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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verkapselung von integrierten
Schaltungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung
von Kavitäten, welche in einer Verkapselung elektronische
Schaltungen umgeben.
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CCD-
und CMOS Bildsensoren für die digitale Fotografie und Videoaufzeichnungen
umfassen lichtempfindliche Pixelarrays, die im allgemeinen auf Halbleiterwafern,
insbesondere hierbei auf Siliziumwafern prozessiert werden.
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Um
diese Sensoren vor Umwelteinflüssen zu schützen,
ist es beispielsweise üblich, diese durch, ein vorgelagertes
Glasfenster zu schützen. Durch die umlaufende Abdichtung
der Glasfenster zum Silizium wird eine Cavity hergestellt, die einerseits
die Sensorfläche hermetisch abdichtet und andererseits
die Kontamination des Pixelarrays mit Staubpartikeln verhindert.
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Staubpartikel
auf dem Pixelarray würden zu direkter Abschattung einzelner
Pixel führen und den Sensor schlimmstenfalls unbrauchbar
machen. Im Gegensatz dazu sind Staubpartikel auf der Frontseite des
Abdeckglases nicht ganz so kritisch zu sehen, da diese nicht in
der Fokusebene liegen und sich eher diffus abzeichnen. Aus diesem Sachverhalt
heraus leitet sich ab, dass alle Arbeitsschritte bis zur Verkapselung
des Sensors im allgemeinen unter extremen Reinheitsbedingungen erfolgen.
Jegliche Fehler oder Nachlässigkeiten in der Kontrolle
der Reinheit führen zu dramatischen Qualitätseinbussen
und Ausbeuteeinbrüchen in der Herstellung.
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Zur
Erhaltung der optischen Eigenschaften des Pixelarrays wird zwischen
dem Abdeckglas und der Siliziumoberfläche meistens ein
Luftspalt geschaffen, da bei einer Direktverklebung die Funktion der
dem Pixelarray oftmals vorgesetzten Mikrolinsen verloren ginge.
Die Verkapselung bildet damit letztendlich einen Rahmen um die aktive
Fläche des Sensors, der die Aufgabe der hermetischen Verkapselung übernimmt
und gleichzeitig als Abstandshalter zwischen Glas und Silizium dient.
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Die
Herstellung der Sensoren erfolgt im Nutzen auf Siliziumwafern. Bei
der Verwendung von Wafer Level Packaging-Methoden kann die Verkapselung
in einem sehr frühen Verarbeitungsschritt durch einen Glaswafer
erfolgen. Dadurch wird die Gefahr von Kontamination des Sensors
während der Vereinzelung und der elektrischen Kontaktierung
praktisch ausgeschlossen. Hier liegt einer der Vorteile von Wafer
Level Packaging im Vergleich zum Verpacken des vereinzelten Sensors.
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Zum
Erzeugen der Cavities werden entweder auf dem Glas oder auf dem
Silizium Stege aufgebracht. Glasseitig kann die Ausbildung der Stege
entweder durch Abtrag im Bereich der Fenster oder durch Auftrag
von Material im Bereich der Stege erfolgen. Die Methode des Abtrages
erscheint auf den ersten Blick elegant, da keine zusätzlichen
Werkstoffe zum Einsatz kommen, erweist sich aber als technologisch
schwierig, da die erzeugten Fenster höchsten optischen
Ansprüchen genügen müssen.
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Bei
der Methode des Aufragens kommen grundsätzlich anorganische
oder organische Materialien in Frage. Als anorganisches Materialien
kommt zum Beispiel Aufdampfglas, wie es von der Anmelderin hergestellt
wird, in Betracht. Das Glas kann durch Lift-Off Technologie strukturiert
werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, die Stege aus einem
Material mit sehr geringer Permeabilität zu erzeugen, ist jedoch
im Vergleich zur Herstellung der Stege aus organischen Schichten
auch aufwendiger. Die Ausbildung von Stegen durch organische Materialien
erfolgt üblicherweise durch photolithographisch strukturierte
Polymerschichten.
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Die
Einbringung der Struktur auf den Glaswafer hat generell den Nachteil,
dass beim späteren Fügen von Silizium- und Glaswafer
eine exakte Ausrichtung der beiden mikrostrukturierten Komponenten
erreicht und während des gesamten Fügeprozesses
aufrecht erhalten werden muss. Für die Verarbeitung ist
es daher wesentlich einfacher und kostensparender, wenn die Stegstruktur
auf dem Siliziumwafer aufgebracht werden kann. In diesem Fall könnte
der Glaswafer frei von Strukturen bleiben und müsste dementsprechend
nicht oder nur grob ausgerichtet werden. Nachteil dieses Verfahrens
ist aber wiederum, dass die Stege auf den fertig prozessierten Wafer
aufgebracht werden und jeder Verarbeitungsfehler unweigerlich zum
Verlust des Wafers oder zumindest einiger Bauelemente des Wafers führt.
Der Wert eines fertig prozessierten Wafers übersteigt den
Wert des Glaswafes um ein Vielfaches. Zudem kann ein Glaswafer eventuell
nachgearbeitet werden, etwa durch chemisches Ablösen der aufgebrachten
Strukturen. Am Siliziumwafer verbietet sich aufgrund der komplexen
Oberfläche im allgemeinen nicht nur jegliche Nacharbeit,
sogar jegliche Berührung der optisch aktiven Fläche
sollte vermieden werden. Jegliche mechanische oder chemische Einwirkung
auf die Mikrolinsen kann die optische Funktion des Sensors negativ
beeinflussen.
