DE102007043526A1

DE102007043526A1 - Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips und entsprechend hergestellter Chip

Info

Publication number: DE102007043526A1
Application number: DE102007043526A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kramer; Stefan Pinter; Simon Armbruster; Matthias Palo Alto Illing; Matthias Boehringer; Hubert Benzel; Frieder Haag
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: WO2009033871A1; JP2010538847A; EP2191503A1; DE102007043526B4; US8405210B2; US20100283147A1; KR20100061469A; CN101803003A

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für Chips vorgeschlagen, mit dem möglichst viele Verfahrensschritte im Waferverbund, also parallel für eine Vielzahl von auf einem Wafer angeordneten Chips, durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität, ausgehend von der Oberflächenschicht (2) eines Substrats (1), realisiert wird. Bei diesem Verfahren wird die Oberflächenschicht (2) strukturiert und mindestens ein Hohlraum (3) unter der Oberflächenschicht (2) erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche (5) lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat (1) verbunden sind und/oder so dass die einzelnen Chipbereiche (5) über Stützelemente (7) im Bereich des Hohlraums (3) mit der Substratschicht (4) unterhalb des Hohlraums (3) verbunden sind. Beim Vereinzeln der Chips werden die Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) aufgetrennt. Erfindungsgemäß wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse (10) eingebettet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität ausgehend von der Oberflächenschicht eines Substrats realisiert wird. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Oberflächenschicht des Substrats strukturiert und es wird mindestens ein Hohlraum unter der Oberflächenschicht erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat verbunden sind und/oder über Stützelemente im Bereich des Hohlraums mit der Substratschicht unterhalb des Hohlraums verbunden sind. Beim Vereinzeln des Chips am Ende des Herstellungsprozesses werden die Aufhängestege und/oder Stützelemente aufgetrennt.
Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechend gefertigten Chip.
Üblicherweise erfolgt die Prozessierung der Funktionalität von Halbleiterchips nicht einzeln sondern für eine Vielzahl von Halbleiterchips gleichzeitig, im Verbund auf einem Halbleiterwafer. Auf einem solchen Wafer können je nach Chipgröße und Wafergröße einige Tausend Bauelemente angeordnet werden, die dann am Ende des Herstellungsverfahrens vereinzelt werden müssen.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 036 A1 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem das Vereinzeln der Chips vereinfacht werden soll. Dieses Verfahren lässt sich insbesondere auch bei der Herstellung von abgedünnten Chips einsetzen, deren Funktionalität lediglich in einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats realisiert wird. Die seitlichen Chipgrenzen werden hier mit Hilfe von Ätzgräben festgelegt, die die Oberflächenschicht des Substrats vollständig durchdringen. Außerdem werden mit oberflächenmikromechanischen Verfahren Hohlräume unterhalb der Oberflächenschicht erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche lediglich über Stützelemente im Bereich eines Hohlraums mit der Substratschicht unterhalb dieses Hohlraums verbunden sind. Zum Vereinzeln der Chips werden diese Stützelemente dann mechanisch aufgetrennt, beispielsweise in einem Abgreifprozess im Rahmen der Einzelchipmontage.
Die Oberflächen der nach dem bekannten Verfahren gefertigten Chips sind ungeschützt. Sie müssen nachträglich einzeln, also sequenziell, passiviert werden. Dies erweist sich in der Praxis insbesondere bei extrem dünnen Chips als problematisch.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für Chips vorgeschlagen, bei dem möglichst viele Verfahrensschritte im Waferverbund, also parallel für eine Vielzahl von auf einem Wafer angeordneten Chips, durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird dazu bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse eingebettet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also alle Chips am Ende der Prozessierung in einem einzigen Prozessschritt auf Waferebene mit einer Kunststoffverpackung versehen. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich eine wie eingangs beschrieben strukturierte Oberflächenschicht, die nur über Aufhängungen und/oder Stützelemente mit dem Trägersubstrat verbunden ist, so weitgehend in Kunststoff einbetten lässt, dass die resultierende Kunststoffummantelung eine gute Oberflächenpassivierung für die Chips bildet. Diese Kunststoffummantelung vereinfacht insbesondere bei extrem dünnen Chips zudem das Handling bei der nachfolgenden Vereinzelung und Montage deutlich.
