulare oder anodische Bondverbindung) sein. Über einer Metallstruktur (3) auf der Systemscheibe, die mit den mikro-elektromechanischen Strukturen (2) verbunden ist, befindet sich ein Durchgangsloch (6) in der Deckscheibe (5), auf deren Oberfläche sich eine zweite Metallstruktur (7) befindet, die zum einen das Loch (6) umschließt zum anderen eine laterale Umverdrahtung auf der Deckscheibe (5) erlaubt, so dass neben der Durchkontaktierungsstelle (Loch 6) ein Anschlussdraht (9) angebracht und zum Umgehäuse gezogen werden kann. Alternativ dazu ist aber ein direktes Verlöten des gedeckelten Chips auf Leiterplatten möglich (Flip-Chip-Technologie, Ball-Grid-Arrays), da sich die endgültige Anschlussmetallisierungsstruktur auf der Deckeloberseite befindet. Um die Kontaktierung des Metalls der Systemscheibe zum Metall der Deckscheibe zu realisieren ist das Loch (6) mit einer elektrisch leitfähigen Glaslotpaste (8) zu füllen, die nach ihrem Verschmelzen einen leitfähigen niederohmigen Pfad zwischen beiden Metallstrukturen bildet und gleichzeitig das Loch hermetisch dicht verschließt. Dazu ist es nicht zwingend notwendig, dass das Loch (6) vollständig mit leitfähigem Glaslot verfüllt wird. Es muss lediglich der Kontakt über einen Teil der Mantelseitenfläche und das abdichten am Lochgrund gewährleistet sein. Somit werden an die Lochform und -größe keine besonderen Anforderungen gestellt. Prinzipiell lassen sich Löcher mit senkrechten und geneigten (d.h. größer oder kleiner 90°) Seitenwänden verfüllen, wobei ein konisches Loch mit kleinerer Öffnung an der Verbindungsstelle (4) die technologisch günstigste Lösung darstellt, da es sich am besten verfüllen lässt und die Winkel an den Öffnungen günstig für die Benetzung mit dem Glaslot und somit für den Kontakt sind. Die Löcher können sowohl rund als auch rechteckig sein.
  • In 2 ist eine analoge Anordnung, in der der Deckel (5a) leitfähig ist, vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial (Silizium) besteht. Dabei ist es notwendig, dass alle elektrisch leitenden Strukturen unterschiedlichen Potentials auf der Deckscheibe zueinander isoliert sind. Dazu ist der leitfähige Deckel beidseitig mit einer Isolationsschicht zu bedecken, die auch die Löcher mit auskleidet. Im Fall von Halbleiterdeckscheiben (vorzugsweise Silizium) kann diese Isolationsschicht mit Standardhalbleiterprozessen (thermische Oxidation, Siliziumoxyd oder -nitrid CVD) hergestellt werden. Nach dem Aufbringen dieser Isolationsschicht verhalten sich die elektrisch leitenden Deckscheiben hinsichtlich der Durchkontaktierung genau wie die oben beschriebenen isolierenden.
    • 1
    Systemscheibe
    2
    abzudeckende mikromechanische Strukturen
    3
    strukturierte Metallisierungsschicht auf der Systemscheibe
    4
    Verbindungsstelle der hermetischen Verbindung Systemscheibe/Deckscheibe
    5
    Deckscheibe – Isolator
    5a
    Deckscheibe – Halbleiter oder Leiter
    6
    Durchgangsloch Deckscheibe
    7
    Metallisierung Deckscheibe – Umverdrahtung
    8
    elektrisch leitfähiges Glaslot
    9
    Anschlussdraht
    10
    Isolationsschicht der Deckscheibe 5a

Claims (17)

  1. Verfahren zur hermetisch dichten vertikalen elektrischen Durchkontaktierung von aus isolierendem Material bestehenden Deckscheiben zum Zweck der Herstellung eines mikroelektromechanischen Systems, bestehend aus einer eine mikromechanische Struktur (2) tragenden Systemscheibe (1) und einer Deckscheibe (5), bei dem vertikal verlaufende Durchgangslöcher (6) in die Deckscheibe (5) eingebracht werden, um die hermetisch zu verschließende mikromechanische Struktur (2) durch die Durchgangslöcher (6) mittels einer leitfähigen Verbindung an Metallisierungsstrukturen auf der Oberseite der Deckscheibe (5) anzuschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher (6) zugeordnet zu der Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) zusammengefügt werden und danach in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht wird und zum Abschluss die Glaspaste aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln und den elektrischen Kontakt herzustellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher (6) zugeordnet zu der Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht und geschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln und danach die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) zusammengefügt werden, wobei der Kontakt hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher (6) zugeordnet zu der Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht und getrocknet wird, danach die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) zusammengefügt werden und dann das vorgetrocknete Glaslot aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln, wobei der Kontakt hergestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher (6) zugeordnet zu der Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht und getrocknet und vorgeschmolzen wird, danach die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) zusammengefügt werden und dann das vorgesachmolzene Glaslot ein zweites Mal aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln, wobei der Kontakt hergestellt wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Glaslotpaste (8) zur Herstellung der elektrischen Verbindung während des Fügeprozesses geschieht.