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Die
für die nachfolgende Verarbeitung vorteilhafte Aufbringung
der Stege direkt auf dem Siliziumwafer erfordert demnach eine Aufbringungsmethode,
die absolut sicher und exakt positionierbar ist. Zudem darf die
optische Fläche nicht mit Werkzeugen oder Chemikalien in
Berührung kommen. Das Verfahren sollte wirtschaftlich und
in ausreichendem Maßstab skalierbar sein. Da ein solches
Verfahren bisher nicht bekanntist, konzentrieren sich die aktuellen
Entwicklungsaktivitäten auf die Aufbringung der Stege auf
den Glaswafer unter Inkaufnahme des hohen Aufwandes in der folgenden
Ausrichtung der Bauteile während des Fügens. Es
ist jedoch ebenfalls möglich, die Stege auf den Glaswafer
oder das jeweils verwendete Abdeckelement aufzubringen. Erforderlich
dazu ist, dass die Stege mit der nötigen Genauigkeit aufgebracht
werden, denn eine beispielsweise versetzte oder verzerrte Anordnung
der geplanten Stegstruktur mach im Nachgang eine Positionierung
des Abdeckelements unmöglich, da die Funktionsbereiche
des Funktionswafers gegebenenfalls in manchen Bereichen überhaupt
nicht mehr von den Stegen umgeben wären.
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Demgemäß liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, mit welchem Stege zur Erzeugung für Kavitäten
in einfacher und kostengünstiger Weise auch auf den Funktionswafer
oder den Deckwafer mit den zu verkapselnden elektronischen Bauelementen
aufbringbar sind.
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Kerngedanke
der Erfindung ist es, auf den Deckwafer und/oder den Funktionswafer
Stege mittels eines Ink-Jet-Druckverfahrens aufzubringen. Der Druckkopf
eines Ink-Jet-Druckers bewegt sich berührungsfrei über
das Printmedium, Berührung oder Kontamination der optischen
Flächen sind, eine ausreichende Prozesführung
vorausgesetzt, praktisch ausgeschlossen. Die Positionierung des
Druckkopfes und damit die Positionierung des Druckbildes erfolgt
in modernen Druckern auf wenige Mikrometer genau, eine Genauigkeit,
die sich mit herkömmlichen Druckverfahren kaum oder gar
nicht erreichen lässt. Es ist natürlich ebenso
möglich, dass der Druckkopf fest positioniert ist und das
Substrat, sei es der Funktionswafer oder der Deckwafer, relativ
zum Druckkopf bewegt wird oder ein Druckkopf vorliegen kann, der
den gesamten zu bedruckenden Bereich überdeckt und somit überhaupt
nicht bewegt werden muß.
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Industriell
genutzte Ink-Jet Drucker werden bereits heute zum Drucken von Polymeren
eingesetzt. Typische Anwendungsgebiete sind das Drucken von Polymerschichten
auf elektronischen Leiterplatten oder organischen Leuchtdioden (OLED). Ebenfalls
kommen direkt Ink-jet Druckverfahren unter Verwendung druckfähiger
Chemikalien im Bereich der MEMS-Technologie oder Biotechnologie
zum Einsatz.
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Gegenstand
der Erfindung ist demgegenüber der Einsatz des Direkt-Druckverfahrens
zur Aufbringung dreidimensionaler Strukturen auf vorprozessierten
Wafern zur Herstellung von Kavitäten, welche die elektronischen
Schaltkreise der in einem Wafer implementierten Bauelemente umgeben.
Das Verfahren ist besonders zur Herstellung von Kavitäten
für die funktionellen Bereiche optoelektronischer Komponenten,
insbesondere von Sensor-Schaltungen geeignet, allerdings können
Kavitäten, beziehungsweise ein durch die Verkapselung eingehaltener
Abstand der Schaltkreise zu einem Decksubstrat auch für
andere Anwendungen sinnvoll sein. Beispielsweise können
bei Hochfrequenz-Bauelementen aufgrund der niedrigen Dielektrizitätszahl
des in der Kavität eingeschlossenen Mediums dielektrische Verluste
reduziert werden.
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Allgemein
kann die Erfindung auch als die Verwendung eines schichtweisen Rapid-Prototyping-Verfahrens
zur Serienherstellung von Abstandhalter-Rahmen für die
Verpackung von Halbleiter-Bauelementen mit Abdeckelementen beschrieben
werden. Die sonst nur für die Herstellung von Prototypen
verwendeten selektiven schichtweisen Auftragsverfahren werden erfindungsgemäß also nicht
nur für Prototypen von Rahmenstrukturen, sondern vielmehr
auch für die Serienfertigung bei der Verkapselung elekronischer
Halbleiter-Bauelemente eingesetzt.