Um die Chips erfindungsgemäß im Waferverbund in eine Kunststoffmasse einzubetten, muss diese nicht nur auf die strukturierte Oberflächenschicht aufgebracht werden, sondern auch in die Hohlräume unter der strukturierten Oberflächenschicht eingebracht werden. In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats dazu mit der Kunststoffmasse umspritzt. Damit kann eine sehr gute Oberflächenüberdeckung erzielt werden, insbesondere, wenn das Umspritzen unter Vakuum erfolgt. Als Kunststoffmasse können beispielsweise Epoxide, Biphenyle oder auch multiaromatische Harze verwendet werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest der die Chips bildende Bereich der strukturierten Oberflächenschicht zusammen mit der diesen Bereich umgebenden Kunststoffmasse in einem Block, also in einem einzigen Prozessschritt, vom übrigen Substrat abgenommen wird. Dazu muss die Haftung zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Substratmaterial überwunden werden. Außerdem müssen die entsprechenden Aufhängestege und/oder etwaige Stützelemente aufgetrennt werden. Die mit Kunststoff ummantelten Chips können danach einfach mit herkömmlichen Verfahren vereinzelt werden, beispielsweise durch Sägen oder Laserschneiden.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Chips nicht nur im Waferverbund verpackt sondern auch im Waferverbund für eine Flip-Chip-Montage präpariert. Dazu werden die Chipbereiche vor dem Einbetten in die Kunststoffmasse mit Lotbumps versehen. Erst danach wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats in die Kunststoffmasse eingebettet, und zwar so dass die Lotbumps aus der Kunststoffmasse herausragen. Die so verpackten Chips können nach dem Vereinzeln einfach unter Verwendung der Lotbumps elektrisch kontaktiert und montiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
1a zeigt einen schematische Längsschnitt durch ein Substrat nach dem Erzeugen von Hohlräumen unter einer Oberflächenschicht und
1b zeigt einen Horizontalschnitt durch das in 1a dargestellte Substrat im Bereich der Hohlräume unter der Oberflächenschicht.
2 zeigt das in 1a dargestellte Substrat im Längsschnitt nach einer Strukturierung der Oberflächenschicht und nach dem Prozessieren von Schaltungen in den Chipoberflächen.
3 zeigt das in 2 dargestellte Substrat im Längsschnitt nach dem Aufbringen von Lotbumps und nach dem Einbetten der Oberflächenschicht in eine Kunststoffmasse.
4 zeigt das in 3 dargestellte Substrat im Längsschnitt beim Abnehmen der mit Kunststoff ummantelten Oberflächenschicht.
5 zeigt die aus dem in 4 dargestellten Verbund gewonnenen Chips nach dem Vereinzeln.
Ausführungsformen der Erfindung
In den 1 bis 5 sind beispielhaft für eine Vielzahl von Chips zwei Chipbereiche in aufeinander folgenden Stadien des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Dementsprechend werden für alle Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von extrem abgedünnten Chips, ohne dass die hier in Rede stehende Erfindung auf diese Art von Chips beschränkt ist. Wesentlich ist lediglich, dass die Funktionalität der Chips, d. h. die elektrischen Schaltungselemente und ggf. die mechanischen Strukturelemente, ausgehend von einer Oberflächenschicht 2 eines Substrats 1 realisiert werden. Dazu können diese Schaltungs- und Strukturelemente entweder direkt in die Oberflächenschicht 2 integriert werden, wie im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, oder auch in einen Schichtaufbau auf dieser Oberflächenschicht.
Die 1a und 1b zeigen das Substrat 1, nachdem zwei Hohlräume 3 unter der Oberflächenschicht 2 erzeugt worden sind, und zwar unter den Bereichen der Oberflächenschicht 2, in denen jeweils ein Chip realisiert werden soll. Diese beiden quadratischen, membranartigen Chipbereiche 5 sind von einer Umrandung 6 des Substratmaterials begrenzt und werden jeweils durch fünf im Bereich der Hohlräume 3 angeordnete Stützelemente 7 aus Substratmaterial unterstützt und für die nachfolgende Prozessierung fixiert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Form, Anzahl und Lage der Stützelemente beliebig gewählt werden können, solange deren Durchmesser in der Größenordnung der Membrandicke liegt. So können beispielsweise neben säulenartigen Stützelementen auch linienförmige Stützmauern realisiert werden. Die Hohlräume 3 werden bevorzugt mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik, wie z. B. dem APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) Verfahren, erzeugt, wobei auch die Stützelemente 7 als Verbindung des jeweiligen Chipbereichs 5 mit der Substratschicht 4 unterhalb des Hohlraums 3 ausgebildet werden.
Nachdem die Chipbereiche 5 mit Hilfe der Hohlräume 3 unterhalb der Oberflächenschicht 2 definiert worden sind, werden auch die Chipränder freigelegt, indem die Oberflächenschicht 2 entsprechend strukturiert wird. dazu wird vorzugsweise ein Trenchprozess verwendet, da dieses Strukturierungsverfahren die Realisierung beliebiger Chipformen mit oder ohne dünne Aufhängungs- bzw. Verbindungsstege in der Oberflächenschicht 2 erlaubt. Erst danach werden Halbleiterschaltungen 8 mit Leiterbahnen und Bondpads in die Chipbereiche 5 der Oberflächenschicht 2 diffundiert. Das Ergebnis dieses Verfahrensschritts ist in 2 dargestellt, wo die Trenchgräben mit 9 bezeichnet sind.
