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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Verpackung oder Verkapselung
von Bauteilen, wie insbesondere elektronischen, auch optoelektronischen
integrierten Schaltkreisen und/oder mikroelektromechanischen Bauelementen.
Insbesondere betrifft das Verfahren die Herstellung von Abdeckungen
für Bauteile mit
Funktonssubstraten, bei welchen die lateralen Abmessungen größer als
die lateralen Abmessungen der Abdeckung sind. Die Erfindung ist
besonders zur teilweisen Verpackung von Bauteilen im Waferverbund
geeignet. Bei einer Verpackung im Waferverbund werden Teile der
Gehäusung
der Chips bereits vor deren Abtrennen vom Wafer aufgebracht.
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Aus
dem Stand der Technik sind dabei auch Verfahren bekannt, mit welchen
eine vollständige
Gehäusung
der Chips auf Waferebene gelingt. Auch ist es bekannt, im Waferverbund
bereits Lotkugeln auf die gehäusten
Chips aufzubringen. Mit einem derartig verarbeiteten Wafer können dann
durch Abtrennen direkt Bauelemente erhalten werden, die beispielsweise
als SMD-Bausteine verwendet werden.
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Um
die aktiven Seiten oder Funktionsbereiche der Bauelemente abzudecken,
können
beispielsweise Abdeckwafer mit dem Funktionswafer, also dem Wafer,
auf welchem die Bauelemente definiert sind, verbunden werden. Allerdings werden
in einigen Fällen
Kavitäten
benötigt,
die Funktionsbereiche der Bauelemente umgeben. Dabei ist beispielsweise
an verkapselte mikroelektromechanische Bauelemente gedacht, bei
welchen die mechanischen Elemente eine gewisse Bewegungsfreiheit
benötigen.
Auch kann eine direkte Verbindung einer Abdeckung mit den Bauelementen
an ihren Funktionsbereichen deren elektronische und/oder im Falle
von optoelektronischen Bauelementen auch deren optische Funktion
beeinträchtigen.
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Wird
ein Abdeckwafer zur Verkapselung verwendet und dann einzelne Bauteile
aus dem Waferverbund mit Funktionswafer und Abdeckwafer durch Sägen abgetrennt,
ergibt sich weiterhin, daß auf
den vereinzelten Bauteilen die Abdeckungen jeweils im wesentlichen
die gleichen Abmessungen aufweisen, wie die aus dem Funktinswafer
abgetrennten Substrate. Anders ausgedrückt, wird dabei die Funktionsseite
von Chips oder anderen im Waferverbund hergestellten Bauteilen nach
dem Abtrennen vollständig
durch die Abdeckung bedeckt. Dies kann allerdings unerwünscht sein,
wenn die Chips beispielsweise auf ihrer Funktionsseite durch Drahtbonden
kontaktiert werden sollen. In diesem Fall wären dann die Anschlußbereiche
für die
Drähte
dann von der Abdeckung bedeckt. Um Chips für das Drahtbonden mit Abdeckungen
zu versehen, wurde dazu bisher eine sogennannte „Pick and Place"-Technik angewandt,
bei welcher einzelne Gehäuseteile
auf den Funktionswafer aufgesetzt und befestigt werden. Diese Technologie
ist jedoch selbst mit einer robotergestützten Fertigung sehr zeitaufwendig
und treibt damit die Produktionskosten in die Höhe.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Aufbringen von Abdeckungen
mit lateralen Abmessungen, die kleiner sind, als die lateralen Abmessungen
der vom Funktionssubstrat, wie insbesondere von einem Funktionswafer
abgetrennten Teile, zu vereinfachen.
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Dazu
sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung verpackter Bauelemente
vor, bei welchem ein plattenförmiges
Abdecksubstrat auf einem Trägersubstrat
befestigt und dann auf der freiliegenden Seite des plattenförmigen Abdecksubstrats
Gräben
eingefügt
werden, welche das plattenförmige
Abdecksubstrat durchtrennen, so daß ein Verbundteil mit dem Trägersubstrat
und einzelnen durch die Gräben
voneinander getrennten, aber über
das Trägersubstrat
miteinander verbundenen Abdeckteile erhalten wird, und wobei dann
die Abdeckteile des Verbundteils mit einem Funktionssubstrat mit
einer Vielzahl von Bauelementen verbunden wird, so daß die Gräben entlang
von Trennbereichen auf dem Funktionssubstrat zwischen Funktionsbereichen
der Bauelemente verlaufen und die Abdeckteile die Funktionsbereiche
abdecken, und wobei dann die Verbindung der Abdeckteile mit dem
Trägersubstrat
gelöst
und das Trägersubstrat
entfernt und damit ein Verbund mit dem Funktionssubstrat und einer
Vielzahl von Abdeckteilen, welche Funktionsbereiche abdecken, erhalten
wird. Durch ein geeignetes Einfügen
der Gräben
können
dabei die Abdeckteile so hergestellt werden, daß deren lateralen Abmessungen
kleiner als die lateralen Abmessungen der später aus dem Funktionssubstrat
zur Herstellung der Bauteile herausgetrennten Teile.
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Die
Erfindung erlaubt es dabei, alle gewünschten Abdeckteile für ein Funktionssubstrat,
wie insbesondere einem Funktionswafer als Verbund gemeinsam aufzubringen
und zu befestigen. Das Befestigen ist dabei demgemäß nicht
wesentlich zeitaufwendiger, als etwa das Befestigen eines einstückigen Abdeckwafers.
