DE102008025599A1 - Gehäuste aktive Mikrostrukturen mit Direktkontaktierung zu einem Substrat - Google Patents

Gehäuste aktive Mikrostrukturen mit Direktkontaktierung zu einem Substrat Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Bauteil mit Mikrosensoren oder anderen aktiven Mikrobauelementen, umfassend ein Substrat (1), z.B. einen Wafer oder ein ASIC, das mit elektrischen Leiterbahnen, vorzugsweise mit einer oder mehreren Halbleiterschaltungen versehen ist, sowie auf dem Substrat angeordnet mindestens ein Gehäuse (2, 3, 4) mit einer oder mehreren darin befindlichen aktiven Mikrostrukturen (5), insbesondere Sensoren, wobei mindestens eine, vorzugsweise jede der aktive(n) Strukturen durch das sie umgebende Gehäuse (4, 5, 6) hindurch elektrisch (7, 8) an eine elektrische Leiterbahn des Substrats und vorzugsweise an eine Halbleiterschaltung ankontaktiert ist. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Bodenelement und einem Deckelelement gebildet, zwischen denen sich die aktive(n) Struktur(en) befindet/befinden, die über einen Versiegelungsrahmen (3; 30, 40) miteinander verbunden sind, der den Abstand zwischen den Oberflächen von Boden- und Deckelelement bestimmt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrobauelemente wie z. B. Mikrosensoren, die über ihr Gehäuse direkt an einem Substrat, insbesondere einem solchen mit einer Halbleiterschaltung zur Signalauswertung (ASIC), ankontaktiert sind.
  • Die heutigen mikrosystemtechnischen Bauelemente werden vorzugsweise mit Herstellungsverfahren der Halbleitertechnik gefertigt. Dadurch können kostengünstig viele Bauteile gleichzeitig hergestellt werden. Diese Bauteile sind jedoch, bedingt durch ihre sehr kleinen Abmessungen, häufig sehr empfindlich und müssen deshalb in den überwiegenden Fällen während des Betriebs bzw. auch schon während der Fertigung gegen äußere Einflüsse geschützt werden. Dies wird bewerkstelligt, indem diese Bauteile durch Schutzkappen hermetisch verschlossen werden.
  • Verkappungsverfahren sind schon länger bekannt. Oft angewendet wird dabei, dass separate Deckelchips (Deckelwafer) mit einem die aktiven Strukturen enthaltenden Wafer verbunden werden. Ebenfalls schon länger bekannt sind Verfahren, die einen MST-Wafer (MikroSystemTechnik-Wafer) auf Waferebene verkapseln. Dabei wird ein Wafer, der beispielsweise aus Glas oder Silizium bestehen kann und in der Regel eine oder mehrere Kavitäten zur Aufnahme der aktiven Bauelement-Teile enthält, mittels einer anodischen Verbindung oder durch Einsatz von Glasloten verbunden. Weniger verbreitet in der Waferverbindungstechnik ist der Einsatz von metallischen oder metallhaltigen Loten.
  • Die Aufbau- und Verbindungstechnik für mikrosensorische und andere aktive Mikrobauelemente muss sich unter anderem mit den folgenden Problemen beschäftigen: Zwischen den Sensorelementen und einer elektronischen Auswerteschaltung (die z. B. Schaltkreise zur Ansteuerung des bzw. der Sensorelemente, zur Messung von deren Signalen und zur Kommunikation mit externen elektrischen Schaltkreisen aufweist) müssen elektrische Verbindungen geschaffen werden. Weiterhin müssen die häufig extrem empfindlichen mikrosensorischen Bauteile und/oder die Halbleiterschaltung vor schädlichen Umgebungseinflüssen wie übermäßiger mechanischer Belastung, störender elektromagnetischer Strahlung und unerwünschten Partikeln geschützt werden. Auch der Schutz vor Flüssigkeiten, Gasen oder Elementarteilchen kann erforderlich sein. Schließlich muss das aktive System, also das aktive Bauteil wie Sensor/Aktuator oder eine Kombination von solchen Bauteilen, in ein Zielsystem integriert werden, z. B. eine Leiterplatte, ein Gehäuse oder eine Oberfläche, die Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Umgebungseinflüsse können sowohl störender Art sein (z. B. die oben beschriebenen Einflüsse oder aber ein ungeeigneter Gasdruck, eine unerwünschte Gaszusammensetzung), weshalb sie abzuhalten sind, oder sie können nützlich sein (z. B. eine zu detektierende Bewegungsänderung oder Temperatur), weshalb letztere ungestört im Innern des Bauelements feststellbar sein sollen. Anstelle einer direkten Sensorkopplung zwischen Messgröße und Detektionseinheit kann auch ein geeignetes Medium (z. B. Flüssigkeit oder eine optische Linse) die für das sensorische System relevante Messgröße an den Sensor heranführen. Die Integration wird z. B. erleichtert, indem der Bauraum, die Bauhöhe oder die benötigte Grundfläche verkleinert werden.
  • Ein weiteres Problem stellt die Ankontaktierung dar. Diese Fragestellung ist umso schwieriger zu lösen, je mehr Kontakte die Sensoren aufweisen und je kleiner die zu übertragenden elektrischen Signale sind. Insbesondere für komplette Inertialmesseinheiten mit 6 Sensorkomponenten kompliziert sich die Situation durch rund 70 notwendige elektrische Verbindungen zum Auswertechip (z. B. einer Halbleiterschaltung zur Signalauswertung, ASIC). Gegen eine Verbindung durch Dünndrahtbonden sprechen zum einen der Flächenverbrauch, die Kosten für Chip zu Chip Drahtbondverbindungen, die Variation der elektrischen Verbindungseigenschaften (Impedanzen) und bei einer Stapelanordnung die Kontrolle der Klebstoffbenetzung.
  • Für gehäuste Systeme wie Mikrosensor-Bauelemente besteht die Möglichkeit von direkten Durchkontaktierungen durch die Chips. Dies ist das kompakteste, wenn auch derzeit nicht das billigste Verfahren.
  • So beschreiben J. Gobet et al. in ihrem Artikel "IC compatible fabrication of through-wafer conductive vias", SPIE Vol. 3223 (1997), S. 17–25, die Erzeugung von leitenden Durchgängen, sog. Vias, durch einen Siliziumwafer hindurch. Das durch einen negativen Photoresist geschützte Substrat wird an den unbeschichteten Stellen mit Hilfe eines Plasmaätz-Verfahrens angeätzt, bis ein Durchgang durch das Substrat entsteht. Dieser wird mit Hilfe einer Parylen-Schicht isoliert und sodann mit Hilfe von Sputtertechnik mit Metall ausgekleidet. Gleichzeitig werden mit diesem Verfahren leitende Strukturen auf beiden Seiten des Substrats erzeugt. Allerdings ist der Metallisierungsschritt nach Aussage der Autoren besonders kritisch, da eine ausreichende Abscheidung des Metalls innen auf den senkrecht verlaufenden Via-Wänden kaum zu erreichen ist. Dieses Problem ist umso schwerwiegender, je ungünstiger das Verhältnis von Durchmesser des Substrats zum Durchmesser des Via ist. Die offenen Durchlochungen machen es außerdem erforderlich, für die Metallisierung eine solche Verfahrensstrategie zu wählen, bei der beide Seiten des Substrats mit Metall beschichtet werden.
  • Aus wirtschaftlichen und/oder fertigungstechnischen Gründen ist es sinnvoll, einen Aufbau derart zu gestalten, dass die vorgenannten Aspekte mit möglichst geringem Aufwand, d. h. mit nur wenigen Fertigungsschritten und geringem Material- und Energieeinsatz erreicht werden können. Insbesondere mikroelektronische Fertigungstechnologien sind hierfür optimal geeignet, da eine Vielzahl von hochskalig integrierten Bauelementen gleichzeitig und größtenteils automatisiert prozessiert wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kompaktes mikrostrukturiertes Bauteil oder Subsystem bereitzustellen, das mindestens eine, vorzugsweise aber eine Mehrzahl von gehäusten, aktiven Mikrostrukturen wie Mikrosensoren (z. B. Inertialsensoren für Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehung, oder Sensoren für Feuchtigkeit, Licht, Temperatur, Radioaktivität oder dergleichen) und/oder Mikroaktuatoren u. ä. enthält und ein Mikrobauelement darstellt oder sich zu solchen Bauelementen vereinzeln lässt, wobei die Struktur des Aufbaus dieses Bauteils oder Subsystems dazu beiträgt, den Gesamtaufwand für die Herstellung der Mikrobauelemente zu verringern, indem es sich mit einfacheren Maßnahmen als bisher für vergleichbare Strukturen erforderlich herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines mikrostrukturierten Bauteils mit Mikrosensoren oder anderen aktiven Mikrobauelementen gelöst, umfassend ein Substrat, das mit elektrischen Leiterbahnen, vorzugsweise mit einer oder mehreren Halbleiterschaltungen versehen ist, sowie auf dem Substrat angeordnet mindestens ein Gehäuse mit einer oder mehreren darin befindlichen aktiven Mikrostrukturen, wobei mindestens eine, vorzugsweise jede der aktive(n) Strukturen durch das sie umgebende Gehäuse hindurch elektrisch an eine elektrische Leiterbahn des Substrats und vorzugsweise an eine Halbleiterschaltung ankontaktiert ist.