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Im
Speziellen ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur
Verkapselung von elektronischen Halbleiter-Bauelementen vorgesehen,
bei welchem ein Funktionssubstrat bereitgestellt wird, welches auf
einer Seite ein elektronisches Halbleiter-Bauelement aufweist. Das
Bauelement wird verkapselt, indem auf das Funktionssubstrat auf
der Seite mit dem elektronischen Halbleiter-Bauelement ein Rahmen
und ein insbesondere plattenförmiges Abdeckelement angeordnet
wird, wobei der Rahmen zwischen der Seite des Funktionssubstrats
mit dem elektronischen Bauelement und dem Abdeckelement angeordnet
ist und der Rahmen das Halbleiter-Bauelement oder zumindest einen
Funktionsbereich des Halbleiter-Bauelements umgibt.
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Auf
diese Weise wird eine Kavität gebildet, welche durch die
zur Seite des Funktionssubstrats weisende Seite des Abdeckelements
und der Innenseite des Rahmens, sowie durch den Oberflächenbereich
des Funktionssubstrats mit dem Halbleiter-Bauelement oder dem Funktionsbereich
des Halbleiter-Bauelements begrenzt wird. Dabei wird der Rahmen
oder zumindest ein Teil des Rahmens mittels selektivem berührungslosen
Auftragen zumindest einer Komponente eines Beschichtungsmaterials
auf ein Substrat aus einem rechnergesteuerten, relativ zum Substrat
bewegten Tintenstrahl-Druckkopf oder im Drop-on-Demand-Verfahren
und Härten oder Härten lassen des Beschichtungsmaterials
hergestellt.
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Das
Substrat, auf welchem der Rahmen, beziehungsweise zumindest ein
Teil des Rahmens aufgebracht wird, kann das Funktionssubstrat, das
Abdecksubstrat oder ein weiteres Substrat sein.
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Der
Rahmen kann zwar auch auf das Abdecksubstrat aufgebracht werden,
besonders vorteilhaft ist es aber, wenn das Beschichtungsmaterial
auf das Funktionssubstrat aufgetragen wird, da in diesem Fall eine
exakte Ausrichtung des Abdeckelements auf die Halbleiter-Bauelemente
des Funktionssubstrats entfallen kann.
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Gemäß noch
einer Weiterbildung der Erfindung kann der Rahmen aber auch auf
einem Hilfssubstrat aufgebracht, der Rahmen dann mit dem Funktionssubstrat
oder dem Abdecksubstrat verbunden und dann das Hilfssubstrat entfernt
werden. Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den
Vorteil, daß der Herstellungsprozess gut parallelisiert
werden kann. Hier ist die Herstellung der Rahmen von den Fertigungsschritten
für das Funktions- und/oder des Abdecksubstrats weitgehend
entkoppelt.
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Es
ist zwar besonders bevorzugt, jedoch nicht zwingend erforderlich,
daß der gesamte Rahmen im Tintenstrahl- Druckverfahren hergestellt
wird. Gemäß einer Ausführungsform kann
im Tintenstrahldruck und selektivem Auftrag auch eine Klebstoffschicht
selektiv auf Rahmen aufgebracht werden, die auch mit einem anderen
Verfahren hergestellt sein können. Die Klebstoffschicht
bildet dann nach dem Verbinden von Funktionssubstrat und Abdecksubstrat
einen Bestandteil der Rahmen. Dies bietet sich unter anderem dann
an, wenn beispielsweise ein Eindringen des Klebstoffes in die Kavitäten
nicht erwünscht ist. Bisher wird der Kleber vielfach durch
Abklatschen auf die Rahmen aufgetragen. Hierbei, oder beim nachfolgenden
Aufeinanderpressen von Abdecksubstrat kann Kleber auch an die inneren
Begrenzungsflächen der Kavitäten kommen oder in
die Kavitäten eindringen. Wird die Klebstoffschicht hingegen
so aufgetragen, daß beispielsweise ein Abstand zum Innenrand
der Rahmen eingehalten wird, kann dieses Problem beseitigt oder
zumindest vermindert werden. Als Herstellungsverfahren für
die Fertigung der Rahmenstrukturen kommt hier unter anderem das
Abscheiden von Glas durch thermische Verdampfung auf eine Maskenschicht
und Ablösen der Maskenschicht zusammen mit dem darauf abgeschiedenen
Glas in Betracht, wobei auf dem nicht von der Maskenschicht bedeckten
Teil des Substrats dann eine strukturierte Beschichtung zurückbleibt.
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Vorzugsweise
wird ein Druckverfahren ausgewählt, bei welchem die Herstellung
des Rahmens ohne Kontakt des vom Rahmen umgebenen Bereich des Funktionssubstrats
mit dem Beschichtungsmaterial oder einer Komponente des Beschichtungsmaterials
erfolgt. Ein Beispiel, bei welchem dies nicht der Fall ist, ist
ein Rapid-Prototyping-Verfahren, wie es aus der
WO 93/25336 bekannt ist. Hierbei
wird die gesamte Oberfläche mit einem Pulver bedeckt, welches
dann mittels eines im Drop-on-Demand-Verfahren selektiv aufgetragenen
Binders verfestigt wird.
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Besonders
bevorzugt wird ein organisches Beschichtungsmaterial aufgetragen
und durch das Härten ein Kunststoff-Rahmen hergestellt.
Es ist jedoch auf denkbar, im Drop-on-Demand-Verfahren Rahmen aus
anorganischen oder teilorganischen Materialien herzustellen. So
kann beispielsweise auch ein Sol für die Herstellung anorganischer Sol-Gel-Schichten
aufgetragen und verfestigt werden.