Da aber bereits vor dem Heraustrennen der Bauelemente aus dem Funktionswafer
die Abdeckteile durch das Einfügen
der Gräben
herausgearbeitet werden, bestehen hinsichtlich ihrer lateralen Abmessungen
im Verhältnis zu
denen der vom Funktionssubstrat herausgetrennten Funktionsteile
im wesentlichen keine Einschränkungen.
Demgemäß können die
Abdeckteile durch Einfügen
der Gräben
so hergestellt werden, daß die
Abdeckteile in zumindest einer Richtung entlang der Seite des Funktionssubstrats,
auf welche die Abdeckteile aufgebracht werden, jeweils eine kleinere
Abmessung als der Bereich zwischen zwei Trennbereichen aufweisen.
Bei einem Funktionswafer, wie etwa einem Halbleiterwafer mit elektronischen,
optoelektronischen oder mikroelektromechanischen Bauelementen sind
dabei die Bereiche zwischen zwei Trennbereichen die Halbleiter-Substrate der durch
Abtrennen entlang der Trennbereiche hergestellten einzelnen Chips.
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Insbesondere
ermöglicht
die Erfindung auch, daß beim
Aufbringen der Abdeckteile Kavitäten
definiert werden, welche die Funkionsbereiche umgeben. Dies kann
insbesondere durch ein Verfahren erreicht werden, bei welchem auf
dem plattenförmigen
Abdecksubstrat eine strukturierte Zwischenschicht aufgebracht wird, welche
so strukturiert ist, daß rahmen-
oder ringförmige
Bereiche des Abdecksubstrats frei bleiben, und wobei dann eine Beschichtung
auf der mit der Zwischenschicht versehenen Seite des Abdecksubstrats
abgeschieden und die Zwischenschicht danach entfernt wird. Dabei
werden die Bereiche der Beschichtung, welche auf der Zwischenschicht
abgeschieden sind, zusammen mit der Zwischenschicht entfernt, so
daß rahmen-
oder ringförmige
erhabene Strukturen auf den von der Zwischenschicht freigelassenen
rahmenförmigen
Bereichen auf dem Abdecksubstrats erhalten werden. Außerdem werden
auf der freiliegenden Seite des plattenförmigen Abdecksubstrats die
Gräben,
welche das plattenförmige
Abdecksubstrat durchtrennen so eingefügt, daß sie zwischen den rahmenförmigen Strukturen
verlaufen. Die so hergestellten, noch auf dem Trägersubstrat befestigten Abdeckteile
werden dann an den rahmenförmigen
Strukturen mit dem Funktionssubstrat verbunden, so daß von den
rahmenförmigen
Strukturen begrenzte Kavitäten
definiert werden, welche die Funktionsbereiche umschließen.
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Vorzugsweise
wird das Einfügen
der Gräben
nach dem Aufbringen der rahmenförmigen
Strukturen vorgenommen. Denkbar ist aber ebenso, zunächst die
Gräben
einzufügen
und dann die rahmenförmigen Strukturen
herzustellen. Ein besonders geeignetes Material für die rahmenförmigen Strukturen
ist Glas.
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Glas
zeichnet sich durch optische Transparenz, Härte und geringe Permeabilität für Gase aus,
was besonders von Vorteil ist, um einen möglichst hermetischen Einschluß der Funktionsbereiche
in den Kavitäten zu
erreichen. Weiterhin kann Glas auch durch Aufdampfen, also eine
Abscheidung durch thermisches Verdampfen eines Targets abgeschieden
werden. Vorzugsweise kommt hier Elektronenstrahlverdampfung zum Einsatz.
Gegenüber
anderen Abscheideverfahren, wie etwa Sputtern zeichnet sich Aufdampfen
durch sehr hohe Abscheideraten aus. Um auch bei hohen Abscheideraten
sehr dichte Schichten zu erzielen, hat es sich dabei auch als besonders
günstig
erwiesen, eine Plasmaionen-unterstütze Abscheidung (PIAD) zu verwenden.
Dabei wird gleichzeitig zur Abscheidung durch thermische Verdampfung
von Targetmaterial ein Innenstrahl auf die zu beschichtende Fläche gerichtet.
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Um
eine strukturierte Zwischenschicht herzustellen, wird weiterhin
vorzugsweise eine Photoresist-Schicht als Zwischenschicht aufgebracht
und fotolithografisch strukturiert. Auf diese Weise, insbesondere auch
in Verbindung mit der Herstellung der rahmenförmigen Strukturen durch Abscheidung
von Glas lassen sich hochgenau strukturierte Rahmen mit ebenen Oberflächen erzeugen.
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Um
das Entfernen der Zwischenschicht zu erleichtern, ist es weiterhin
günstig,
wenn die Beschichtung mit einer Schichtdicke abgeschieden wird,
die geringer ist, als die Dicke der strukturierten Zwischenschicht. Damit
wird erreicht, daß die
Zwischenschicht an den Rändern
der Strukturen auch nach Abscheiden der Beschichtung zugänglich bleibt.
Somit können
beispielsweise Lösungsmittel,
mit welchen die Zwischenschicht aufgelöst wird, oder Reagenzien, welche
in sonstiger Weise, beispielsweise durch Zersetzung oder Aufquellen auf
die Zwischenschicht wirken, an den Rändern der Strukturen in die
Zwischenschicht eindringen.