  • Substrat und Gehäuse können auf Chipebene vorliegen. Das heißt, dass das Substrat nur ein oder einige wenige Gehäuse trägt, die zusammen ein Bauelement bilden. Dabei kann das Substrat ein Einzelteil, z. B. ein bereits gesägter Wafer sein, der ggf. seinerseits auf einen Träger montiert ist oder sich in einem Gehäuse befindet. Alternativ – und vorzugsweise – liegt das Substrat in einer Form vor, in der eine Vielzahl von Gehäusen darauf montiert werden kann, z. B. als Wafer. Dieser trägt dann ggf. eine Vielzahl von Halbleiterschaltungen, die jeweils nach außen ankontaktiert werden können, und kann nach Fertigstellung in einzelne Bauelemente zerteilt, z. B. zersägt werden.
  • Dementsprechend sind unter "Bauteil" nachstehend konstruktive Elemente zu verstehen, bei denen es sich in der Regel um Vorstadien der letztendlich zu erzeugenden Bauelemente handelt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der 1 bis x erläutert, wobei
  • in 1 eine Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt ist,
  • 2 eine Variante der Erfindung zeigt, in der zwei Gehäuse mit Kavitäten, in denen jeweils ein oder mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Anforderungen an die Umgebungsatmosphäre untergebracht ist/sind, auf einem Substrat ankontaktiert sind,
  • 3 eine Variante der Erfindung zeigt, in der zwei Sensoren in einer Kavität eines Gehäuses untergebracht sind.
  • Als Substrat in der vorliegenden Erfindung eignet sich aus den oben genannten Gründen prinzipiell jedes Substrat, das für Mikrobauteile bzw. Subsysteme eingesetzt werden kann. Bevorzugt ist das Substrat jedoch ein ASIC, d. h. ein Substrat mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung. Dabei kann es sich um einen Siliziumwafer oder ein anderes Halbleiterbauelement handeln, z. B. auf Basis von SiC, GaAs oder InP. Gegebenenfalls kann das Substrat auch eine Leiterplatte, ein Glasträger oder dergleichen sein; dies ist jedoch weniger günstig. Insbesondere sollte das Substrat nicht flexibel, sondern starr und vorzugsweise aus anorganischem Material hergestellt sein. Die grundlegende Aufgabe des Substrats ist es zum einen, Kontakte für die aus dem oder den Gehäusen austretenden elektrischen Verbindungen bereitzustellen, und zum anderen, für die Weiterleitung der von der oder den aktiven Strukturen (Sensoren, Aktuatoren) empfangenen oder an diese abzugebenden Signale mindestens eine Ankontaktierungsstelle für die Verschaltung des späteren Mikrobauelements mit den jeweils notwendigen äußeren Komponenten bereitzustellen, von der die entsprechenden elektrischen Daten abgegriffen werden können. Deshalb ist es günstig, wenn das Substrat selbst einen bzw. mehrere geeignete Schaltkreise umfasst, z. B. elektronische Auswerteschaltungen, umfassend Schaltkreise zur Ansteuerung des Sensorelements, zur Messung von dessen Signalen und/oder zur Kommunikation mit externen elektrischen Schaltkreisen. Günstig ist es, wenn der ASIC so ausgebildet ist, dass die von den aktiven Bauelement-Strukturen ausgehenden Signale verstärkt und/oder linearisiert und/oder intelligent gefiltert werden. Außerdem ist es günstig, wenn der Temperaturgang des Signals durch im ASIC in speziellen Speicherzellen (Zehner-Zap, EEPROM) hinterlegte Kalibrierpunkte (Skalenfaktoren) kompensiert wird. Je nach Anwendung kann der ASIC über weitergehende Funktionen verfügen. Diese können beispielsweise aus geschlossenen Regelkreisen zur Positionskontrolle schwingungsfähiger Mikrostrukturen (z. B. eines Spiegelkippwinkels zur Kontrolle der Energiezufuhr, der Lichtabschwächung im Nullpunkt und zur Vermeidung von Bildverzerrungen) im Sensor bestehen. Außerdem ist es günstig, wenn der ASIC einen Selbsttest des Mikrosensors durchführen und gemessene Signale auf Glaubwürdigkeit überprüfen und/oder eine intelligente Stellgrößenverarbeitung durchführen kann. Vorhandene Mikroprozessoren oder Signalprozessoren im ASIC können weiterhin z. B. dazu verwendet werden, um die digitalen Signale von Bildsensoren einer Helligkeitsanpassung zu unterwerfen.
  • Durch eine solche elektronische Vorverarbeitung innerhalb des Subsystems wird in vielen Fällen die Entflechtung einer großen Anzahl von Signalen erleichtert. In diesen Fällen kann die Außenkontaktierung des Substrats bzw. ASIC wegen der geringen Anzahl an elektrischen Verbindungen (ca. 20–24 für eine Inertialmesseinheit (IMU) mit 6 Achsen) konventionell durch Dünndrahtbonden erfolgen. Anstelle von Dünndrahtkontakten sind jedoch beliebige andere elektrische Kontaktierungen des ASIC nach außen möglich, beispielsweise Flip-Chip-Kontaktierungen oder Dünnfilmkontaktierungen. Die Art dieser Kontakte ist unerheblich, weil dort die Signalpegel sehr groß sind und in der Regel als digitale Signale auf einen Bus gelegt werden.
  • Als Substrat eignet sich auch ein beliebiges solches, auf das ein Gehäuse oder eine Mehrzahl von Gehäusen gesetzt werden soll, um eine elektrische Umverdrahtung geschützter aktiver Strukturen zu ermöglichen (z. B. Anordnen von (bei Bedarf rotierbaren) Bildsensoren oder Spiegelelementen in einem mindestens teilweise lichtdurchlässigen Gehäuse zum Schutz vor Umgebungseinflüssen, und Kombinieren dieses Gehäuses mit einem lichtdurchlässigen Substrat, evtl. mit einer technologiebedingt erforderlichen Umverteilung der Kontaktstellen auf eine größere Fläche, so dass der Strahlengang von einer äußeren Lichtquelle, z. B. einem Laser, zu dem Bildsensor oder dem Spiegel unbehindert ist).
  • Die Kontaktierung der aus dem bzw. den Gehäusen austretenden elektrischen Verbindungen an das Substrat bzw. dessen elektrischen Leiterbahnen/Halbleiterschaltung(en) erfolgt frei an der Unterseite des jeweiligen Gehäuses. Die Art der Verbindungen ist frei wählbar; bevorzugt bestehen sie aus Lotkugeln, die über eine Lötverbindung (vorzugsweise mit Weichlot) mit den aus dem/den Gehäuse(n) austretenden elektrischen Verbindungen sowie mit jeweils gleichartig angeordneten Kontaktanordnungen auf der Oberfläche des Substrats/der Halbleiterschaltung(en) verbunden sind. Alternativ zum Löten können die elektrischen Verbindungen auch durch anisotrop leitfähiges Kleben, durch isotrop leitfähiges Kleben, durch ungefüllte Engspaltklebverbindungen oder durch Diffusionslötungen hergestellt werden. In allen Fällen dienen die Verbindungen gleichzeitig der mechanischen Befestigung des bzw. der Gehäuse auf dem Substrat.