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Mittels
der Erfindung ist auch die Herstellung von Rahmen für bereits
vereinzelte elektronische Halbleiter-Bauelemente möglich.
Besondere Vorteile zeigen sich aber insbesondere in Verbindung mit
einer Verpackung der Bauelemente auf Waferebene, da hier bereits
in einem frühen Fertigungsstadium nach dem Aufbringen des
Abdeckelements eine Beschädigung oder Verschmutzung der
verkapselten elektronischen Komponenten vermieden wird. Demgemäß ist
in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Funktionssubstrat
ein Wafer mit einer Vielzahl von elektronischen Halbleiter-Bauelementen ist
und mittels des Tintenstrahl-Druckkopfs eine Vielzahl von Rahmen
hergestellt wird. Dabei wird ein Abdeckwafer als Abdeckelement aufgesetzt,
welcher mit den Rahmen eine Vielzahl von den Halbleiter-Bauelementen
zugeordneten Kavitäten bildet.
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Hierbei
sind zwei Formen von Rahmenstrukturen denkbar. Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung kann eine zusammenhängende
Rahmenstruktur mit einer Vielzahl von Öffnungen hergestellt
werden. Hierbei teilen sich benachbarte Rahmen jeweils zumindest
einen Steg. Gemäß einer anderen Ausführungsform
werden Rahmen hergestellt, welche durch Trennbereiche zwischen den
Stegen benachbarter Rahmen lateral beabstandet sind. Die beiden Ausführungsformen
können auch miteinander kombiniert werden, etwa, indem
Reihen oder andersartige Gruppen von zusammenhängenden
Rahmen aufgebracht werden, welche durch Trennbereiche von anderen
zusammenhängenden Rahmengruppen wiederum getrennt sind.
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Die
Ausführungsform, bei welche Stege benachbarter Rahmen lateral
durch einen Trennbereich getrennt sind, hat den Vorteil, daß in
diesen Trennbereichen Anschlußkontakte für das
Drahtbonden vorgesehen werden können, die dann nach der
Abtrennung der einzelnen Bauelemente zugänglich sind. Andererseits
ist eine Abtrennung der Bauelemente entlang der Stege einer zusammenhängenden
Rahmenstruktur von Vorteil, um eine möglichst vollständige
Verkapselung bereits auf Waferebene zu erreichen. Eine Kontaktierung
kann hierbei beispielsweise über leitende Kanäle
durch das Funktionssubstrat hindurch und einen rückseitigen
Anschluss erfolgen oder aber auch eine Umverdrahtung über
die Seitenwand umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch
Anschlussbereiche auf der Funktionsseite freigelassen werden, etwa
durch eine Kombination mit der Ausführungsform der Erfindung
mit zusammenhängenden Rahmenstrukturen.
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Wird
eine nur sehr flache Kavität benötigt, reicht
im einfachsten Fall ein einmaliger Beschichtungsvorgang zur Herstellung
des Rahmens. Bevorzugt wird jedoch, den Rahmen durch mehrmaliges sukzessives
Auftragen und Härten von Beschichtungsmaterial zu produzieren.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird ein strahlungshärtendes,
vorzugsweise UV-härtendes Material zur Herstellung des
Rahmens in einer oder mehreren Schichten aufgetragen. Gedacht ist
hier an UV-härtende Klebstoffe und Lacke. Geeignet sind
beispielsweise Acrylat-basierte Lacke und Klebstoffe. Diese enthalten
reaktive Acrylate, sowie im allgemeinen Photoinitiatoren und gegebenenfalls Reaktivverdünner
und/oder Additive. Die Viskosität von UV-Lacken ist über
die Molekulargewichtsverteilung der Acrylate, sowie gegebenenfalls
vorhandenem Reaktivverdünner einstellbar. Damit kann die
für den Auftrag mit einem Tintenstrahl-Druckkopf günstige
Viskosität des fluiden Lacks eingestellt werden. Die Photoinitiatoren
bilden unter Einwirkung von UV-Licht Radikale, welche dann die Vernetzung
der Acrylate in Gang setzen. Um eine Schicht für den Rahmen
abzuscheiden und zu verfestigen, wird demgemäß eine
Schicht des fluiden Lacks aufgetragen und diese mit UV-Licht bestrahlt.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird auf die Steg-Struktur
des Rahmens der Klebstoff aufgetragen, der dann die Verklebung mit dem
anderen Substrat, vorzugsweise mit dem Abdeckelement herstellt.
Der Klebstoff kann beispielsweise im Transferdruckverfahren aufgetragen
werden. Auf den Schritt des Klebstoffauftrags mit einem anderen
Verfahren kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
auch verzichtet und die Verpackung der Halbleiter-Bauelemente damit
weiter vereinfacht werden. Die dee ist dabei, auf die zusätzliche
Klebstoffschicht zu verzichten. Das gedruckte Polymer oder Prepolymer
hat gute Hafteigenschaften und die Aushärtung kann einfach
gesteuert werden. Zuerst werden einige Lagen des Beschichtungsmaterials
zum Aufbau der Wände aufgetragen und gehärtet.