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Wird
das Funktionssubstrat, wie insbesondere ein Funktionswafer unter
Einsatz von Prozeßschritten weiterbehandelt,
die im Vakuum oder zumindest in einer Niederdruck-Atmosphäre durchgeführt werden,
kann ein Druckunterschied zwischen beim Verbinden von Funktionswafer
mit den Abdeckteilen in den Kavitäten eingeschlossenem Gas und
der Umgebung auftreten. Beispiele für solche Prozeßschritte
sind die Vakuumabscheidung von Schichten, etwa mittels Aufdampfen,
Sputtern oder plasmaunterstützer
chemischer Dampfphasenabscheidung. Um einen zu großen Druckunterschied
und die dabei auftretenden Kräfte
zu vermeiden, können
Kanäle
vorgesehen werden, welche die Kavitäten mit der Umgebung verbinden
und einen Gasaustausch ermöglichen.
Eine Möglichkeit
dazu ist, rahmenförmige
Strukturen herzustellen, die eine Lücke aufweisen, so daß nach dem
Befestigen der Abdeckteile und dem Entfernen des Trägerssubstrats
durch die Lücken
Kanäle gebildet
werden, welcher die Umgebung mit der Kavität verbinden. Die Kanäle können dann
nachträglich
verschlossen werden, insbesondere nach weiteren im Vakuum durchgeführten Behandlungsschritten.
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In
die Kavitäten
kann weiterhin mit Vorteil ein Schutzgas eingeschlossen werden.
Ein solches Schutzgas kann beispielsweise eine wasserfreie Atmosphäre sein.
Damit kann etwa verhindert werden, daß Wasser an den Wandungen der
Kavitäten
kondensiert. Auch kann das Schutzgas sauerstofffrei oder sauerstoffarm sein,
um Oxidationsprozesse, welche die Lebenstauer oder Funktionalität der Bauelemente
beeinträchtigen können, zu
verhindern oder zumindest zu verlangsamen. Geeignet als Schutzgas
ist beispielsweise trockener Stickstoff. Bleiben. die Kavitäten zunächst über Kanäle verbunden,
so kann dann das Verschließen
der Kanäle in
einer Schutzgas-Atmosphäre
erfolgen. Sind Kanäle
nicht vorhanden, kann das Verbinden der Abdeckteile mit dem Funktionssubstrat
in einer solchen Schutzgasatmosphäre, wie etwa trockenem Stickstoff
durchgeführt werden.
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Auch
als Abdecksubstrat wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ein Glassubstrat verwendet. Ein solches Substrat kann
dann insbesondere als Fenster für
optoelektronische Bauelemente dienen und gleichzeitig Funktionsbereiche
mit optischen Sensoren und/oder Emittern verkapseln. Durch ein solches
transparentes Abdecksubstrat können
dann die Abdeckteile besonders vorteilhaft auch optische Fenster
für die
Funktionsbereiche bilden.
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Um
Abdeckteile zu realisieren, die kleiner als die aus dem Funktionssubstrat
später
herausgearbeiteten Teile, können
entsprechend breite Gräben
erzeugt werden, die breiter sind als die auf dem Funktionssubstrat
vorgesehenen Trennbereiche. Die Trennbereiche auf dem Funktionssubstrat,
wie insbesondere einem Halbleiter-Wafer werden im allgemeinen durch
die Schnittbreite der verwendeten Trennwerkzeuge vorgegeben. In
der Halbleiter-Fertigung werden dazu im allgemeinen entsprechende
Sägen eingesetzt.
Hier kann es sich anbieten, anstelle einer Verwendung von Trennwerkzeugen
mit größerer Schnittbreite
für das
Einfügen der
Gräben
zum Trennen der Abdeckteile jeweils Paare von parallelen Gräben einzufügen. Damit
werden, sofern die Gräben
weit genug auseinanderliegen, zwischen den Abdeckteilen und zwischen
den Paaren Bereiche des Abdecksubstrats weitere Teile herausgearbeitet,
die später
entfernt werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung werden die Abdeckteile auf dem Funktionssubstrat zur Befestigung
aufgeklebt. Die Hermetizität
einer Klebeschicht zur Verbindung reicht in vielen Fällen, vor
allem für
Bauelemente für
den Home-Consumer-Markt aus, um die Bauelemente zu schützen und
die geforderte Lebensdauer zu erreichen. Die Verwendung der Art
des Klebers richtet sich nach den Anforderungen an die Klebeverbindung.
Wird ein optisch transparentes Abdecksubstrat und/oder transparentes
Funktionssubstrat verwendet, kann ein UV-härtbarer Kleber verwendet werden,
wobei dazu der Verbund mit dem Abdecksubstrat, beziehungsweise den
daraus hergestellten Abdeckteilen und dem Funktionssubstrat mit
UV-Strahlung zur Härtung
des Klebers bestrahlt wird, welche dann durch zumindest eines der
Substrate hindurch zur Klebstoffschicht zwischen den beiden Substraten
gelangt. Ist das Funktionssubstrat im UV-Bereich nicht transparent, wie
insbesondere im Falle eines Halbleiterwafers mit integrierten Schaltkreisen
als Funktionsbereiche, und wird ein transparentes Abdecksubstrat,
wie insbesondere ein Glaswafer verwendet, so ist es hierbei auch
besonders vorteilhaft, wenn auch das Trägersubstrat, auf welchem die
Abdeckteile beim Aufkleben auf das Funktionssubstrat noch befestigt
sind, transparent ist. Dabei bietet es sich insbesondere an, ein
Glassubstrat zu verwenden.