  • Die Direktverbindung durch Lötbumps reduziert parasitäre Einflüsse der Kontaktierung, wie sie durch hohe Impedanzen beim Drahtbonden auftreten, und reduziert damit den Entwicklungsaufwand für den ASIC erheblich, weil der automatische Anpassungsbereich kleiner ausgelegt werden kann. Kleinere Signalpegel von verkleinerten Sensoren können noch verarbeitet werden. Hierdurch lassen sich sehr kompakte Mehrachsensensoren realisieren.
  • Die Kontaktierung durch eine Flip Chip Lötung ist selbstzentrierend und ermöglicht sehr genaue Achsenausrichtungen bei kleinsten Kippfehlern.
  • Die Anordnung eines oder mehrerer gehäuster Mikrosensoren auf einem ASIC führt zu einem Versteifungseffekt, durch den negative Verwölbungen durch Gehäusestress auf den Sensor verringert werden. Dies ist insbesondere bei Mikrosensoren mit gedünnten Gehäusestrukturen von Bedeutung. Eine Durchbiegung des Mikrosensors würde zu einem ungewollten Bias-Signal führen.
  • Die Direktkontaktierung ermöglicht das Testen des Systems auf Waferebene vor dem weiteren Verpacken. Hierdurch werden Fertigungskosten eingespart.
  • Neben dem Testen kann die Sensorkalibrierung auf Waferebene durchgeführt werden. Der zu erwartende typische Packagingstress kann dabei als Vorhaltewert mit berücksichtigt werden. Die Sensorkalibrierung auf Waferebene ist wegen der sehr hohen Einsparung besonders vorteilhaft. Die Einsparung ergibt sich insbesondere aus den stark verringerten Wartezeiten, um die Bauteile auf Testtemperatur (z. B. –40°C, RT, +125°C in einer geschlossenen Testumgebung mit Stickstoff) zu bringen, weil dies im Waferverbund geschieht und die thermische Masse noch sehr klein ist. Die Messgroße kann elektrisch (durch dafür vorgesehene Elektroden), mechanisch (durch einen Dreh-, Kipptisch ggfs. mit Piezoshaker, ggfs. mit atmosphärischer Druckbeaufschlagung) oder optisch (durch Laserstrahl- oder IR-Lichteinkopplung) eingeprägt werden.
  • Jedes der Gehäuse weist entsprechend der Verwendung des zukünftigen Mikrobauteils eine oder mehrere aktive Strukturen auf und ist vorzugsweise aus einem Bodenelement und einem Deckelelement gebildet, wobei sich zwischen diesen beiden Elementen die aktive(n) Struktur(en) befindet/befinden. Wenn mehrere solche Strukturen vorhanden sind, können sie je nach Bedarf in Nachbarschaft zueinander in derselben Kavität angeordnet sein, oder sie können voneinander getrennt vorliegen, z. B. dann, wenn sie unterschiedliche Umgebungsbedingungen (unterschiedliche Drücke, Gaszusammensetzungen, Feuchtigkeitsgehalte u. dgl.) benötigen.
  • Der Ausdruck "aktive Struktur" soll im Sinne der vorliegenden Erfindung Strukturen umfassen, die Umwelteinflüsse wie Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Drehungen, Lichtstrahlung, Feuchtigkeit, Magnetfeld, Schallwellen, pH-Wert, Temperatur oder dergleichen erfassen und in elektrische Signale umsetzen können (hier nachstehend als Sensoren bezeichnet), die elektrische, elektromagnetische, mechanische oder thermische Energie aufnehmen, wandeln, speichern und/oder abgeben können (z. B. Batterien, Akkumulatoren) und/oder die Bewegungen ausführen können ("Aktuatoren"), aber nicht darauf beschränkt sein. So können beispielsweise für Airbags vorgesehene Bauelemente drei verschiedene Beschleunigungssensoren enthalten, die Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen x, y, z detektieren können. Ein Chip kann unterschiedliche aktive Strukturen mit unterschiedlichen Aufgaben enthalten, beispielsweise verschiedene Sensoren und/oder Batterien, die für ihren Betrieb unterschiedliche Umgebungsbedingungen benötigen.
  • Das Boden- und das Deckelelement eines jeden Gehäuses können bei Bedarf jeweils einzeln bestückt und bearbeitet werden, wie nachstehend im Detail erläutert. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Elemente auf Waferebene hergestellt werden, d. h. in Form eines Bodenwafers für eine Vielzahl von Bodenelementen und ggf. auch in Form eines Deckelwafers für eine Vielzahl von Deckelementen. Jedes Bodenelement auf dem Bodenwafer kann nach seiner Fertigstellung mit einzelnen Deckelelementen (Deckelchips) verschlossen werden; statt dessen kann der Bodenwafer auch mit einem Deckelwafer verbunden werden. Nach Fertigstellung wird der Bodenwafer, ggf. zusammen mit dem Deckelwafer, durch Sägen oder dgl., in eine Vielzahl von Gehäusen vereinzelt werden, von denen jedes die erforderlichen aktiven Strukturen enthält.
  • Boden- und Deckelelement eines jeden Gehäuses sind vorzugsweise über einen Versiegelungsrahmen miteinander verbunden. Dieser definiert den Abstand zwischen den Oberflächen von Boden- und Deckelelement. Er wird deshalb so hoch gewählt, dass die aktiven Strukturen sicher und ohne anzustoßen gehäust werden können. Dabei können die Oberfläche(n) entweder des Bodenelements und/oder des Deckelelements eben sein oder eine Vertiefung zur Aufnahme der aktiven Struktur(en) oder eines Gettermaterials aufweisen, so dass der Versiegelungsrahmen ggf. nicht die Höhe der aktiven Strukturen besitzen muss. Der Versiegelungsrahmen stellt die mechanische Verbindung zwischen dem Boden- und dem Deckelelement sicher. Er kann aus einem beliebigen Material bestehen, das die notwendige Steifigkeit besitzt, beispielsweise aus einem organischen Polymermaterial wie z. B. Polyimid oder Benzocyclobuten (BCB) oder einem anorganischen Material wie einem Metall oder einer Legierung oder Glas bzw. Glasfritte. Geeignet sind Metalle wie Au, Pd, Al oder Legierungen wie solche aus Cu/Sn oder Cu/Au. Der Rahmen kann aus einem einzigen Material bestehen oder durch Verbinden von unterschiedlichen, jeweils auf dem Bodenelement und dem Deckelelement aufgebrachten Metallen, die im Verbindungsbereich eine Legierung bilden, erzeugt werden. Beispiele sind gold- oder zinnhaltige Eutektika, bevorzugt ein Gold-Zinn- oder Gold-Silizium-Eutektikum. Er kann auf einem Untergrund aus Haftvermittler und/oder einem keimbildenden Metall aufgebracht sein.
  • Unter dem Ausdruck "Versiegelungsrahmen" ist nicht unbedingt zu verstehen, dass dieser vollständig durchgehend bzw. vollständig dichtend/hermetisch ist. So kann der Versiegelungsrahmen stattdessen auch durchbrochen sein, falls die aktiven Strukturen bei Umgebungsbedingungen arbeiten können/müssen. Er kann ggf. so unterteilt sein, dass er mehrere Räume umschließt, so dass verschiedene aktive Strukturen voneinander getrennt werden können. Dass dies notwendig sein kann, wurde bereits oben erläutert. Werden diese Kavitäten bei einer definierten Gasatmosphäre durch das Verbinden von Boden- und Deckelelement von der Umgebungsatmosphäre getrennt, kann der Gasdruck bzw. die Gasmischung in einem oder mehreren dieser Räumen z. B. später dadurch abgewandelt werden, dass darin ein Gettermaterial angebracht ist, das bei Aktivierung in definierbarer Weise Gasmoleküle aufnimmt und damit die Gasatmosphäre verändert. Gettermaterial kann auch dazu dienen, Feuchtigkeit zu absorbieren oder sogar Partikel einzufangen. Dieses Gettermaterial ist aus geometrischen Gründen vorzugsweise auf der Substratoberfläche vorgesehen.
  • Schließlich kann der Versiegelungsrahmen auch so ausgestaltet sein, dass er nur einen Teil der für das Bauelement vorgesehenen aktiven Strukturen umschließt, während mindestens eine dieser aktiven Strukturen der Umgebungsatmosphäre oder dem Medium, in welchem das aktive Bauelement arbeiten soll, ausgesetzt bleibt. Dies kann beispielsweise dann günstig sein, wenn das zu erzeugende Mikrobauelement einen Feuchtigkeitssensor aufweisen soll. Alternativ kann der Versiegelungsrahmen durch Einbringung von Materialien mit hoher spezifischer Permeabilität so gestaltet sein, dass er für diese Struktur(en) eine begrenzte oder kontrollierte Gaszufuhr erlaubt. Beispielsweise kann er jeweils von außen nach innen durchgehende Schichten aus Palladium (durchlässig für Wasserstoff), SiO2 (durchlässig für Helium) oder aus Kohlenstoff-Nanotubes aufweisen, wobei das letztere Material wasserdampfdurchlässig ist.
