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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verkappten
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Bauelementen, bei dem eine
Vielzahl von MEMS-Einheiten auf einem Bauelementwafer erzeugt wird,
bei dem dann ein Kappenwafer auf dem Bauelementwafer montiert wird,
so dass jede MEMS-Einheit mit einer Kappenstruktur versehen wird,
und bei dem die so verkappten MEMS-Einheiten schließlich
zu MEMS-Bauelementen vereinzelt werden.
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Bei
vielen Anwendungen müssen MEMS-Bauelemente unter exakt
definierten Umgebungsbedingungen betrieben werden. Aus diesem Grund
werden beispielsweise mikromechanische Drehraten- und Beschleunigungssensoren
unter Schutzgas und bei einem vorgegebenen Druck eingeschlossen.
In der Praxis wird dazu eine Kappe auf der Chipoberfläche über
der mikromechanischen Sensorstruktur montiert. Zur Herstellung einer
zuverlässigen druckdichten Verbindung zwischen der Kappe
und der Chipoberfläche wird meist ein Bondverfahren verwendet.
Die Verkappung erfolgt in der Regel auf Waferebene, d. h. vor der
Vereinzelung der Bauelemente, wobei sich auch die Kappenstrukturen noch
im Waferverbund befinden. Kappenwafer werden typischerweise mit
wenigen Fertigungsschritten strukturiert. So werden beispielsweise
häufig Vertiefungen in die Waferoberfläche eingebracht,
die nach der Montage jeweils einen Hohlraum über der mikromechanischen
Struktur eines Bauelements bilden. Als Kappenwafer wird typischerweise
ein Standard-Siliziumwafer verwendet. Die Dicke eines solchen Wafers
beträgt bei einem Durchmesser von 150 mm zwischen 500 μm
und 650 μm und bei einem Durchmesser von 200 mm ca. 750 μm.
Dünnere Wafer können in den üblichen
Halbleiterfertigungslinien nicht gehandhabt werden, da sie eine
zu geringe mechanische Stabilität haben.
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In
der Regel wird der Waferstapel, bestehend aus dem Bauelementwafer
und dem Kappenwafer, nach der Montage des Kappenwafers und vor der
Vereinzelung abgedünnt, um die Bauhöhe der so verkappten
MEMS-Bauelemente zu verringern. In der Praxis geschieht dies durch
mechanischen Abtrag mittels Grinding. Um sehr dünne Bauelemente zu
erzeugen, wie sie in der Consumer Electronic gefordert werden, müssen
sowohl der Bauelementwafer als auch der Kappenwafer abgedünnt
werden, was sehr aufwendig ist. Zudem besteht bei einem mechanischen
Materialabtrag immer die Gefahr, dass die mechanische Struktur der
Bauelemente Schaden nimmt.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 50 036 A1 wird ein Verfahren zum Vereinzeln
von sehr dünnen Halbleiterchips beschrieben, die innerhalb
einer Funktionsschicht auf einem Wafersubstrat erzeugt werden. Gemäß diesem
Verfahren werden unterhalb der Funktionsschicht Hohlräume
im Substrat erzeugt, so dass die Funktionsschicht lediglich über
Stützstellen mit dem Substrat unterhalb der Hohlräume
verbunden bleibt. Die Vereinzelung der Halbleiterchips erfolgt hier
in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird die Funktionsschicht
so strukturiert, dass die einzelnen Halbleiterchips nur noch über
die Stützstellen mit dem Substrat verbunden sind und im
Waferverbund gehalten werden. Erst im zweiten Schritt werden die
Halbleiterchips auch noch vom Substrat getrennt, indem die Stützstellen
aufgebrochen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung von sehr dünnen verkappten MEMS-Bauelementen
vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß wird
dazu in einer Oberfläche des Kappenwafers eine Membranschicht
ausgebildet, indem in einem oberflächenmikromechanischen
Verfahren mindestens eine Kaverne unterhalb der Membranschicht erzeugt
wird, wobei Stützstellen ausgebildet werden, die die Membranschicht
mit dem Substrat unterhalb der Kaverne verbinden. Der so strukturierte
Kappenwafer wird dann in Flip-Chip-Technik auf dem Bauelementwafer
montiert, so dass die MEMS- Einheiten des Bauelementwafers durch
die Membranschicht verkappt werden. Erst danach werden die Stützstellen
zum Entfernen des Substrats durchtrennt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
die Herstellung von sehr dünnen bis ultradünnen Kappenstrukturen
in einer Membranschicht des Kappenwafers, ohne dass es dazu eines
Grinding-Prozesses zum Abdünnen des Kappenwafers bedarf. Des
Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren die Montage derartig dünner Kappenstrukturen
auf der Chipoberfläche von MEMS-Bauelementen. Dazu nutzt
das erfindungsgemäße Verfahren ausschließlich