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Die
Gräben
werden besonders bevorzugt durch mechanischen Abtrag, wie insbesondere
Sägen oder Schleifen
hergestellt. Hierbei können
die gleichen Werkzeuge verwendet werden, die auch für das spätere Vereinzeln
der Bauelemente vom Funktionssubstrat verwendet werden. Das Abtrennen
der Bauelemente-wird bei der Halbleiter-Fertigung dabei auch als „Dicen" bezeichnet.
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Um
eine sichere Trennung der Abdeckteile vom Trägersubstrat zu erreichen, ist
es weiterhin von Vorteil, wenn Gräben eingefügt werden, die teilweise in
das Trägersubstrat
hineinreichen. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einem mechanischen
Abtrag bevorzugt, da dann in einfacher Weise sichergestellt werden kann,
daß das
Abdecksubstrat durch die eingefügten
Gräben
jeweils vollständig
durchtrennt wurde.
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Vielfach
weisen die Bauelemente auf dem Funktionssubstrat elektrische Anschlußstellen
auf der Seite mit den Funktionsbereichen auf. Solche Anschlußstellen
können
insbesondere auch Bondpads für
das Drahtbonden zur Kontaktierung elektronischer oder optoelektronischer
Bauelemente, wie insbesondere integrierte elektronische oder optoelektronische
Bauelemente sein. Um diese Bondpads frei zu halten, werden gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Abdeckteile so durch Gräben abgetrennt und auf das
Funktionssubstrat aufgebracht, daß die elektrischen Anschlußstellen
frei liegen.
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Nach
dem Aufbringen der Abdeckteile auf dem Funktionssubstrat können dann
unmittelbar im Anschluß oder
nach Durchführung
weiterer Fertigungsschritte, auch Fertigungsschritte zur Verpackung
einzelne Bauteile durch Auftrennen des Funktionssubstrats entlang
der Trennbereiche zwischen den Funktionsbereichen hergestellt werden.
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Die
Erfindung ist insbesondere zur Verkapselung elektronischer, dabei
insbesondere auch optoelektronischer, und/oder mikroelektromechanischer
Bauelemente auf Wafern, insbesondere auch Halbleiter-Wafern als
Funktionssubstrate geeignet. Bei elektronischen oder optoelektronischen
Bauelementen werden die Funktionsbereiche auf dem Wafer insbesondere
durch die Schaltkreise der Bauelemente definiert, bei mikroelektromechanischen
Bauelemente auch durch die mikroelektromechanischen Teile.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei
verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
Teile.
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Es
zeigen:
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1 bis 11 Verfahrensschritte
zur Herstellung eines Funktionswafers mit Abdeckteilen,
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12 in
Aufsicht einen durch Abtrennen vom Funktionswafer hergestellten
Silizium-Chip,
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13 bis
X eine Variante der in 1 bis 11 gezeigten
Verfahrensschritte, bei welcher Abdeckteile mit Kavitäten hergestellt
werden, die einen Kanal mit einer Verbindung zur Umgebung aufweisen.
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Anhand
der 1 bis X werden im folgenden Verfahrensschritte
zur Herstellung eines Funktionswafers mit Abdeckteilen zur Abdeckung
von Funktionsbereichen beschrieben. Mit der Abdeckung durch die
Abdeckteile werden dabei auch Kavitäten geschaffen, an welche die
Funktionsbereiche des Funktionswafers angrenzen und somit von den
Kavitäten
umgeben werden.
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1 zeigt
in einer Schnittansicht ein plattenförmiges Abdecksubstrat in Form
eines Abdeckwafers 1 aus Glas mit Seiten 2, 3.
Das Verfahren zur Verkapselung der Funktionsbereiche basiert nun
darauf, daß auf dem
Abdeckwafer 1 eine strukturierte Zwischenschicht aufgebracht
wird, welche so strukturiert ist, daß rahmenförmige Bereiche des Abdecksubstrats
frei bleiben. Es wird dann eine Beschichtung auf der mit der Zwischenschicht
versehenen Seite des Abdeckwafers 1 abgeschieden und die
Zwischenschicht danach entfernt, so daß die Bereiche der Beschichtung,
welche auf der Zwischenschicht abgeschieden sind, zusammen mit der Zwischenschicht
entfernt und rahmenförmige
Strukturen auf den von der Zwischenschicht freigelassenen rahmenförmigen Bereichen
auf dem Abdecksubstrats erhalten werden.
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Auf
der freiliegenden Seite des Abdeckwafers 1 werden außerdem zwischen
den rahmenförmigen Strukturen
verlaufende Gräben
eingefügt,
welche den Abdeckwafer durchtrennen. Die auf dem Trägersubstrat befestigten
Abdeckteile werden dann an den rahmenförmigen Strukturen mit dem Funktionswafer
verbunden, so daß von
den rahmenförmigen
Strukturen begrenzte Kavitäten
definiert werden, welche die Funktionsbereiche umschließen.