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Darüber
werden dann eine oder mehrere weitere Lagen gedruckt, die aber vorerst
nicht gehärtet werden. das so vorbereitete Substrat, vorzugsweise
der Funktionswafer wird mit dem weiteren Substrat, vorzugsweise
einem Glaswafer gefügt und anschließend gehärtet.
Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung
das Beschichtungsmaterial auf eines der Substrate in mehreren Schritten
aufgetragen, wobei zumindest die letzte Lage oder mehrere letzte
Lagen zunächst nicht verfestigt oder höchstens
teilverfestigt werden, so daß das Beschichtungsmaterial
dieser Schichten klebfähig bleibt. Dann wird das andere
Substrat auf den Rahmen mit der Schicht des unverfestigten Beschichtungsmaterials
aufgesetzt und dann das Beschichtungsmaterial gehärtet,
so daß das gehärtete Beschichtungsmaterial eine
Klebeverbindung zwischen dem Rahmen und dem aufgesetzten Substrat bewirkt.
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Bei
Verwendung eines UV-härtenden Klebstoffes und einer direkten
Härtung, noch im Drucker, wird ein sehr genaues und trotzdem
sehr einfaches Verfahren erhalten. Demgemäß kann
diese Ausführungsform der Erfindung in sehr vorteilhafter
Weise weitergebildet werden, indem der Rahmen aus einem UV-härtenden
Lack oder einem UV-härtenden Klebstoff hergestellt und
die letzte noch unverfestigte Lage nach dem Aufsetzen des anderen
Substrats durch eines der Substrate hindurch mit UV-Licht bestrahlt
wird, so daß das Beschichtungsmaterial aushärtet
und den Rahmen mit dem aufgesetzten Substrat verbindet.
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Bei
Etablierung dieses Verfahrens können alle bezüglich
Kontamination des Sensors kritischen Prozessschritte in ein Gerät
und somit in eine Mikrozelle integriert werden. Dadurch ist eine
erhebliche Ausbeutesteigerung bei gleichzeitiger Reduktion der Investitionskosten
zu erwarten.
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Bevorzugt
wird eine Glasscheibe als Abdeckelement aufgesetzt und mit dem Funktionssubstrat über
den Rahmen unter Bildung einer Kavität verbunden. Es sind
jedoch auch andere transparente oder opake Materialien für
das Abdeckelement denkbar. Zur Verkapselung optoelektronischer Komponenten
sind selbstverständlich im zumindest für die optoelektronische
Komponente relevanten Spektralbereich transparente Substrate sinnvoll.
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Beispielsweise
kann auch ein Siliziumsubstrat als Abdeckung aufgesetzt werden,
wenn die optoelektronische Komponente zum Emittieren oder Erfassen
von Infrarotstrahlung ausgebildet ist. Auch kristalline Materialien,
wie Saphir, können für besondere Einsatzbereiche
sinnvoll sein, beispielsweise wenn eine hohe Transparenz des Abdeckelements für
UV-Licht gefordert wird. Für bestimmte Anwendungen sind
selbstverständlich auch Abdeckelemente aus Kunststoff verwendbar.
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Weiterhin
kann das Abdeckelement auch mit einer funktionellen Beschichtung,
wie etwa einer ein- oder mehrlagigen optischen Vergütung
versehen sein. Um das Verbinden mit dem Rahmen zu erleichtern, weist
das Abdeckelement weiterhin besonders bevorzugt eine ebene Seite
auf, mit welcher das Abdeckelement auf den Rahmen aufgesetzt wird.
Auch die gegenüberliegende Seite ist im einfachsten Fall eben,
so daß das Abdeckelement die Form einer beidseitig ebenen
Platte hat. Alternativ können auf der gegenüberliegenden
Seite aber auch Strukturen, wie etwa optische Komponenten vorhanden
sein.
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Wird
die Erfindung auf eine Verpackung elektronischer Komponenten bereits
auf Waferebene eingesetzt, so wird als Zwischenprodukt für
die Herstellung verkapselter elektronischer Halbleiter-Bauelemente
ein Waferverbund erhalten, welcher einen Funktionswafer mit einer
Vielzahl von darauf hergestellten Halbleiter-Bauelementen, vorzugsweise
ein Siliziumwafer, vorzugsweise mit optischen Bildsensoren als Halbleiter-Bauelementen
umfasst, wobei auf der Seite des Funktionswafers mit den Halbleiter-Bauelementen
ein Glaswafer angeordnet ist, welcher über eine Kunststoff-Rahmenstruktur
mit Aussparungen um die Halbleiter-Bauelemente oder um Funktionsbereiche
der Halbleiter-Bauelemente mit dem Funktionswafer verbunden und
von diesem durch die Kunststoff-Rahmenstruktur beabstandet ist,
wobei das Material der Kunststoff-Rahmenstruktur in mehreren Lagen
aufgetragen und ausgehärtet ist.
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Durch
Abtrennung aus diesem Waferverbund wird dann entsprechend ein verkapseltes
Halbleiter-Bauelement erhalten, welches ein Funktionssubstrat mit
einem Halbleiter-Bauelement, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat umfasst.