bekannte Prozesse der Oberflächenmikromechanik (OMM) und
bekannte Montagetechniken, die sich einfach in den Fertigungsprozess
vom MEMS-Bauelementen integrieren lassen. So kann die Membranschicht
des Kappenwafers bzw. die Kaverne unterhalb der Membranschicht beispielsweise in
porSi-Technik erzeugt werden, wie dies bereits in der
DE 103 50 036 A1 beschrieben
ist. Das Handling der Membranschicht insbesondere bei der Montage wird
dadurch vereinfacht, dass die Membranschicht zunächst über
Stützstellen mit dem Substrat des Kappenwafers verbunden
bleibt. Diese Stützstellenverbindung der Membranschicht
mit dem Substrat des Kappenwafers ermöglicht zum einen
die Montage in Flip-Chip-Technik und zum anderen auch den Einsatz
von Standardverbindungstechniken, wie anodisches Bonden oder Sealglas-Ronden
oder eutektisches Bonden, mit denen sich eine zuverlässige und
druckdichte Verbindung zwischen dem Bauelementwafer und der Membranschicht
des Kappenwafers herstellen lässt. Die Stützstellen
sind so ausgelegt, dass die Membranschicht sowohl während
einer etwaigen Prozessierung als auch während der Montage
auf dem Bauelementwafer fest mit dem Substrat des Kappenwafers verbunden
ist. Gleichzeit sind die Haltekräfte der Stützstellen
aber so klein, dass die Stützstellen Sollbruchstellen beim
Abtrennen des Substrats nach der Montage der Membranschicht auf dem
Bauelementwafer bilden. Dieses Abtrennen kann entweder vor dem Vereinzelungsprozess,
also auf Waferlevel, oder auch erst danach, also auf Chiplevel,
erfolgen.
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Im
Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird auch die Oberfläche des Kappenwafers strukturiert,
um in der Membranschicht eine Vielzahl von Kappenstrukturen auszubilden
entsprechend der Vielzahl von MEMS-Einheiten auf dem Bauelementwafer.
So kann beispielsweise für jede MEMS-Einheit eine Vertiefung
in der Membranschicht erzeugt werden, wenn zwischen der Chipoberfläche
und der Kappenstruktur ein Hohlraum eingeschlossen werden soll.
Außerdem können durch entsprechende Strukturierung
der Membranschicht die Konturen der einzelnen Kappenstrukturen in
die Membranschicht übertragen werden, um den Vereinzelungsprozess
zu vereinfachen Im Rahmen einer solchen Strukturierung lassen sich
die Kappenstrukturen bereits soweit freilegen, dass sie nur noch über
die Stützstellen im Waferverbund gehalten werden. In diesem
Fall muss dann nur noch der Bauelementwafer durchtrennt werden,
um die im Waferverbund verkappten MEMS-Bauelemente zu vereinzeln.
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Des
Weiteren lassen sich in die Oberfläche des Kappenwafers,
d. h. in die Membranschicht, elektronische Schaltungselemente integrieren,
um auch die Kappenstrukturen mit einer elektronischen Funktionalität
auszustatten (sogenannte IC-Cap). Eine derartige Schaltungsanordnung
erweist sich nicht nur im Hinblick auf eine Miniaturisierung der MEMS-Bauelemente
als vorteilhaft sondern auch im Hinblick auf den Einsatz dieser
verkappten MEMS-Bauelemente in einer aggressiven Umgebung. Da der
Kappenwafer und der Bauelementwafer face-to-face montiert werden,
sind die Schaltungselemente innenliegend angeordnet und dementsprechend
gegen Umwelteinflüsse geschützt.
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Wie
bereits erwähnt, werden die Stützstellen zwischen
der Membranschicht und dem Substrat des Kappenwafers nach der Montage
auf dem Bauelementwafer durchtrennt, um das Substrat zu entfernen.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dazu Pressluft zwischen die Membranschicht und das
Substrat des Kappenwafers eingeblasen. Die Stützstellen
können aber auch mit Hilfe eines Wasserstrahls aufgebrochen
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 verwiesen
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Figuren.
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1a bis 1f veranschaulichen
die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung von verkappten MEMS-Bauelementen anhand von schematischen
Schnittdarstellungen, und
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2a bis 2e veranschaulichen
die einzelnen Schritte einer Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ebenfalls anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1a ist
zunächst nur ein Kappenwafer 10 dargestellt. In
der Oberseite des Kappenwafers 10 ist eine Membran 12 ausgebildet,
die eine ganzflächige Kaverne 13 im Kappenwafer 10 überspannt.
Die Membran 12 ist über Stützstellen 14 mit
dem Substrat 11 unterhalb der Kaverne 13 verbunden.