  • In einer spezifischen Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Versiegelungsrahmen eine spezielle geometrische Gestalt, beispielsweise einen Fluidkanal. Hierfür kann er beispielsweise an den erforderlichen Stellen als Doppelkanal ausgebildet sein, in den Flüssigkeit durch zwei Substratlochungen ein- bzw. ausfließen kann.
  • Die Ankontaktierung der aktiven Strukturen an das Substrat, die durch das Gehäuse hindurch erfolgt, wird vorzugsweise durch sogenannte Vias realisiert, d. h. ggf. gegen das Substrat isolierte, elektrisch leitende Durchführungen. Solche Durchführungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die Durchführungen können dadurch erzeugt werden, dass der dem Substrat zugewandte Gehäuseteil (das Bodenelement) auf seiner Innenseite an mindestens einem Ort eine elektrisch leitende Kontaktstelle aufweist, die mit einer entsprechenden aktiven Struktur verbunden ist. Eine leitende Struktur erstreckt sich von der Kontaktstelle durch eine Ausnehmung in dem Gehäuseteil hindurch, wo sie als Kontaktierung aus dem Gehäuse austritt und wie oben erläutert elektrisch ankontaktiert wird.
  • Ein sehr günstiges Verfahren zum Erzeugen der genannten Durchführungen umfasst die folgenden Schritte: Von der Rückseite des Gehäuseelements aus, das mit den Durchführungen versehen werden soll, beispielsweise eines einzelnen Bodenelements aus Silizium oder eines entsprechenden Wafers, der bereits mit entsprechenden elektrisch leitenden Kontaktstellen versehen ist, werden Ausnehmungen ausgebildet, derart, dass die Ausnehmungen auf der Vorderseite des Bodenelements jeweils unter dem Ort enden, an dem sich die entsprechende elektrisch leitende Kontaktstelle befindet, derart, dass die Ausnehmungen von dieser jeweils vollständig abgedeckt werden. Sodann wird von der Rückseite des Bodengehäuseteils her elektrisch leitendes Material in diese Ausnehmung eingebracht, derart, dass durch die Ausnehmungen hindurch leitfähige Verbindungen zwischen der jeweiligen Kontaktstelle und der rückseitigen Oberfläche des Bodenelements hergestellt werden. Dabei sind die Durchführungen vorzugsweise zur Außenseite des Gehäuses hin erweitert, derart, dass jede Ausnehmung eine sich in Richtung der Vorderseite des Substrats verkleinernde Querschnittsfläche besitzt. Stärker bevorzugt ist es, dass die Ausnehmung im Bodenelement im Wesentlichen konusförmig sind, wobei sie besonders bevorzugt Flankenwinkel von etwa 70–90°, eher etwa 75–85° und insbesondere von etwa 80° besitzen.
  • Unter Berücksichtigung der Geeignetheit für die Ausbildung der Durchführungen kommen als Materialien für das Bodenelement des oder der Gehäuse Halbleiter wie Silizium (z. B. in Form von Siliziumwafern) in Frage, aber auch andere nichtleitende Substratmaterialien wie GaAs, Glas, Pyrex und Keramik; das Verfahren ist diesbezüglich vom Prinzip her nicht beschränkt.
  • Die vorliegend bevorzugt eingesetzte Technologie für die Herstellung der Durchführungen nutzt nach Möglichkeit eine Verfahrensführung und Verfahrensparameter, die vorprozessierte Bauteile (wie erwähnt z. B. auf Waferebene) nicht in ihren Funktionseigenschaften verändern. Insbesondere lassen sich alle Schritte bei Temperaturen von unter 400°C durchführen. Dabei lassen sich hierfür leicht IC-kompatible Hilfsstoffe und Materialien einsetzen. Sonderprozesse bei der Lithographie werden dadurch vermieden, dass zu keiner Zeit offene Durchlochungen im Halbleitermaterial vorhanden sind.
  • Das Verfahren ist sowohl anwendbar auf unbeschichtete Bodenelemente als auch auf solche, deren Oberflächen ein- oder beidseitig mit einer Beschichtung, beispielsweise einer Passivierung, abgedeckt sind. Ein Beispiel hierfür ist ein Silizium-Wafer, der mit einer dünnen SiO2-Schicht bedeckt ist.
  • Da diese Schicht auf der Vorderseite möglicherweise eine Barriere für das fortschreitende Ätzen von der Rückseite her darstellen könnte, wie es z. B. im vorgenannten Fall eines mit SiO2 bedeckten Siliziumwafers der Fall wäre, wird man in solchen Fällen die elektrisch leitende Kontaktstelle gegebenenfalls in oder unter der genannten Schicht anordnen. In solchen Fällen lässt sich die Vorderseite des Substrats problemlos vorab strukturieren, z. B. durch Abätzen dieser Schicht an den gewünschten Kontaktpunkten, und durch Aufbringen des elektrisch leitenden Kontaktmaterials an dieser Stelle.
  • Das Ausbilden der Ausnehmungen im Bodenelement von dessen Rückseite aus erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Ätzverfahrens. Hierbei werden über eine lithographisch erzeugte Maske auf der Bodenelement-Rückseite Vertiefungen in diesen geätzt. Die Maske kann auf den Bodenelement aufgelegt sein, so dass sie später wieder abgenommen oder auf sonstige Weise entfernt werden kann; sie kann aber auch aus einem Material bestehen, das am Bodenelement haftet, z. B. eine gegen das Ätzmedium resistente Lack- oder Aluminiumschicht oder eine SiO2-Schicht ("Hartmaske") sein. Diese kann, muss aber nicht, auch nachfolgend auf dem Substrat verbleiben. Das Ätzen kann ein Plasmaätzverfahren unter Einsatz einer geeigneten Gasmischung sein. Diese kann z. B. ein oxidierendes Schwefelhexafluorid enthalten, wenn das Substrat ein Siliziumwafer ist. Silizium lässt sich insbesondere mit Hilfe des sog. Hochratenätzens (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) behandeln. Derartige Ätzverfahren greifen Silizium an, nicht aber SiO2, Aluminium oder Lacke. Stattdessen kann je nach Material auch eine Ätzung mit KOH oder einer Tetramethylammonium Hydroxid-Lösung (TMAH) in Wasser (35 Gew.-%ig) erfolgen, oder die Ausnehmung wird mechanisch, z. B. durch abtragende UV-Laserbestrahlung, erzeugt.
  • Die erhaltenen Vertiefungen können beliebige Durchmesser besitzen. Häufig wird man Durchmesser von etwa 10 bis 500 μm, vorzugsweise 20 bis 100 μm anstreben.
  • Wie bereits oben erwähnt ist es günstig, wenn die Ausnehmungen eine konusähnliche Form erhalten, bei der sich der Querschnitt der Ausnehmungen in Richtung der Vorderseite des Substrats verkleinert. Die Flanken dieser Ausnehmung sind bei späteren Beschichtungsvorgängen wesentlich besser zugänglich und erlauben eine gleichmäßigere Auflage von Material als eine Durchführung mit gleich bleibendem Durchmesser und hohem Aspektverhältnis. Die Ausnehmungen können, müssen aber nicht, gleichmäßig bzw. symmetrisch sein. Die konusähnliche Form der Ausnehmungen kann sich über die gesamte Dicke des Bodenelements hinweg erstrecken; statt dessen kann man jedoch auch mit einer sog. "Unterätzung" arbeiten, bei der sich der Lochdurchmesser erst kurz hinter der rückseitigen Außenfläche auf seinen maximalen Durchmesser weitet und dann konusförmig verengt.
  • Eine Flankenstruktur kann man beispielsweise durch Ätzen nach dem Bosch-Verfahren (abwechselndes Anwenden von Ätzgas, z. B. SF6, und einem Gas, das für eine Passivierung durch Plasmapolymerisation sorgen kann, z. B. C4F8) oder mit Hilfe eines Trockenätzprozesses mit SF6/O2 als Mischgas erreichen, wobei sich SiO2 als anorganische Seitenwandpassivierung ausbildet.