Bevorzugt umfasst das Halbleiter-Bauelement dabei einen optischen
Bildsensor als Bauelement. Auf der Seite des Funktionssubstrats
mit dem Halbleiter-Bauelement ist ein Abdeckelement, vorzugsweise
ein Glaselement angeordnet, welches über einen Kunststoff-Rahmen
mit einer Aussparung um das Halbleiter-Bauelement oder um einen
Funktionsbereich des Halbleiter-Bauelements mit dem Funktionssubstrat verbunden
und von diesem durch den Kunststoff-Rahmen beabstandet ist, wobei
das Material des Kunststoff-Rahmens in mehreren Lagen aufgetragen
und ausgehärtet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher
erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Teile. Es zeigen:
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1 bis 4 Verfahrensschritte
zur Herstellung eines Waferverbunds mit Kavitäten, welche die
Halbleiter-Bauelemente eines Funktionswafers umschließen,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Funktionswafers mit Rahmenstruktur,
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6 eine
Variante mit Rahmen, deren Stege lateral beabstandet sind,
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7 bis 9 eine
Variante der in 1 bis 3 gezeigten
Verfahrensschritte.
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Anhand
der 1 bis 4 werden anhand von schematischen
Querschnittansichten Verfahrensschritte zur Herstellung eines Waferverbunds
mit verkapselten Halbleiter-Bauelementen und Kavitäten beschrieben.
Das Verfahren basiert darauf, daß ein Funktionssubstrat
in Form eines Funktionswafers 1 mit Seiten 10, 11 bereitgestellt
wird, welches auf einer Seite 10 eine Vielzahl elektronischer
Halbleiter-Bauelemente 3 aufweist, und wobei die Halbleiter-Bauelemente 3 verkapselt
werden, indem auf den Funktionswafer 1 auf der Seite mit
den elektronischen Halbleiter-Bauelementen 3 eine Vielzahl
von Rahmen und ein Abdeckelement angeordnet wird, wobei die Rahmen
zwischen der Seite des Funktionswafers 1 mit den elektronischen
Halbleiter-Bauelementen 3 und dem Abdeckelement angeordnet
ist. Dabei umgeben die Rahmen jeweils die Halbleiter-Bauelemente 3 oder
zumindest einen Funktionsbereich der Halbleiter-Bauelemente 3,
so daß Kavitäten gebildet werden, welche durch
die zur Seite 10 des Funktionswafers 1 weisende
Seite des Abdeckelements und der Innenseite des Rahmens, sowie durch
den Oberflächenbereich des Funktionswafers 1 mit
den Halbleiter-Bauelementen 3 oder dem Funktionsbereich
der Halbleiter-Bauelemente begrenzt wird. Dabei werden die Rahmen
mittels selektivem berührungslosen Auftragen zumindest
einer Komponente eines Beschichtungsmaterials auf eines der Substrate,
also dem Funktionswafer 1 oder dem Abdeckelement aus einem rechnergesteuerten, über das
Substrat bewegten Tintenstrahl-Druckkopf und Härten des
Beschichtungsmaterials hergestellt.
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Die
Rahmen werden dabei schichtweise aus mehreren aufeinanderliegenden
Lagen hergestellt. 1 zeigt dazu einen ersten Herstellungsschritt. Auf
den Funktionswafer 1 wird eine erste Lage 51 der Rahmen
in Form einer zusammenhängenden Struktur mittels des Tintenstrahl-Druckkopfs 9 hergestellt, indem
der Tintenstrahl-Druckkopf gesteuert mittels des Rechners 17 über
den Funktionswafer 1 bewegt und dabei unter Ansprechen
auf Steuersignale des Rechners 17 die Lage 51 durch
Abgabe von Tröpfchen 15 aus den Düsen 13 des
Tintenstrahl-Druckkopfs 9 abgibt. Diese Beschichtung im
Drop-on-Demand-Verfahren erfolgt berührungslos, so daß eine Beeinträchtigung
der Halbleiter-Bauelemente 3 durch die Herstellung der
Rahmenstruktur vermieden wird. Die Lage 51 wird durch die
rechnergesteuerte Beschichtung so hergestellt, daß sie Öffnungen 7 aufweist,
welche die Halbleiter-Bauelemente 3 umgeben und jeweils
den Innenrand eines Rahmens bilden.
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Als
Beschichtungsmaterial wird ein UV-härtender Lack verwendet.
Mittels einer Lichtquelle 19 wird dann das aufgetragene
Material der Lage 51 gehärtet. Dabei werden durch
das Licht der Lichtquelle 19 Photoinitiatoren aufgespalten
und bilden Radikale, welche die Vernetzung und/oder Polymerisation der
Präpolymere des Lacks, vorzugsweise Acrylate, in Gang setzen.
Demgemäß handelt es sich bei der Härtungsreaktion
um eine radikalische Polymerisation.
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2 zeigt
den Funktionswafer mit fertig aufgetragener erster Lage 51.
Der Tintenstrahl-Druckkopf 9 trägt hier nun eine
zweite Lage 52 deckungsgleich zur ersten Lage auf. Es kann
allgemein, ohne Beschränkung auf das abgebildete Beispiel
gegebenenfalls günstig sein, wenn die Stegbreite der weiteren
Lagen reduziert wird, so daß die Öffnungen in
der zweiten Lage 52 etwas größer ist
als die Öffnung der ersten Lage und die Öffnungen 7 der Rahmen
sich vom Funktionswafer 1 weg nach oben hin konisch erweitern.