Die Chips des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels werden für eine Flip-Chip-Montage präpariert. Dazu werden die Halbleiterschaltungen 8 auf den Chipoberflächen jeweils mit Lotbumps 10 versehen, bevor die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht 2 des Substrats 1 erfindungsgemäß in eine Kunststoffmasse 11 eingebettet wird. Dazu kann das Substrat 1 einfach in einem Wafer Molding Verfahren mit einer geeigneten Kunststoffmasse überspritzt werden. Um sicher zu stellen, dass die Kunststoffmasse 11 die Hohlräume 3 unter der strukturierten Oberflächenschicht 2 vollständig ausfüllt, wird das Moldwerkzeug vorteilhafterweise evakuiert. 3 veranschaulicht, dass die Lotbumps 10 als elektrische Kontaktierung der Chips beim Übermolden geschützt werden, so dass sie aus der Kunststoffumhüllung 11 herausragen und später, bei der Chipmontage noch lötbar sind.
Der gemoldete Block mit sämtlichen in Kunststoffmasse 11 eingebetteten Chips wird dann in einem Prozessschritt vom übrigen Substrat 1 abgehoben, was in 4 dargestellt ist. Dabei werden die Stützelemente 7 und etwaige in der Oberflächenschicht 2 ausgebildete Aufhängestege aufgetrennt. Da die Haftung von Moldcompound auf blankem Silizium, das häufig als Substratmaterial verwendet wird, nicht sehr gut ist, lässt sich der gemoldete Block in diesen Fällen mit vergleichsweise geringem Aufwand vom übrigen Substrat lösen. Das Abheben des Kunststoffblocks kann aber auch durch eine Scher- oder Schälbewegung oder durch den Einsatz von Ultraschall unterstützt werden.
Erst danach erfolgt die Vereinzelung der bereits verpackten Chips 12 durch Sägen oder Laserschneiden des Verbunds aus Kunststoffmasse 11 und strukturierter Oberflächenschicht 2 im Bereich der Trenchgräben 9 zwischen den einzelnen Chipbereichen 5. Die so gewonnenen Chips 12 sind in 5 dargestellt. Wie bereits erwähnt, ragen die Lotbumps 10 aus der Kunststoffumhüllung 11 der einzelnen Chips 12 heraus. Da die Oberfläche der Chips 12 bereits durch die Kunststoffummantelung 11 passiviert ist, wird bei einer anschließenden Flip-Chip-Montage kein Underfill benötigt. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass bedingt durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in der Außenfläche der Kunststoffumhüllung 11 Aufhängestege und/oder Stützelemente 7 zu erkennen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10350036 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität ausgehend von der Oberflächenschicht (2) eines Substrats (1) realisiert wird, – bei dem die Oberflächenschicht (2) strukturiert wird und mindestens ein Hohlraum (3) unter der Oberflächenschicht (2) erzeugt wird, so dass die einzelnen Chipbereiche (5) lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat (1) verbunden sind, und/oder so dass die einzelnen Chipbereiche (5) über Stützelemente (7) im Bereich des Hohlraums (3) mit der Substratschicht (4) unterhalb des Hohlraums (3) verbunden sind, und – bei dem die Chips vereinzelt werden, wobei die Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) aufgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse (10) eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umspritzen unter Vakuum erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffmasse (10) ein Epoxid, ein Biphenyl oder ein multiaromatisches Harz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der die Chips bildende Bereich der strukturierten Oberflächenschicht (2) zusammen mit der diesen Bereich umgebenden Kunststoffmasse (10) vom übrigen Substrat (1) abgenommen wird, wobei die entsprechenden Aufhängestege und/oder etwaige Stützelemente (7) aufgetrennt werden, und dass die in die Kunststoffmasse (10) eingebetteten Chips erst danach vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche (5) mit Lotbumps (9) für eine Flip-Chip-Montage versehen werden und dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) dann so in die Kunststoffmasse (10) eingebettet wird, dass die Lotbumps (9) aus der Kunststoffmasse (10) herausragen.
Chip (11) mit einer Kunststoffumhüllung (10) und aus der Kunststoffumhüllung (10) herausragenden Lotbumps (9), hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenfläche der Kunststoffumhüllung (10) Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) zu erkennen sind, die vom Herstellungsverfahren des Chip (11) herrühren.