  • Im herkömmlichen Bosch-Prozess entstehen im Prozessgas Ionen und Radikale. Die Ionen werden über eine Vorspannung gerichtet auf den Wafer gelenkt, tragen durch ihre Sputterwirkung beim Auftreffen die Passivierungsschicht am Lochgrund ab und reagieren dort mit Silizium zu gasförmigem SiF. Auf die Seitenwände treffen entsprechend sehr wenige Ionen auf. Wenn man nun die Vorspannung abschaltet und primär mit den Neutralteilchen im schon freigelegten Bereich ätzt, wobei man gegebenenfalls den Anteil der Neutralteilchen durch Erhöhung des Arbeitsgasdrucks erhöht, kann man die Ausbildung der Seitenwandpassivierung beeinflussen. Dies kann zusätzlich durch die Dauer der Passivierung geschehen. Eine nicht geschlossene Seitenwandpassivierung ist für die Neutralteilchen angreifbar, so dass eine nach außen gerichtete Ätzwirkung entsteht. Durch Steuern des Verhältnisses von gerichteter ionischer Ätzung (durch unterschiedliche Vorspannung) zur Seitenwandpassivierungsdicke bei gleichem Arbeitsgasdruck kann man somit die Ausbildung eines Lochwinkels bestimmen.
  • Die Bedingungen des Ätzverfahrens werden so gewählt, dass die auf der Vorderseite des Bodenelements befindliche elektrisch leitende Kontaktstelle von der Rückseite her freigelegt, aber nicht angegriffen wird. Wenn die Kontaktstelle freigelegt ist, wird der Ätzprozess durch seine sehr geringe Abtragsrate auf diesem Material angehalten. Die Kontaktstelle deckt dabei die gebildete Vertiefung zur Vorderseite hin so ab, dass der Bodenelement durchgehend gasdicht bleibt.
  • Die Kontaktstellen selbst sind den Erfordernissen des späteren Bauteils entsprechend ausgebildet. Sie werden meist aus einem geeigneten Metall bestehen, das z. B. aufgesputtert oder aufgedampft wurde. Es kann sich dabei, muss aber nicht, um Drahtbondflächen handeln.
  • Die Befüllung der Ausnehmungen mit elektrisch leitendem Material kann durch gängige Techniken, z. B. physikalisches Sputtern, Aufdampfen, Elektroplattierung oder stromloses Abscheiden aus Lösungen erfolgen. Gleichzeitig kann ggf. leitendes Material an geeigneten Stellen auf der äußeren Rückseite des Bodenelements aufgebracht werden. Das leitende Material kann ein- oder mehrlagig aufgebracht sein. Geeignete Materialien hierfür sind z. B. Metalle wie Titan, Chrom, Wolfram, TiN, Aluminium, Nickel, Gold, Silber oder Kupfer oder diese Metalle enthaltende Legierungen. Geeignete Mehrlagen Metallisierungen sind z. B. Ti/Ni/Ag, TiW/Gold, Cr/Cu/Au, Al/NiV/Cu oder Ti/TiN/Cu. In einer Ausgestaltung wird erst einmal eine durchgehende leitende Schicht erzeugt, die anschließend durch übliche Methoden wie vorzugsweise Spin- oder Trockenresist-Lithographie und Nassätzen, aber auch durch Trockenätzen oder Lift-Off-Technologie strukturiert werden kann. Hierbei können sowohl die Metallisierung um die Durchführungen herum als auch Leiterbahnen und Lötkontaktflächen gleichzeitig strukturiert werden. Die Lötflächen können abgesetzt von den Durchführungen strukturiert angeordnet werden oder aber mit den Durchführungen überlagert sein. In diesem Falle werden Kontaktwerkstoffe direkt auf die Durchführung aufgebracht.
  • Alternativ kann die leitende Struktur natürlich unter Zuhilfenahme einer Maske direkt in strukturierter Form aufgebracht werden.
  • In denjenigen Fällen, in denen das Bodenelement gegen die elektrisch leitenden Durchführungen isoliert sein sollte oder dies gewünscht ist, wird vor dem Aufbringen des leitenden Materials eine Passivierungsschicht auf dem Bodenelement angeordnet. Wenn das Material des Bodenelements Silizium ist, kann diese beispielsweise aus Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder einem Siliciumoxidnitrid bestehen. Der Vorteil solcher Passivierungen ist deren hohe Temperaturbeständigkeit.
  • Alternativ kann in allen Fällen, unabhängig vom Material des Bodenelements, ein isolierendes Polymer, insbesondere ein organisches oder anorganisch-organisches Polymer, aufgebracht werden. Günstig sind auch hierfür Materialien, die relativ weitgehend temperaturbeständig sind. In Betracht kommen dafür daher ebenfalls anorganische Materialien, aber auch z. B. organische Polymere wie Parylen, das bis etwa 290°C stabil ist. Die Passivierungsschicht kann in beliebiger Dicke aufgebracht werden; günstig sind z. B. 0,4–2 μm.
  • Die Passivierungsschicht kann auf beliebige Weise aufgebracht werden. Günstig sind auch hierfür Niedertemperatur Plasma- oder plasmaunterstützte Verfahren, z. B. für den Fall, dass die Schicht aus Parylen oder aus SiN besteht.
  • Vorzugsweise deckt die Passivierung nicht nur die Ausnehmungen im Bodenelement ab, sondern auch gewünschte Teile oder sogar die gesamte Rückseite des Bodenelements. Alternativ kann sie strukturiert aufgebracht werden.
  • Wenn die Passivierungsschicht derart aufgebracht wird, dass sie auch die Rückseiten der innenseitig befindlichen Kontaktstellen abdeckt, müssen diese vor Aufbringen der leitenden Schicht wieder freigelegt werden. Dies kann mit Hilfe eines Gasphasenätzprozesses erfolgen. Wenn das Metall der Kontaktstelle während der Passivierung oxidiert wurde oder aus anderen Gründen oxidiert war, kann es z. B. durch Argon-Ionenbeschuss wieder entoxidiert werden. Die nachfolgend abgeschiedene Metallschicht hat so einen kleinen Übergangswiderstand und eine hohe Strombelastbarkeit.
  • Nach der Herstellung der Durchführungen kann die Rückseite des Bodenelements bei Bedarf teilweise oder komplett bis auf die für spätere Kontaktierungen vorgesehenen Orte (Lötflächen) und/oder Sägestraßen mit einer Passivierungsschicht abgedeckt werden. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Benzocyclobuten (BCB) oder Polyimid (PI). Daneben kommen andere organische Polymere, aber auch anorganisch-organische oder rein anorganische Materialien wie SiO2 hierfür in Frage. Die Passivierungsschicht kann nachträglich strukturiert werden, z. B. lithographisch, oder aber auch strukturiert aufgebracht werden, z. B. über eine Maske oder in einem strukturierten Druckprozess.
  • In 1 ist eine Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt. Diese zeigt einen mit hermetischen Viadurchführungen 7 versehenen Mikrosensor, der an einem Substrat 1 mit integrierter Halbleiterschaltung elektrisch ankontaktiert ist. Die empfindliche aktive Struktur (hier: Sensorstruktur) 5 befindet sich in einem Gehäuse aus einem Bodenelement 4 und einem Deckelelement 2 und wird durch einen ggf. hermetischen Versiegelungsring 3 vor äußeren Einflüssen geschützt, der die beiden Teile miteinander verbindet. Die aktive Struktur 5 und zu dieser gehörige Elektroden 8 sind durch elektrische Leiterbahnen und individuell gegenüber dem Sensor-Trägersubstrat isolierten elektrischen Stromdurchfürungen (Vias) 7 leitfähig mit Kontaktanordnungen unter dem Sensorbauteil verbunden. Die Kontaktanordnungen 8 können frei auf der Unterseite angeordnet sein. Die Kontaktanordnungen sind mit Lotkugeln 9 ausgestattet, um eine Lötverbindung zu jeweils gleichartig angeordneten Kontaktanordnungen auf der Oberfläche der Halbleiterschaltung zu ermöglichen. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltung und das Abgreifen ihrer Ausgangssignale erfolgt über elektrische Verbindungen 10.