Dies kann günstig sein, um zu vermeiden, daß das
fluide Beschichtungsmaterial in die Öffnung 7 der
unteren Lagen hineinläuft und die Halbleiter-Bauelemente 3,
beziehungsweise deren freizuhaltende Funktionsbereiche bedeckt.
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3 zeigt
den Funktionswafer 1 nach dem vollständigen Aufbringen
und Härten einer dritten Lage 53. Die Lagen 51 bis 53 bilden
dann eine Vielzahl zusammenhängender Rahmen 5 mit Öffnungen 7.
Auf die gehärtete Lage 53 sind außerdem
noch zwei weitere Lagen 54 und 55 aufgebracht,
diesmal jedoch ohne diese Lagen 54, 55 vollständig
auszuhärten. Um ein vollständiges Aushärten
zu vermeiden, wird die Lichtquelle entweder ausgeschaltet, oder
wie in 3 dargestellt, geblockt oder zumindest gedimmt,
um eine Teilverfestigung zu erzielen. Das Beschichtungsmaterial
dieser Lagen 54, 55 ist also noch weich und klebfähig.
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Nun
wird, wie in 4 gezeigt, ein Glaswafer 20 mit
Seiten 21, 22 als Abdeckelement auf die Rahmen 5 aufgesetzt
und in Kontakt mit dem noch weichen oder fluiden UV-Lack der Lagen 54, 55 gebracht,
die zusammen eine gemeinsame Klebstoffschicht 57 bilden.
Diese wird ausgehärtet, indem sie durch den Glaswafer 20 hindurch
mit UV-Licht der Lichtquelle 19 bestrahlt wird.
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Auf
diese Weise wird dann ein Waferverbund 40 erhalten,, umfassend
einen Funktionswafer 1 mit einer Vielzahl von darauf hergestellten
Halbleiter-Bauelementen 3, vorzugsweise ein Siliziumwafer, vorzugsweise
mit optischen Bildsensoren als Halbleiter-Bauelementen 3,
wobei auf der Seite 10 des Funktionswafers 1 mit
den Halbleiter-Bauelementen 3 ein Glaswafer 20 angeordnet
ist, welcher über eine Kunststoff-Rahmenstruktur mit Aussparungen 7 um die
Halbleiter-Bauelemente 3 oder um Funktionsbereiche der
Halbleiter-Bauelemente 3 mit dem Funktionswafer 1 verbunden
und von diesem durch die Kunststoff-Rahmenstruktur beabstandet ist,
wobei das Material der Kunststoff-Rahmenstruktur in mehreren Lagen 51, 52, 53 aufgetragen
und ausgehärtet ist. Durch die Rahmen 5 und den
darauf befestigten Glaswafer 20 werden insbesondere auch
Kavitäten 27 gebildet, welche durch die zur Seite 10 des
Funktionswafers 1 weisende Seite 21 des Glaswafers
und der Innenseite der Rahmen, beziehungsweise deren Öffnungen 7,
sowie durch den Oberflächenbereich des Funktionswafers 1 mit
den Halbleiter-Bauelementen 3 begrenzt werden.
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Es
ist auch daran gedacht, verschiedene Beschichtungsverfahren zur
Herstellung der Rahmen zu kombinieren. Beispielsweise können
die ersten Lagen der Rahmenstruktur auch mit einem anderen Beschichtungsverfahren
hergestellt und nur die zur Verklebung gedachten Lagen 54, 55 durch
Tintenstrahldruck aufgetragen werden. Ein mit dem Tintenstrahldruck
kombinierbares Verfahren ist beispielsweise die Vakuumabscheidung
des Rahmenmaterials auf die mit einer vorzugsweise photolithographisch
strukturierte Maskenschicht. Nach Entfernen der Maskenschicht zusammen
mit dem auf der Maskenschicht abgeschiedenen Material bleibt dann
eine entsprechend strukturierte Beschichtung zurück. Besonders
geeignet für die Abscheidung ist dabei das thermische Aufdampfen,
insbesondere von Glas. Mit diesem Verfahren können hohe
Abscheideraten erzielt werden, so daß auch höhere
Rahmen in angemessener Zeit herstellbar sind. Als besonders geeignet
für die Verdampfung erweisen sich dabei Borosilikat-Gläser,
deren Ausdehnungskoeffizient überdies gut an den von Silizium
anpassbar ist. Borosilikatgläser eignen sich daher besonders
gut in Kombination mit Silizium-Funktionswafern.
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Um
vereinzelte Chips oder Komponenten mit jeweils einem der Halbleiter-Bauelemente 3 zu
erhalten, kann der Waferverbund anschließend entlang von
Trennlinien 30 zwischen den Halbleiter-Bauelementen 3 entlang
der Stege der Rahmenstruktur aufgetrennt werden.
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Bei
dem anhand der 1 bis 4 gezeigten
Beispiel sind die Rahmen 5 in Form einer zusammenhängenden
Rahmenstruktur 59 mit einer Vielzahl von Öffnungen 7 hergestellt
worden. Vereinzelte, voneinander getrennte Rahmen 5 entstehen
dabei erst nach dem Dicen, beziehungsweise Sägen des Waferverbunds 40 entlang
der Trennlinien 30. 5 zeigt
zur Verdeutlichung den Funktionswafer 1 mit der Rahmenstruktur
in perspektivischer Ansicht. Die Ansicht entspricht dem in 3 dargestellten
Verarbeitungszustand.