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Zur
Herstellung einer strukturierten Zwischenschicht wird eine Photoresist-Schicht 5 auf
die Seite 2 des Abdeckwafers 1 aufgebracht. Diese
wird dann, wie in 1 gezeigt, fotolitografisch
durch Belichtung und Entwicklung strukturiert, wobei Öffnungen 7 erzeugt
werden, welche rahmen- oder ringförmige Bereiche 9 der Seite 2 des
Abdeckwafers 1 freilegen, die jeweils Bereiche 11 von
der übrigen
Photoresist-Schicht 5 abtrennen.
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2 zeigt
zur Verdeutlichung schematisch eine perspektivische Ansicht des
mit der strukturierten Photoresist-Schicht 5 versehenen
Abdeckwafers 1. Im Beispiel sind neun derartige Strukturen
mit freigelegten rahmenförmigen
Bereichen dargestellt. Jede dieser Strukturen ist einem Bauelement
auf einem Funktionswafer zugeordnet. Es ist dem Fachmann ersichtlich,
daß bei
einem realen Funktionswafer jedoch im allgemeinen wesentlich mehr
Bauelemente vorhanden sind und daher entsprechend viele rahmenförmige Bereiche 9 auf dem
Abdeckwafer erzeugt werden.
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Anschließend wird
eine Beschichtung auf der mit der Zwischenschicht versehenen Seite
des Abdecksubstrats abgeschieden. Dieser Schritt ist in der Schnittansicht
der 3 dargestellt.
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Die
Beschichtung ist eine durch Abscheiden von thermisch verdampftem
Glas hergestellte Glasschicht 13. Das Verdampfen des dabei
verwendeten Glastargets erfolgt dabei bevorzugt mit Elektronenstrahlverdampfung.
Bei dieser Methode wird die Aufheizung nicht über den Kontakt mit weiteren
Teilen, wie etwa einem indirekt beheizten Tiegel aufgeheizt, sondern
vielmehr über
einen auf das Glastarget gerichteten Elektronenstrahl. Die Leistung
kann so durch geeignete Fokussierung des Elektronenstrahls auf eine
kleine Fläche
konzentriert werden. Damit können
höhere
Temperaturen auf einer kleinen Fläche auf dem Target erreicht
werden. Da die Verdampfungsrate nichtlinear von der Temperatur abhängt, können so
sehr hohe Verdampfungs- und
damit Abscheideraten bei nur geringer abgestrahlter Leistung erzielt
werden, so daß auch
das zu beschichtende Substrat, dementsprechend hier der Abdeckwafer 1 vergleichsweise
kühl gehalten
werden kann.
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Als
besonders geeignet zur Verwendung als Aufdampfglas haben sich Gläser erwiesen,
die folgende Zusammensetzungsbereiche in Gewichtsprozent aufweisen:
| Komponenten | Glasbereich
1 | Glasbereich
2 |
| SiO2 | 75–85 | 65–75 |
| B2O3 | 10–15 | 20–30 |
| Na2O | 1–5 | 0,1–1 |
| Li2O | 0,1–1 | 0,1–1 |
| K2O | 0,1–1 | 0,5–5 |
| Al2O3 | 1–5 | 0,5–5 |
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Bevorzugte
Aufdampfgläser
aus diesen Gruppen sind Gläser
der Firma Schott mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
| Komponenten | Glas
1 | Glas
2 |
| SiO2 | 84,1% | 71% |
| B2O3 | 11,0% | 26 |
| %Na2O | ≈2,0% | 0,5% |
| Li2O | ≈0,3% | 0,5% |
| K2O | ≈0,3% | 1,0% |
| Al2O3 | 0,5% | 1,0% |
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Die
bevorzugt verwendeten Gläser
besitzen insbesondere die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften:
| Eigenschaften | Glas
1 | Glas
2 |
| α20–300 [10–6K–1] | 2,75 | 3,2 |
| Dichte
(g/cm3) | 2,201 | 2,12 |
| Transformationspunkt
[°C] | 562°C | 466°C |
| Brechungsindex | nD = 1,469 | 1,465 |
| Wasserbeständigkeitklasse
nach ISO 719 | 1 | 2 |
| Säurebeständigkeitsklasse
nach DIN 12 116 | 1 | 2 |
| Laugenbeständigkeitsklasse
nach DIN 52322 | 2 | 3 |
| Dielektrizitätskonstante ε (25°C) | 4,7
(1 MHz) | 3,9
(40 GHz) |
| tanδ (25°C) | 45·10–4
(1
MHz) | 26·10–4
(40
GHz) |
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Die
Beschichtung 13 wird mit einer Schichtdicke abgeschieden,
die kleiner ist als die Dicke der strukturierten Zwischenschicht 5 Damit
bleiben die Ränder
der Zwischenschicht 5 an den Öffnungen 7 zugänglich, da
in den Öffnungen 7,
beziehungsweise in den freiliegenden rahmenförmigen Bereichen 9 des
Abdeckwafers 1 die Zwischenschicht 5 über die
abgeschiedene Glasschicht 13 hinausragt. An diesen Stellen
kann dann ein Lösungsmittel
auf die Zwischenschicht 5 einwirken und diese so weit anlösen, daß sie sich
ablöst.