  6. Verfahren zur hermetisch dichten vertikalen elektrischen Durchkontaktierung von aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Deckscheiben der Mikrosystemtechnik zum Zweck der Herstellung eines mikroelektromechanischen Systems, bestehend aus einer eine mikromechanische Struktur (2) tragenden Systemscheibe (1) und einer Deckscheibe (5a), bei dem vertikal verlaufende Durchgangslöcher (6) in die Deckscheibe (5a) eingebracht werden, um die hermetisch zu verschließende mikromechanische Struktur (2) durch die Durchgangslöcher (6) mittels einer leitfähigen, gegen die leitfähige Deckscheibe (5a) isolierten Verbindung an Metallisierungsstrukturen auf der Oberseite der Deckscheibe (5a) anzuschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge eine Isolationsschicht (10) erzeugt, die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher zugeordnet zu der strukturierten Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5) zusammengefügt werden und danach in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht wird und zum Abschluss die Glaspaste aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln und den elektrischen Kontakt herzustellen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge eine Isolationsschicht (10) erzeugt, die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher zugeordnet zu der strukturierten Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht und geschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln und danach die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5a) zusammengefügt werden, wobei der Kontakt hergestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge eine Isolationsschicht (10) erzeugt, die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher zugeordnet zu der strukturierten Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass anschließend in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingebracht und getrocknet wird, danach die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5a) zusammengefügt werden und dann das vorgetrocknete Glaslot aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln, wobei der Kontakt hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemscheibe (1) mit einer strukturierten Metallisierungsschicht (3) versehen wird, auf die Deckscheibe (5) in beliebiger Reihenfolge eine Isolationsschicht (10) erzeugt, die Metallisierung (7) aufgebracht und strukturiert wird und die Durchgangslöcher zugeordnet zu der strukturierten Metallisierungsschicht (3) eingebracht werden, dass danach in die Durchgangslöcher (6) elektrisch leitfähige Glaslotpaste (8) eingefüllt, getrocknet und vorgeschmolzen wird, dass anschließend die Systemscheibe (1) und die Deckscheibe (5a) zusammengefügt werden, wobei dabei das Glaslot nochmals aufgeschmolzen wird, um das Loch zu versiegeln und den elektrischen Kontakt herzustellen.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Glaslotpaste (8) zur Herstellung der elektrischen Verbindung während des Fügeprozesses geschieht.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Glaslot (8) als Paste per Druckverfahren im Sieb- oder Schablonendruck in die Löcher (6) eingebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Glaslot (8) als Paste per Dosierverfahren in die Löcher eingebracht wird.
  13. Anordnung einer Deckscheibendurchkontaktierung von Mikrosystemen bei der ein elektrisch leitfähiges Glaslot (8) ein Loch (6) in einer isolierenden Deckscheibe (5) die mit einer Systemscheibe (1) hermetisch dicht verbunden ist, ganz oder teilweise ausfüllt und auf diese Weise das Loch (6) hermetisch dicht versiegelt und gleichzeitig einen Kontakt von einer Metallstruktur (3) auf der Systemscheibe (1) zu einer zweiten Metallstruktur (7) auf der Oberseite der Deckscheibe (5) bildet, so dass die abgedeckt mikroelektromechanische Struktur (2) der Systemscheibe (1) von der Oberseite der Deckscheibe (5a) aus elektrisch angeschlossen werden kann.
  14. Anordnung einer Deckscheibendurchkontaktierung von Mikrosystemen bei der ein elektrisch leitfähiges Glaslot (8) ein Loch (6) in einer elektrisch leitfähigen Deckscheibe (5a), insbesondere einer Halbleiterscheibe ganzflächig einschließlich der Lochmantelfläche überzogen mit einer Isolationsschicht (10), die mit einer Systemscheibe (1) hermetisch dicht verbunden ist, ganz oder teilweise ausfüllt und auf diese Weise das Loch (6) hermetisch dicht versiegelt und gleichzeitig einen Kontakt von einer Metallstruktur (3) auf der Systemscheibe (1) zu einer zweiten Metallstruktur (7) auf der Oberseite der Deckscheibe (5a) bildet, so dass die abgedeckt mikroelektromechanische Struktur (2) der Systemscheibe (1) von der Oberseite der Deckscheibe (5a) aus angeschlossen werden kann.
  15. Anordnung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass Lochgröße und -form im Rahmen bestehender technologischer Prozesse wie Bohren von Glasscheiben, KOH-Ätzen von Siliziumscheiben beliebig ausgelegt sein können.
  16. Anordnung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Chipgröße mehrere Durchkontakte je Chip vorhanden sind.
  17. Anordnung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sägen der komplette Mikrosystemchip von dem Deckchip (5, 5a) abgedeckt ist und sich alle Anschlüsse auf der Oberseite des Deckchip (5, 5a), bevorzugt direkt über der aktiven mikroelektromechanischen Struktur (2) befinden und die Durchkontaktierungen (8) mittels der Metallisierung (7) auf der Oberseite der Deckscheibe (5, 5a) so umverdrahtet werden können, dass ein Anschluss in Umgehäusen oder auf Leiterplatten mit Standardprozessen der Aufbau und Verbindungstechnik möglich ist.
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