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6 zeigt
eine Variante des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels.
Bei dieser Variante werden die Rahmen 5 nicht als zusammenhängende Rahmenstruktur 59,
sondern als vereinzelte Rahmen 5 aufgebracht, wobei die
erhabenen Stege direkt benachbarter Rahmen 5 durch Trennbereiche
beabstandet sind. Mitten durch die Trennbereiche verlaufen wieder
die gedachten Trennlinien 27, entlang derer später
die Abtrennung einzelner Bausteine erfolgt. Die Herstellung der
Rahmen 5 erfolgt ansonsten vollständig analog
zu dem Herstellungsverfahren, wie es anhand der 1 bis 4 erläutert
wurde.
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Bei
der in 6 gezeigten Variante können auf der Seite 10 außerhalb
der Rahmen 5 jeweils Anschlusskontakte 31 für
die Schaltkreise der elektronischen Halbleiter-Komponenten 3 vorgesehen
werden, so daß die Anschlusskontakte nach dem Aufsetzen
und Fixieren des Glaswafers auf der Seite 10 des Funktionswafers 1 zugänglich
sind und die Bausteine durch Drahtbonden an den Anschlußkontakten 31 angeschlossen
werden.
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Alle
bisher dargestellten Beispiele beziehen sich auf eine Verpackung
der elektronischen Halbleiter-Komponenten auf Waferebene. Hierbei
weist die Erfindung besondere Vorteile auf, da nachteilige Einwirkungen
auf die Bauelemente bereits vor dem Dicen durch Schützen
mit einem Abdeckelement verhindert werden. Allerdings kann die Erfindung
ebenso auch zur Herstellung von Rahmenstrukturen für bereits
vereinzelte Chips eingesetzt werden. Die Chips können dabei
beispielsweise nebeneinander auf einem Träger gehaltert
werden. Die Herstellung der Rahmen kann dann ebenso wie anhand der 1 bis 4 erläutert
wurde, vorgenommen werden, wobei sich dann selbstverständlich
das Aufdrucken bereits getrennter Rahmen anbietet. Allerdings kann
ein gemeinsames scheibenförmiges Abdeckelement aufgeklebt
werden, welches dann zwischen den Rahmen zersägt wird,
so daß die Bauelemente wieder vereinzelt werden. Alternativ
können aber auch einzelne Abdeckelemente aufgesetzt werden.
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Anhand
der 7 bis 9 wird nachfolgend eine Variante
der in 1 bis 3 gezeigten Verfahrensschritte
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die
Rahmen nicht auf den Funktionswafer 1 oder dem als Abdecksubstrat
verwendeten Glaswafer 20, sondern auf ein Hilfssubstrat
aufgetraten. Das Verfahren basiert darauf, die Rahmen auf einem
Hilfssubstrat aufzubringen, die Rahmen dann mit dem Funktionssubstrat
oder dem Abdecksubstrat zu verbinden und anschließend das Hilfssubstrat
zu entfernen.
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7 zeigt
dazu die auf einem Hilfssubstrat 60 aufgetragenen Rahmen.
Die Herstellung der Rahmen 5 entspricht dabei der Verarbeitung
anhand der 1 bis 3, wobei
anstelle des Funktionswafers 1 das Hilfssubstrat als Träger
für die Rahmen dient. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
können die letzte Lage 55 oder die letzten beiden
Lagen 54 und 55 ohne vollständige Härtung
aufgetragen werden. Das Hilfssubstrat 60 wird dann mit
der Seite, welche die Rahmen 5 trägt, auf die
Seite 10 des Funktionswafers 1 aufgesetzt, so
daß die elektronischen Halbleiter-Bauelemente 3 innerhalb
der Öffnungen 7 der Rahmen 5 angeordnet
sind. Diesen Verarbeitungszustand zeigt 8. Mittels
einer Lichtquelle 19 können dann auch die letzten
beiden Lagen 54, 55 ausgehärtet werden,
so daß eine Verklebung der Rahmen mit dem Funktionswafer 1 erzielt
wird. Es bietet sich hierbei an, ein transparentes Hilfssubstrat 60 zu
verwenden, um das Licht durch das Hilfssubstrat 60 auf
die nicht ausgehärteten Lagen 54, 55 richten
zu können.
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Sind
die Rahmen 5 mit dem Funktionssubstrat 1 verbunden,
kann anschließend das Hilfssubstrat 60 entfernt
werden. Das Resultat zeigt 9. Das so erhaltene
Teil entspricht dementsprechend nun dem in 3 gezeigten,
mit der Rahmenstruktur versehenen Funktionswafer 1. Zur
Herstellung des Waferverbunds wird dann auf die Rahmenstruktur wieder
der Abdeckwafer aufgesetzt und befestigt. Beispielsweise kann zur
Verbindung der Rahmenstruktur mit dem Glaswafer eine Klebstoffschicht
auf die Rahmenstruktur durch Abklatschen oder wiederum durch Tintenstrahl-Beschichtung
aufgetragen werden.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf
die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt ist,
sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden
kann. Insbesondere können die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele auch
miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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