Mit dem Entfernen der Zwischenschicht werden auch Bereiche der Glasschicht 13 auf
der Zwischenschicht 5 mit abgelöst. Durch diesen sogenannten „Lift-off"-Prozess bleiben
dann nur noch diejenigen Bereiche der Glasschicht 13 stehen,
welche direkt auf der Oberfläche
des Abdeckwafers 1 abgeschieden sind. Dementsprechend werden
aus der Glasschicht 13, beziehungsweise den Bereichen dieser
Schicht auf den rahmenförmigen
freigelassenen Bereichen 9 des Abdeckwafers 1 entsprechend
geformte rahmenförmige
Strukturen 15 erzeugt, welche jeweils Bereiche 16 der
Seite 2 des Abdeckwafers 1 umgeben. Diese Fertigungsstufe
ist in der Schnittansicht der 4, sowie
zur weiteren Verdeutlichung in der perspektivischen Ansicht der 5 dargestellt.
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Anschließend wird,
wie in der Schnittansicht der 6 gezeigt
ist, der so vorbereitete Abdeck-Wafer 1 mit der Seite 3 mit
einem Trägersubstrat 18 verbunden.
Die Verbindung der beiden Substrate, hier also des Abdeckwafers 1 und
des Trägerssubstrats 18 ist
lösbar
ausgestaltet. Beispielsweise kann dazu allgemein eine geeignete
Klebeverbindung verwendet werden, die unter Einwirkung von Licht
und/oder Lösemitteln
und/oder Wärme
ihre Klebekraft vermindert und das Ablösen des Trägerssubstrats 18 gestattet.
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Nach
dem Befestigen des Abdecksubstrats 1 auf dem Trägerssubstrat 18 werden
Gräben 20 in
die freiliegende Seite 2 des Abdecksubstrats 1 eingefügt. Diesen
Schritt zeigt die Schnittansicht in 7, sowie die
perspektivische Ansicht der 8. Die Gräben 20 werden
dabei durch Sägen
mit einem Trennwerkzeug durchgeführt,
wie es auch zum Abtrennen von Bauelementen aus Halbleiter-Wafern in der Fertigung
von elektronischen Bauelemente eingesetzt wird.
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Durch
das Einfügen
der Gräben 20,
welche durch das Abdecksubstrat 1 hindurchreichen, wird
ein Verbundteil mit dem Trägersubstrat 18 und
einzelnen durch die Gräben 20 voneinander
getrennten, aber über
das Trägersubstrat 18 miteinander
verbundenen Abdeckteilen 21 erhalten, wobei bei dem gezeigten
Beispiel jedes der Abdeckteile 21 eine rahmenförmige Struktur 15 aufweist.
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Wie
anhand der 7 und 8 ersichtlich
ist, werden die Gräben 20 weiterhin
so tief eingesägt,
daß sie
bis in das Trägersubstrat 18 hineinreichen.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Abdeckteile 21 vollständig von übrigen Teilen
des Abdecksubstrats 1 getrennt sind.
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Außerdem werden
zwischen den rahmenförmigen
Strukturen 15 nicht einzelne Gräben, sondern jeweils Paare
paralleler Gräben 20 eingefügt, so daß hier zwischen
den Abdeckteilen weitere Teile 22 vorhanden sind, die mit
dem Trägersubstrat
verbunden sind. Zwar würden
einzelne Gräben
bereits ausreichen, um den Abdeckwafer 1 in einzelne Teile
zu zerlegen, allerdings wären
in diesem Fall die lateralen Abmessungen der Abdeckteile 21 durch
die Breite der Gräben
vorgegeben, da auch die lateralen Positionen durch die korrespondierenden
lateralen Positionen der Bauelemente des zu verkapselnden Funkionswafer
festgelegt sind.
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Sind
an einer Seite der rahmenförmigen
Strukturen 15 keine weiteren dieser Strukturen mehr vorhanden,
reicht selbstverständlich,
wie es auch in den 7 und 8 dargestellt
ist, ein einzelner Graben an dieser Seite zur Abtrennung der Abdeckteile
vom übrigen
Material des Abdeckwafers 1 aus.
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Alternativ
zur Trennung der Abdeckteile 21 durch Paare von parallelen
Gräben 20 könnten aber
auch entsprechend breitere einzelne Gräben 20 eingefügt werden.
Um die Gräben 20 durch
Dicen, beziehungsweise Sägen
einzufügen,
kann der Verbund mit dem Abdeckwafer 1 und dem Trägerssubstrat 20 beispielsweise auf
einen Träger
auf der freiliegenden Seite des Trägersubstrats 18 mittels
einer Klebefolie aufgeklebt und die Klebeverbindung der Klebefolie
nach dem Sägen
durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht gelöst werden.
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Nach
dem Einfügen
der Gräben 20 erfolgt
die Verbindung der Abdeckteile 20 mit einem Funktionswafer.
Diesen Schritt zeigen die Schnittansichten der 9 und 10.
Zunächst
wird, wie in 9 gezeigt, Klebstoff 24 auf
die rahmenförmigen
Strukturen 15 aufgebracht. Dazu wird auf eine Oberfläche eine
Klebstoffschicht aufgebracht und der Verbund mit den rahmenförmigen Strukturen 15 auf
diese Klebstoffschicht aufgesetzt, so daß der Klebstoff an den erhabenen
rahmenförmigen
Strukturen anhaftet. Das Aufsetzen erfolgt vorzugsweise in einer
kontrollierten Atmosphäre,
die insbesondere frei von Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff ist, um
unerwünschte
Reaktionen oder Kondensation von Feuchtigkeit in den Kavitäten zu vermeiden.
Beispielweise kann das Aufsetzen in einer trockenen Stickstoff-Atmosphäre vorgenommen
werden.