  • Wie bereits voranstehend erwähnt, ist die vorliegende Erfindung für die Realisierung einer Inertialmesseinheit gut geeignet. Hierfür müssen verschiedene Sensortypen hybrid integriert werden. Um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden, können die Sensoren in einer Kammer hermetisch gehäust werden, in der der Druck bzw. die Atmosphäre herrscht, die für ihren Betrieb benötigt wird. Zusätzlich oder alternativ kann in den die Sensoren beherbergenden Kavitäten, d. h. auf der Innenseite des Gehäuses, Gettermaterial aufgebracht sein, mit dessen Hilfe nachträglich der Druck abgesenkt bzw. die eingebrachte Gasatmosphäre durch die Absorption eines Teils der Gasmoleküle verändert wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Es ist sinnvoll, Sensoren mit Vakuumanforderung in der Sensorkavität (z. B. Drehratensensoren) in einem Sensorchip zusammenzufassen und Sensoren mit hoher Gasbedämpfung (z. B. Beschleunigungssensoren) in einem separaten Sensorchip unterzubringen. Hierdurch werden sowohl die Kosten für eine Getterbeschichtung besser ausgenutzt und zudem größere Freiheitsgrade im Sensordesign (Dicke der Polysiliziumschicht, Hohder Kavität etc.) erzielt.
  • Eine derartige Einheit, hier mit zwei separat gehäusten Kavitäten für Sensoren oder Aktuatoren mit unterschiedlichen Anforderungen an die Umgebungsatmosphäre ist in 2 gezeigt. Diejenigen Strukturen, die mit denen in 1 vergleichbar sind, sind hier teilweise mit denselben Bezugzeichen versehen, teilweise sind sie ohne Bezugszeichen. Die Bezugsziffer 11 bezeichnet Gettermaterial in einem der Gehäuse; die Bezugsziffer 12 weist auf den Hohlraum im zweiten der Gehäuse hin, der eine andere Gaszusammensetzung und/oder einen anderen Druck aufweisen kann als der Hohlraum in der ersten Kavität.
  • Insgesamt kann durch diese Anordnung eine mechanisch biegestabile, kompakte Einheit mit einer Höhe unter 1000 μm hergestellt werden. Solche Einheiten sind für den Konsumentenmarkt sowie für den Kraftfahrzeugmarkt von Interesse. Werden die Einheiten nicht einzeln, sondern auf Waferebene produziert, können sie auf dieser Ebene unaufwendig umfassend getestet werden. Für die Weiterverarbeitung stehen alle bekannten Verpackungstechnologien zur Verfügung. Durch die Verarbeitung verkappter Sensoren entstehen dabei keine Partikel- oder Handhabuntsprobleme. Die Messdaten der Sensorvermessung können nach der weiteren Gehäusung weiter verwendet werden, wenn das Substrat ein ASIC ist bzw. umfasst und dieser eine eindeutige Chip-Nr. in einem Register aufweist. Ggf. kann so auf eine aufwendige Einzelkalibrierung verzichtet werden.
  • Die Erfindung ist für alle kalibrierfähigen Sensoraufbauten geeignet, insbesondere für Inertialsensoren, Bildsensoren, Mikrofone, Drucksensoren und andere Sensoren, aber auch für direkt angesteuerte Aktuatoren (z. B. Spiegel), die ggf. mit geeigneten Energieträgern wie Batterien oder Akkumulatoren gekoppelt sein können.
  • Ganz besonders spezifische Ausgestaltungen der Erfindung sind auf Bauteile gerichtet, in denen mindestens zwei aktive Strukturen in einer einzigen Kavität eines Gehäuses untergebracht sind. Um diese in räumlich günstiger Weise anzuordnen, kann erfindungsgemäß mindestens eine dieser Strukturen am Deckelelement des Gehäuses angebracht sein, während mindestens eine zweite dieser Strukturen am Bodenelement angebracht ist.
  • Die mindestens zwei genannten Strukturen können beispielsweise zwei oder mehr Sensoren sein, die eine Beschleunigung oder eine Drehrate um zwei oder drei senkrecht aufeinander stehende Achsen des Raumes messen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine aktive Struktur ein Sensor sein, der eine Eigenschaft der Kavität misst, in der er (z. B. mit mindestens einem weiteren, vorzugsweise eine äußere Eigenschaft messenden) Sensor untergebracht ist. Beispiele für solche Sensoren sind Feuchtigkeitssensoren oder Drucksensoren zur Überprüfung der Gehäusedichtigkeit. Feuchtigkeitssensoren können beispielsweise in Form eines feuchteempfindlichen Dielektrikums vorliegen, z. B. in Form von unverdichtetem (nanoporösem) SiO2. Eine Zunahme des Feuchtegehalts kann dabei durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante dieses Materials festgestellt werden, die mit Hilfe von hochfrequenter Impedanzmessungen ermittelt werden kann. Eine Alternative ist das Vorsehen eines Mikroresonators aus nanporösem (geätztem) Silizium. Hier erfolgt der Nachweise der Wassermoleküleinlagerung in die Poren des Schwingers durch Messung der Frequenzverschiebung.
  • Wie bereits weiter oben erläutert, können die Bodenelemente und die Deckelelemente dabei einzeln bestückt werden, oder es kann ein Bodenwafer nach Fertigstellung der Innenstrukturen mit Deckelchips oder mit einem Deckelwafer abgedeckt werden, worauf in einem Vereinzelungsprozess, z. B. durch Sägen, die einzelnen, mit den aktiven Strukturen versehenen Gehäuse erzeugt werden.
  • Für die voranstehend genannte spezifische Ausführungsform der Erfindung können die gleichen Herstellungsverfahren angewendet werden, wobei es jedoch besonders günstig ist, sowohl für das Deckelelement als auch das Bodenelement auf Waferebene zu arbeiten. Hierbei werden beide Wafer mit aktiven Strukturen, beispielsweise Sensoren bestückt, der Bodenwafer wird wie oben beschrieben mit Durchführungen versehen, und die Wafer werden über Versiegelungsrahmen miteinander verbunden. Hierbei wird eine hohe Integrationsdichte erzielt. Durch den Einsatz hermetischer Vias durch die Bodenelemente hindurch kann die Chipfläche (die Grundfläche der einzelnen Gehäuse) besonders klein gehalten werden, und es lässt sich ein sehr kompaktes Multisonsor-Bauteil mit hoher Robustheit herstellen. Diese Variante der Erfindung ist insbesondere für Mehrachsen-Inertialsensorik für Navigations- und Sicherheitsanwendungen interessant.
  • Das Gehäuse der genannten Ausführungsform der Erfindung ist in 3 schematisch dargestellt. Auf einem Deckelelement 20 befindet sich ein erster Sensor 70. Über in dem Element 20 vergrabene Leiterbahnen 60 ist dieser Sensor an elektrische Vertikalkontakte 50, 50' ankontaktiert, die eine Verbindung zu einem Bodenelement 15 darstellen. Auf dem Bodenelement 15 befindet sich ein weiterer Sensor 70'. Eine Rahmenmetallisierung 30, die von beiden Seiten (Boden- und Deckelelement) ausgeht, ist über einen metallischen Fügewerkstoff 40 verbunden und verbindet Boden- und Deckelelement miteinander. Bezüglich der Ausgestaltungsmöglichkeiten dieses Verbindungsrahmens 30, 40 darf auf die obigen Ausführungen verwiesen werden. Das Bodenelement besitzt isolierte Stromdurchführungen (Vias) 80, die mit den elektrischen Kontakten des unteren Sensors und mit den elektrischen Vertikalkontakten in Verbindung stehen. Diese können wie oben beschrieben ausgebildet sein. An deren Außenseiten sind Kontaktflächen 90 vorhanden, an denen Lotkugeln 100 angebracht sind. Die oben beschriebenen Alternativen der Ankontaktierung können aber natürlich auch in dieser Variante angewendet werden. Sofern benötigt, kann in der Kavität an geeigneten freien Stellen Gettermaterial angeordnet sein, das in der 3 mit 120 bezeichnet ist.
  • Mit der Bezugsziffer 130 ist – nur auf der rechten Seite dieser Figur – eine Variante angedeutet: Auf Wunsch kann nämlich eine Ankontaktierungsstruktur 130 im Bereich des Versiegelungsrahmens bzw. im Bereich einer (nicht gezeigten) vertikalen Kontaktierung vorgesehen sein, die den Substratkristall des oberen Sensors auf Erdpotential (oder ein beliebiges kontrolliertes Potential) legt und damit elektrische Aufladungseffekte verhindern kann.