Die Stützstellen können z. B. in Form von Stegen
oder Säulen dargestellt werden. Als Kappenwafer 10 kann vorteilhafterweise
ein porSi-Membranwafer verwendet werden. Es ist bekannt, dass PorSi-Membranwafer
mit großflächigen Membranen für die Herstellung von
ultradünnen IC-Chips verwendet werden können.
Die Membrandicke derartiger porSi-Membranwafer liegt in einem Bereich
zwischen wenigen μm und mehreren 100 μm und kann
einfach durch den die Membran bildenden Epitaxieprozess vorgegeben werden.
Dementsprechend kann die Membrandicke eines porSi-Membranwafers
auch einfach an die jeweiligen mechanischen Erfordernisse einer
Kappenstruktur angepasst werden.
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1b zeigt
den Kappenwafer 10 nach einer Strukturierung der Oberseite,
wobei eine Vielzahl von Vertiefungen 15 in der Membran 12 erzeugt
worden sind. Im Falle eines porSi-Membranwafers kann die Oberseitenstrukturierung
einfach mit Standardprozessen der Halbleitertechnik realisiert werden.
Außerdem wurden Bondstege 16 aus Sealglas auf
die strukturierte Oberseite des Kappenwafers 10 aufgebracht,
um den Kappenwafer 10 face-to-face mit einem Bauelementwafer
zu verbinden.
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Die
Montage des so präparierten Kappenwafers 10 erfolgt
in Flip-Chip-Technik, was durch 1c veranschaulicht
wird. Hier ist unterhalb des umgedrehten Kappenwafers 10 ein
Bauelementwafer 1 mit einer Vielzahl von MEMS-Einheiten 2 dargestellt.
Die Anordnung und Dimensionierung der Vertiefungen 15 in
der Membranschicht 12 ist auf die Anordnung und Abmessungen
der MEMS-Einheiten 2 auf dem Bauelementwafer 1 abgestimmt.
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1d zeigt
den Bauelementwafer 1 nach der Montage des Kappenwafers 10.
Dabei wurde jede MEMS-Einheit 2 des Bauelementwafers 1 mit
einer Kappenstruktur 17 versehen, wobei die Kappenstrukturen 17 jeweils
durch einen Bereich der Membranschicht 12 mit einer Vertiefung 15 gebildet
werden. Wie bereits angedeutet wurde hier als Montagetechnik Sealglas-Ronden
gewählt. Da die Bondstege 16 jeweils umlaufend
im Randbereich der Kappenstrukturen 17 angeordnet sind,
ist jede einzelne Kappenstruktur 17 druckdicht mit der
Chipoberfläche der entsprechenden MEMS-Einheit 2 verbunden.
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Im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Substrat 11 des
Kappenwafers 10 nach der Montage auf dem Bauelementwafer 1 entfernt,
was durch 1e veranschaulicht wird. Dazu
werden die Stützstellen 14 zwischen der Membranschicht 12 und dem
Substrat 11 des Kappenwafers 10 durchtrennt. In
einfachster Weise geschieht dies durch Abreißen durch ein
Abpick-Tool. Das Aufbrechen der Stützstellen 14 kann
beispielsweise durch Einblasen von Pressluft (oder anderer gasförmiger
Medien) zwischen die Membranschicht 12 und das Substrat 11 oder
auch mit Hilfe von Wasserstrahldüsen (oder anderer flüssiger
Medien) unterstützt werden. Dabei wird die Funktionalität
der Membranschicht 12 bzw. der Kappenstrukturen 17,
die ja fest mit der Oberseite des Bauelementwafers 1 verbunden
sind, nicht beeinträchtigt. Das abgetrennte Substrat 11 des
Kappenwafers 10 kann ggf. einer Wiederverwendung zugeführt
werden.
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Nun
erfolgt die Vereinzelung der mit Kappenstrukturen 17 versehenen
MEMS-Einheiten 2, was in 1f dargestellt
ist. Dazu können ebenfalls Standardmethoden angewendet
werden, bei denen der Bauelementwafer 1 zusammen mit der
Membranschicht 12 durchtrennt wird.
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Auch
bei der in den 2a bis 2e dargestellten
Verfahrensvariante wird ein Kappenwafer 20 mit einer Vielzahl
von Kappenstrukturen 27 auf einem Bauelementwafer 1 mit
einer Vielzahl von MEMS-Einheiten 2 montiert, wobei jede MEMS-Einheit 2 mit
einer Kappenstruktur 27 versehen wird. Erst dann werden
die so verkappten MEMS-Einheiten vereinzelt.
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Wie
im Falle der 1a ist auch in der 2a zunächst
nur der Kappenwafer 20 dargestellt, in dessen Oberseite
eine ganzflächige Membran 22 ausgebildet ist.