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Anschließend wird
der Verbund mit den Abdeckteilen 21 und dem Trägersubstrat 18 zu
einem Halbleiter-Funkionswafer 30 ausgerichtet und, wie
in 10 dargestellt, auf den Funkionswafer 30 aufgesetzt.
Der Funkionswafer 30 umfasst dabei bei dem gezeigten Beispiel
eine Vielzahl von Funktionsbereichen 34 auf oder an der
Seite 32, welche mit den Abdeckteilen 21 verbunden
wird. Die Funktionsbereiche 34 können insbesondere optoelektronische
Sensor-Schaltungen sein.
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Zur
elektrischen Kontaktierung der Funktionsbereiche 34 sind
auf der Seite 32 außerdem
Kontaktflächen 36 angeordnet,
die insbesondere als Bond-Pads für
das Drahtbonden dienen können.
Bereiche 38 zwischen den Funktionsbereichen 34 und
Kontaktflächen 36 sind
als Trennbereiche vorgesehen. Bei der späteren Abtrennung einzelner
Bauelemente mit Funktionsbereichen und Kontaktflächen 36 wird der Funktionswafer 30 entlang
dieser Trennbereiche 38 aufgetrennt.
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Wie
anhand von 10 zu erkennen ist, wird der
Verbund mit dem Trägersubstrat 18 und
den damit verbundenen Abdeckteilen 21 so auf den Funktionswafer
aufgesetzt und mit diesem durch den Kleber auf den rahmenförmigen Strukturen 15 verbunden,
daß die
Gräben 20 entlang
der Trennbereiche 38 auf dem Funktionswafer zwischen den
Funktionsbereichen 34 der Bauelemente verlaufen und die
Abdeckteile 21 die Funktionsbereiche 34 abdecken.
Aufgrund der erhabenen rahmenförmigen
Strukturen 15 liegt dabei weiterhin die Seite 2 des
Abdecksubstrats 1, beziehungsweise der davon abgetrennten
Abdeckteile 21 nicht direkt auf der Seite 32 des
Funktionswafers 30 auf. Vielmehr ist die Seite 2 des
Abdecksubstrats 1 aufgrund der darauf aufgebrachten erhabenen
rahmenförmigen
Strukturen 15 beabstandet und es werden von den rahmenförmigen Strukturen 15 begrenzte
Kavitäten 40 gebildet,
an welche die Funktionsbereiche 34 angrenzen, so daß ein Funktionsbereich 34 jeweils
von einer Kavität
umschlossen ist. Die zu den Funktionsbereichen 34 gegenüberliegende
Seite der Kavitäten 40 wird
dabei jeweils von den Bereichen 16 der Seite 2 des
Abdeckwafers 1, beziehungsweise der davon abgetrennten
Abdeckteile 21 gebildet.
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Sind
die Abdeckteile 21 wie vorstehend beschrieben aufgesetzt,
kann der Kleber zwischen den rahmenförmigen Strukturen 15 und
der Seite 32 des Funktionswafers 30 beispielsweise
durch Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet werden, indem UV-Licht
durch das Trägersubstrat 18,
das Abdecksubstrat 1 und die rahmenförmigen Strukturen 15 hindurch
UV-Licht auf die Klebestellen eingestrahlt wird. Dies ist insbesondere dann
möglich,
wenn für
alle diese Teile Glas als Material verwendet wird. Die Verwendung
eines durch Licht härtbaren
Klebers ist von Vorteil, da auf diese Weise die Prozesszeit für das Aushärten der
Klebeverbindung deutlich reduziert werden kann.
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Nach
dem Aufsetzen der Abdeckteile kann dann das Trägersubstrat 18 entfernt
werden. Dazu wird die Verbindung zwischen Trägersubstrat 18 und
dem Abdecksubstrat 1, beziehungsweise der davon abgetrennten Teile
gelöst.
Zum Beispiel kann ein unter Einwirkung von UV-Licht lösbarer Kleber
verwendet werden. Dies ist ein Beispiel dafür, daß das Ablösen des Trägersubstrats und das Aushärten der
Klebeverbindung zwischen den Abdeckteilen 21 und dem Funktionssubstrat
zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen kann. Wird für die Klebeverbindung
zwischen den Abdeckteilen 21 und dem Funktionssubstrat
ein UV-härtbarer
Kleber verwendet, löst
sich dann gleichzeitig zur Härtung
der Klebeverbindung zwischen den Abdeckteilen 21 und dem
Funktionswafer 30 unter Einwirkung des UV-Lichts die Klebeverbindung
zwischen Trägersubstrat 18 und
den Teilen des Abdecksubstrats 1.
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Da
die Teile 22 zwischen den paarweise eingefügten Gräben 20 nach
dem Ablösen
des Trägersubstrats 18 keine
Verbindung zum Funktionswafer 30 haben, werden auch diese
entfernt. Das Ergebnis, ein Verbund des Funktionswafers 30 mit
einer Vielzahl von Abdeckteilen 21, welche die Funkionsbereiche 34 des Funktionswafers 30 abdecken,
zeigt 11. Die lateralen Abmessungen
der Abdeckteile 21 sind zumindest in einer Richtung kleiner
als die Abstände,
beziehungsweise die Bereiche 39 des Funktionswafers 30 zwischen den
Trennbereichen 38. Insbesondere sind dabei die Abdeckteile 21 so
durch das Herstellungsverfahren abgetrennt und auf das Funktionssubstrat
aufgebracht worden, daß auch
die elektrischen Anschlußstellen 36 frei liegen.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel müssen die
Verfahrensschritte nicht alle in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
So kann das Befestigen des Abdeckwafers 1 auf dem Trägersubstrat 18 auch
vor dem Aufbringen und/oder Strukturieren der Photoresist-Schicht 5 oder
dem Abscheiden der Glasschicht 13 oder des Lift-offs dieser
Glasschicht 13 durchgeführt
werden. Ebenso ist es auch möglich,
das Einfügen
der Gräben 20 früher als
vorstehend beschrieben durchzuführen.