  • Die elektrische Vertikalkontaktierung zwischen Deckelelement und Bodenelement erfolgt über Kontaktstellen, die einander gegenüberliegen. Diese können als sogenannte "Bumps", erhabene Strukturen auf den jeweiligen Elementen, die in elektrischem Kontakt miteinander stehen, realisiert sein. Die mechanische Verbindung zwischen dem Boden- und dem Deckelelement (also der Versiegelungsrahmen) kann ebenfalls aus leitendem Material gebildet sein. Die Materialien für den Versiegelungsrahmen und die Kontakte können die gleichen sein. In diesen Fällen kann, muss aber nicht, der Aufbau des Materials für die Versiegelungsrahmen und die Kontakte zusammen erfolgen, was Arbeitsschritte und Kosten spart.
  • Hierfür werden sowohl das/die Bodenelemente als auch das/die Deckelelemente in geeigneter Weise behandelt. Die Schritte können galvanisches oder stromloses Abscheiden von Metallen umfassen. Wird ein galvanisches Verfahren gewählt, können die Boden- und/oder Deckelelementoberflächen in einem ersten Schritt mit einer durchgehenden Metallschicht (Potentiallage) versehen sein, z. B. optional mit Titan als Grundierung (wirkt als Haftvermittler) und einer darauf abgeschiedenen Schicht aus einem oder mehreren geeigneten Metallen wie Cr, Ti, Cr/Cu, Ti/Cu oder TiN. Diese Schicht wird in geeigneter Dicke, z. B. mit 3–50 nm, vorzugsweise ca. 5–20 nm und besonders bevorzugt ca. 10 nm, aufgebracht. Als oberste Schicht kann ggf. zusätzlich eine Goldschicht abgeschieden werden, die eine Dicke von bis zu ca. 200 nm, vorzugsweise bis ca. 100 nm besitzt.
  • Das Metall wird mit einem Photolack überschichtet, der anschließend unter Verwendung einer geeigneten Maske strukturiert wird. Die freigelegten Flächen werden sodann mit der eigentlichen Metallschicht versehen, die z. B. aus Gold, Kupfer, Nickel oder gegebenenfalls auch Palladium oder einer Kombination dieser Materialien bestehen kann. Die Goldlage kann ggf. noch mit einer Zinnschicht überlagert werden. Für diese Metallisierung(en) wird die Potentiallage unter Strom gesetzt. Man lässt die Metallschicht in einer ausreichenden Gesamtdicke (Dicke auf dem Substrat plus Dicke auf dem Chip) aufwachsen, damit die aktive(n) Struktur(en) auf den Chips nach dem Verbinden genügend Platz zwischen der Substrat- und der Chipoberfläche finden. Die Gesamtdicke kann beispielsweise ca. 0,5 μm bis 50 μm, vorzugsweise 2–20 μm betragen, abhängig von den Strukturen in den Gehäusen. Soll zusätzlich eine Sn-Schicht vorhanden sein, reicht ein Dickenanteil von ca. 1–3 μm für diese aus.
  • Anschließend werden zuerst der Lack (vorzugsweise mit Hilfe geeigneter Lösemittel) und sodann die Metallgrundierung (z. B. trocken, durch Argon-Beschuss, oder in einem Nassätzverfahren, das die sehr dünne Startmetallisierung wegätzt) abgetragen.
  • Gold, Nickel, Kupfer, ggf. Palladium oder die oben beschriebene Kombination hieraus wird vorzugsweise dann als oberste Schicht eingesetzt, wenn der Aufbau der Kontakte und des Versiegelungsrahmens nur auf einer Seite, der Bodenelement- oder der Deckelelement-Seite, erfolgen soll. Denn diese Metalle können beim späteren Verpressen mit der gegenüberliegenden Oberfläche reagieren. Wenn diese, was bevorzugt ist, aus Silizium besteht, bildet sich dabei nämlich eine innige Verbindung einer Metall-Silizium-Legierung aus, die relativ hoch schmilzt. In derartigen Ausgestaltungen können Si-Erhebungen oder Ringe auf der Deckelelement-Oberfläche ausgebildet sein, die beispielsweise mit Hilfe von Ätzverfahren realisiert werden.
  • Alternativ wird auf beiden Seiten ein Aufbau mit einer Goldschicht realisiert. In diesem Fall kann auf einer oder beiden Seiten (Bodenelement- und/oder Deckelelement-Seite) darauf noch die oben erwähnte dünne Zinnschicht aufgebracht werden. Werden Bodenelement und Deckelelement verpresst, kann sich eine Au/Sn-Legierung zwischen den Teilen ausbilden, die höher schmilzt als die reinen Metalle. Diese Technik wird auch als reaktives Fügen („Löten") bezeichnet.
  • Bei Bedarf werden der Versiegelungsrahmen und die Kontaktstrukturen stattdessen aus unterschiedlichen Materialien und/oder vermittels unterschiedlicher Technik gefertigt. Sie können dabei jeweils aus Metall bestehen. Der Versiegelungsrahmen kann stattdessen auch aus einem organischen Material bestehen, beispielsweise aus Polyimid oder Benzocyclobuten (BCB). Dieses Material wird auf einer oder auf beiden Seiten (Deckel- und/oder Bodenelement-Seite) in Form von Prepolymeren oder Monomeren flächig aufgebracht und über eine geeignete Maske belichtet. Nach Herauslösen des unbelichteten Materials erhält man den strukturierten Versiegelungsrahmen.
  • Statt der obigen Verfahren können natürlich beliebige andere Verfahren eingesetzt werden. So können Aluminiumstrukturen aufgesputtert oder aufgedampft werden. Insbesondere kann es günstig sein, die Kontakte in Form von Kugeln („Bumps") aufzulöten oder anderweitig punktuell, ohne vorherige Flächenbeschichtung, aufzubringen.
  • Über diese Bumps lässt sich der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Sensoroberfläche sehr genau einstellen.
  • Die Bumps oder sonstigen erhabenen Kontaktstellen lassen sich vorteilhaft gleichermaßen als Strukturen für die Justierung zwischen dem Bodenwafer und dem Deckelelement/Deckelwafer bzw. den einzelnen Gehäuseelementen einsetzen. Hierfür werden sie oder einige von ihnen geringfügig höher (z. B. ca. 0,5–5 μm höher) als der Versiegelungrahmen aufgebaut. Die Verbindung des Bodenelements/Bodenwafers mit dem Deckelement/Deckelwafer erfolgt in diesen Fällen vorzugsweise zweistufig. In der ersten Stufe werden die Teile relativ zueinander in die korrekte horizontale Lage verbracht und zur Speicherung dieser Lage vorfixiert. Hierfür sind 1 bis 3 Haltepunkte pro (späterem) Gehäuse ausreichend; günstig sind etwa bis zu 4 Haltepunkte. Der Versiegelungsrahmen darf in dieser Phase noch nicht abdichten, es ist wünschenswert, dass ein Spalt von ca. 1–2 μm verbleibt. Der Fixierungsprozess erfolgt vorzugsweise mit einem vorgewärmten Substrat (günstig sind 100–150°C) und einem mäßigen Anpressdruck (günstig sind häufig 20–35 gr. Anpressdruck pro Fixierungsstruktur des Chips). Vorteilhaft ist auch eine Ultraschalleinleitung in den Chip (lateral oder vertikal), wodurch sowohl die Kraft als auch die Vortemperierung und Prozesszeit reduziert werden können. Die Ultraschalleinleitung kann mit oder ohne Bauteiltemperierung durchgeführt werden, wobei darauf zu achten ist, dass die Temperatur der Teile unterhalb der Schmelztemperatur des jeweils am niedrigsten schmelzenden Metalls bleibt. Organische Fügehilfsmittel sollten bei dieser Verfahrensvariante in der Regel weggelassen werden.