Diese überspannt eine Kaverne 23 und ist über
Stützstellen 24 mit dem Substrat 21 unterhalb
der Kaverne 23 verbunden. Zusätzlich zu ihrer
mechanischen Funktion, nämlich der Verkapselung einer MEMS-Einheit,
ist hier jede Kappenstruktur 27 auch noch mit einer elektrischen
Funktionalität in Form von elektronischen Schaltungselementen 28 ausgestattet.
Auch in diesem Zusammenhang erweist sich die Verwendung eines porSi-Membranwafers
als Kappenwafer als vorteilhaft, da sich porSi-Membranwafer einfach
in einer Standard-IC-Fertigungslinie prozessieren lassen, um beispielsweise ASIC-Schaltungen 28 in
der Membranoberfläche zu erzeugen.
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Im
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Membranschicht 22 strukturiert,
um die Kappenstrukturen 27 in der für die jeweiligen
MEMS-Einheiten 2 erforderlichen Geometrie zu separieren.
Vorteilhafterweise erfolgt diese Strukturierung der Membranschicht 22 in
einem Deep-Trench-Prozess, der das Substrat 21 allenfalls
tangiert, so dass die einzelnen Kappenstrukturen 27 zumindest
noch über die Stützstellen 24 im Waferverbund
gehalten werden. Dies ist in 2b dargestellt.
Wie schon im Fall des in Verbindung mit den 1a bis 1f beschriebenen
Ausführungsbeispiels erfolgt die Montage des Kappenwafers 20 auf
dem Bauelementwafer 1 durch Sealglas-Ronden. Dazu wird
jede Kappenstruktur 27 mit einem umlaufenden Sealrand 26 versehen.
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2c veranschaulicht
die Montage des so präparierten Kappenwafers 20 in
Flip-Chip-Technik, d. h. face-to-face mit dem Bauelementwafer 1.
Die elektrisch aktive Oberseite des Kappenwafers 20 weist
dabei in Richtung der zu verkappenden Oberseite des Bauelementwafers 1.
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Dementsprechend
befinden sich nach der Montage sowohl die MEMS-Einheiten 2 als
auch die ASIC-Schaltungen 28 jeweils innerhalb des Hohlraums 29 zwischen
Kappenstruktur 27 und Chipoberfläche. Dieser Hohlraum 29 ist
durch den Sealrand 26 hermetisch versiegelt. Die elektrische
Kontaktierung zwischen MEMS-Einheit 2 und Kappen-ASIC 28 der Bauelemente
ist hier nicht gesondert dargestellt lässt sich aber einfach
in die MEMS-Einheiten 2 und ASICs 28 integrieren.
Die Anschlusskontakte 3 für das gesamte MEMS-Bauelement
sind hier jeweils in der Chipoberfläche der MEMS-Einheit 2 ausgebildet. Dementsprechend
sind die Kappenstrukturen 27 so dimensioniert, dass die
Anschlusskontakte 3 eines Bauelements von außen
zugänglich sind, was insbesondere durch 2d verdeutlicht
wird. Diese Figur zeigt den Bauelementwafer 1 nach der
Montage des Kappenwafers 20 und nach dem Entfernen des
Substrats 21. Dazu wurden einfach die Stützstellen 24 zwischen
den bereits vereinzelten Kappenstrukturen 27 und dem Substrat 21 durchtrennt.
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Im
vorliegenden Fall muss nun lediglich noch der Bauelementwafer 1 aufgetrennt
werden, um die verkappten MEMS-Einheiten 2 zu vereinzeln,
was in 2e dargestellt ist.
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2e verdeutlicht
genauso wie 1f, dass die Überreste
der Stützstellen zwischen der Membranschicht und dem Substrat
des Kappenwafers auch am fertigen MEMS-Bauelement noch erkennbar
sind und auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
schließen lassen.
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Die
voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiele
veranschaulichen, dass das erfindungsgemäße Verfahren
kompatibel ist mit Standard-Halbleiterprozessen und insbesondere
auch mit Standard-MEMS-Prozessen. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren lassen sich einfach Bauelemente mit gleichmäßig
dünnen und insbesondere auch ultradünnen Kappen
realisieren, deren Dicke sich ausschließlich nach den mechanischen
Anforderungen an die Kappe bestimmt. Da das überflüssige
Substratmaterial des Kappenwafers an einem Stück entfernt
wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr effektiv
und kostengünstig. Außerdem wird der Waferstack
dabei nur sehr geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Entsprechend
klein ist das Risiko einer mechanischen Beschädigung der MEMS-Komponenten
und die damit verbundenen Ausbeuteverluste. Außerdem bietet
das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit
einer Wiederverwertung des abgetrennten Kappenwafersubstrats.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10350036
A1 [0004, 0007]