So können
die Gräben
bereits vor dem Aufbringen der Photoresistschicht 5 und/oder
deren Strukturierung, oder vor dem Abscheiden der Glasschicht 13 oder
dem Lift-off der Glasschicht 13 zusammen mit der Photoresistschicht 5 eingefügt werden.
Es ist dabei aber zweckmäßig, die
Gräben 20 nach
dem Befestigen des Abdeckwafers 1 auf dem Trägersubstrat 18
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12 zeigt
in Aufsicht einen Silizium-Chip 50, wie er durch Abtrennen
von einem entsprechend wie in 11 gezeigten
Funktionswafer 30 entlang der Trennbereiche 38 erhalten
werden kann. Das Halbleiter-Substrat 51 entspricht dabei
dementsorechend einem der Bereiche 39 zwischen Trennbereichen 38 in 11.
Der Funtkionsbereich des Chips 50 umfasst hier beispielhaft
einen oder mehrere Sensor-Bereiche 53. Diese können zum
Beispiel eine integrierte CMOS– oder
CCD-Sensoranordnung umfassen. Der Funkionsbereich, beziehungsweise
hier die Sensor-Bereiche 53 werden durch das Abdeckteil 21 abgedeckt
und befinden sich innerhalb der rahmenförmigen Struktur 15.
Die Sensor-Bereiche 53 sind
damit in der zwischen der Funktionsseite des Chips 50 und
dem Abdeckteil gebildeten Kavität 40 hermetisch
eingeschlossen. Ein direkter Kontakt mit anderen Teilen wird durch
die Kavität
vermieden, so daß die Funktion
der Sensorbereiche 53 dadurch nicht beeiträchtigt werden
kann. Insbesondere bildet das Glas-Abdeckteil 21 ein optisches
Fenster für die
Sensorbereiche 53.
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Die
Abschlußstellen 36 liegen
gut zugänglich
außerhalb
des Abdeckteils und können
so für
die elektrische Kontaktierung mittels Drahtbonden verwendet werden.
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Anhand
der 13 bis X wird im folgenden eine Variante der in 1 bis 11 gezeigten
Verfahrensschritte beschrieben, bei welcher Abdeckteile 21 mit
Kavitäten 40 hergestellt
werden, die einen Kanal mit einer Verbindung zur Umgebung aufweisen.
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13 zeigt
in perspektivischer Ansicht eine Verarbeitungsstufe entsprechend
zu 2. Auch bei dem in 13 gezeigten
Beispiel wurde der Abdeckwafer mit einer Photoresist-Schicht 5 versehen,
die anschließend
durch Belichtung und Entwicklung strukturiert wird, so daß Öffnungen 7 in
der Photoresist-Schicht 5 erzeugt werden, die rahmenförmige Bereiche 9 der
Seite 2 des Abdeckwafers 1 freilegen. Im Unterschied
zu dem in 2 gezeigten Beispiel werden
hier jedoch keine geschlossenen rahmen- oder ringförmigen Bereiche 9 freigelegt.
Vielmehr sind die von den ringförmigen Öffnungen 7 umgebenen
inneren Bereiche 11 der Photoresist-Schicht 5 über Stege 8 der
Photoresist-Schicht
mit umgebenden Bereichen der Photoresist-Schicht 5 verbunden.
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Wird
anschließend
eine strukturierte Glasschicht analog zu den anhand der 3 bis 5 erläuterten
Verfahrensschritten hergestellt, so wird ein Abdeckwafer 1 mit
rahmenförmigen
Strukturen 15 erhalten, wie er in der perspektivischen
Ansicht der 14 dargestellt ist. Aufgrund
der Stege 8 in der Photoresist-Schicht weisen die rahmenförmigen Strukturen 15 an
der Stelle der Stege 8 nun entsprechende Lücken auf.
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Wird
der Abdeckwafer nun, wie anhand der 6 bis 10 weiterverarbeitet
und mit einem Funktionswafer verbunden, so bilden diese Lücken 17 Kanäle, welche
die Kavitäten 40 mit
der Umgebung verbinden. Dies ermöglicht
es, den Verbund, wie er in 11 gezeigt
ist, auch noch im Vakuum weiterzuverarbeiten, beispielsweise, um
Schichten durch Vakuum- oder Niederdruckabscheidung, wie insbesondere
Sputtern, CVD oder Aufdampfen aufzubringen. Sind diese Schritte
abgeschlossen, können
die Kanäle,
beispielsweise durch außenseitiges
Aufbringen von Kunststoff verschlossen werden. Dieses Verschließen kann
in einer kontrollierten Schutzgas-Atmosphäre vorgenommen werden, die
beispielsweise Wasser- und/oder sauerstofffrei ist, so daß dieses
Schutzgas in den Kavitäten
eingeschlossen wird.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese
beschränkt
ist, sondern in vielfältiger
Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.