  • In einer zweiten Stufe wird das vorfixierte Bauteil sodann in eine Kammer verbracht, in der eine gewünschte Gasatmosphäre mit dem Druck (bzw. Unterdruck/Vakuum) bereitgestellt wird, wie sie nach dem Verpressen in den Kavitäten der fertigen Bauteile herrschen soll. Dort wird das Bodenelement/der Bodenwafer mit dem Deckelelement/Deckelwafer unter Anwendung geeigneter Drücke, beispielsweise ca. 20–60 N/cm2 verpresst, optional unter Erwärmen mindestens einer der Seiten (meist des Bodenwafers) oder von beiden Seiten. Die Temperatur hierfür hängt von den eingesetzten Materialien ab und kann vom Fachmann unschwer ermittelt werden. Sie liegt bei der Versiegelung durch einen Doppelrahmen mit Gold oder Kupfer auf dessen Oberfläche in der Regel bei ca. 240–420°C, kann aber selbstverständlich in geeigneter Weise angepasst werden, wenn andere Materialien eingesetzt werden. Die Verpressung erfolgt derart, dass die gewünschte Dichtigkeit erzielt wird.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
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Claims (24)

  1. Mikrostrukturiertes Bauteil mit Mikrosensoren oder anderen aktiven Mikrobauelementen, umfassend ein Substrat (1), das mit elektrischen Leiterbahnen versehen ist, sowie auf dem Substrat angeordnet mindestens ein Gehäuse (2, 3, 4; 15, 30, 40, 20) mit einer oder mehreren darin befindlichen aktiven Mikrostrukturen (5; 70, 70'), wobei mindestens eine, vorzugsweise jede der aktive(n) Strukturen durch das sie umgebende Gehäuse (4; 15) hindurch elektrisch (7, 8, 9; 80, 90, 100) an eine elektrische Leiterbahn des Substrats und vorzugsweise an eine Halbleiterschaltung ankontaktiert ist.
  2. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 1, worin das Substrat für jedes der darauf angeordneten Gehäuse mindestens eine für die darin befindliche(n) aktive(n) Mikrostruktur(en) anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweist.
  3. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, worin das Material des die Schaltung(en) tragenden oder umgebenden Substrats ein anorganisches Material ist, vorzugsweise ausgewählt unter Si, SiC, GaAs und InP.
  4. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, worin die genannte Schaltung eine elektronische Auswerteschaltung mit Schaltkreisen zur Ansteuerung des oder der in dem Gehäuse vorhandenen Sensorelements und/oder zur Messung von dessen Signalen und/oder zur Kommunikation mit mindestens einem externen elektrischen Schaltkreis ist.
  5. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin die mindestens eine Schaltung ein oder mehrere Elemente aufweist/aufweisen, die mindestens einen der Effekte bewirken, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Signalverstärkung, Linearisierung der Signale, intelligenter Signalfilterung, Kompensation des Temperaturgangs eines Signals, Positionskontrolle einer schwingungsfähigen Mikrostruktur, Selbsttest eines Sensors, Detektion von Signalen auf Glaubwürdigkeit und/oder Gebrauchsfähigkeit und Helligkeitsanpassung eines Bildsensors, besteht.
  6. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die aktive(n) Struktur(en) mit Hilfe einer Lotverbindung, vorzugsweise aus Weichlot oder erhalten durch eine Diffusionslötung, oder durch anisotrop oder isotrop leitfähiges Kleben oder durch ungefüllte Engspaltklebverbindungen elektrisch an die genannte elektrische Leiterbahn des Substrats ankontaktiert ist/sind.
  7. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin jedes Gehäuse aus einem Bodenelement und einem Deckelelement gebildet ist, zwischen denen sich die aktive(n) Struktur(en) befindet/befinden, die über einen Versiegelungsrahmen (3; 30, 40) miteinander verbunden sind, der den Abstand zwischen den Oberflächen von Boden- und Deckelelement bestimmt.
  8. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 7, worin mindestens eine oder jede der elektrischen Ankontaktierung(en) der aktive(n) Struktur(en) durch das sie umgebende Gehäuse an die genannte elektrische Leiterbahn über eine elektrisch leitende Struktur erfolgt, welche sich durch eine Ausnehmung im Bodenelement bis auf dessen Außenseite erstreckt, die dem Substrat zugewandt ist.
  9. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 8, worin sich die Ausnehmung zu der dem Substrat zugewandten Außenseite des Bodenelements hin konusförmig erweitert.
  10. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der Ansprüche 8 oder 9, worin die Außenseite des Bodenelements, die dem Substrat zugewandt ist, mit einer Passivierungsschicht abgedeckt ist, die nur diejenigen Orte der elektrisch leitenden Struktur offen lässt, die als elektrische Kontaktpunkte vorgesehen sind, wobei auf denjenigen Orten der elektrisch leitenden Struktur, die als elektrische Kontaktpunkte vorgesehen sind, ein Kontaktmaterial, vorzugsweise aus Palladium, Nickel, Gold oder Kupfer, und/oder ein Lotmaterial, vorzugsweise in Form von umgeschmolzenen Lotkugeln, vorhanden ist.
  11. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 10, worin sich mindestens einer der elektrischen Kontaktpunkte zumindest teilweise über der Ausnehmung befindet, durch die er mit der elektrisch leitenden Struktur verbunden ist, oder worin sich mindestens einer der elektrischen Kontaktpunkte beabstandet von der Ausnehmung befindet, durch die er mit der elektrisch leitenden Struktur verbunden ist.
  12. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin jedes Gehäuse mehr als eine aktive Struktur enthält und der Versiegelungsrahmen so ausgestaltet ist, dass mindestens zwei aktive Strukturen gasdicht voneinander getrennt sind oder dass der Versiegelungsrahmen mindestens eine der aktiven Strukturen nicht hermetisch umschließt und/oder dass der Versiegelungsrahmen eine begrenzte oder kontrollierte Gaszufuhr zu mindestens einer der aktiven Strukturen erlaubt.
  13. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem es sich um eine Inertialmesseinheit oder einen Teil davon handelt.
  14. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem es sich um einen skalierfähigen Messeinheit handelt, vorzugsweise ausgewählt unter Messeinheiten unter Einschluss mindestens eines Bildsensors, Mikrofons, Drucksensors oder Spiegels oder eines sonstigen Aktuators oder einer Kombination davon.
  15. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 13, umfassend einen, zwei oder drei verschiedene Beschleunigungssensoren, die ggf. Beschleunigungen in mindestens zwei der drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen x, y, z detektieren können und/oder einen, zwei oder drei Drehratensensoren, die ggf. Drehraten in mindestens zwei der drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen x, y, z detektieren können.
  16. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche 14 oder 15, zusätzlich umfassend mindestens eine Batterie oder mindestens einen Akkumulator.
  17. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche 15 oder 16, worin die genannten Sensoren innerhalb eines Gehäuses untergebracht sind.
  18. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 17, worin das mindestens eine Gehäuse mehrere Kavitäten aufweist und unterschiedlichen Sensoren in unterschiedlichen Kavitäten untergebracht sind.
  19. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 17, worin das mindestens eine Gehäuse eine oder mehrere Kavitäten aufweist und mindestens zwei Sensoren in derselben Kavität angeordnet sind.
  20. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 19, worin das mindestens eine Gehäuse aus einem Bodenelement und einem Deckelelement gebildet ist, die über einen Versiegelungsrahmen miteinander verbunden sind, und mindestens ein Sensor am Bodenelement und/oder mindestens ein Sensor am Deckelelement befestigt oder integral damit ausgebildet ist.
  21. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 20, worin das Deckelelement auf seiner dem Inneren des Gehäuses zugewandten Oberfläche mindestens eine elektrische Kontaktstelle (50) trägt, die mit einem am Deckelement befestigten oder integral damit ausgebildeten Sensor in leitendem Kontakt steht, und worin die mindestens eine genannte elektrische Kontaktstelle (50) mit einer auf der dem Inneren des Gehäuses zugewandten Oberfläche des Bodenelements befindlichen, elektrischen Kontaktstelle (50') elektrisch leitend verbunden ist, die ihrerseits durch das sie umgebende Gehäuse (4, 5, 6) hindurch elektrisch (7, 8) an die genannte elektrische Leiterbahn des Substrats ankontaktiert ist.
  22. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 21, worin der Sensor, der am Deckelelement befestigt oder integral damit ausgebildet ist, ausschließlich über die mindestens eine im Deckelelement befindliche elektrische Kontaktstelle (50) mit der auf der dem Inneren des Gehäuses zugewandten Oberfläche des Bodenelements befindlichen, elektrischen Kontaktstelle (50') elektrisch leitend verbunden ist.
  23. Mikrostrukturiertes Bauteil nach Anspruch 21 oder 22, worin der bzw. die Versiegelungsrahmen (3; 30, 40) und die Verbindung(en) zwischen den Kontaktstellen (50, 50') aus demselben Material/denselben Materialien bestehen.
  24. Mikrostrukturiertes Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend mindestens zwei unterschiedliche Sensoren, die in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht sind.
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