DE102010005465B4

DE102010005465B4 - Elektrisches oder elektronisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines Anschlusses

Info

Publication number: DE102010005465B4
Application number: DE102010005465.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen M. Wolf; Dr. Engelmann Gunter; Dr. Oppermann Hermann; Prof. Dr. Reichl Herbert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: DE102010005465A1

Abstract

Elektrisches oder elektronisches Bauelement (1; 11) mit einem Substrat (3) und mindestens einem Anschluss, wobei auf dem Substrat (3) eine das Substrat (3) zumindest stellenweise bedeckende Schutzschicht (4) angeordnet ist und wobei der Anschluss eine an einer Oberfläche des Substrats (3) angeordnete Kontaktfläche (5) sowie einen auf der Kontaktfläche (5) angeordneten massiven metallischen Sockel (8) umfasst, wobei die Schutzschicht (4) auch einen Rand der Kontaktfläche (5) bedeckt, wobei der Sockel (8) eine durch die Schutzschicht (4) über dem Rand der Kontaktfläche (5) gebildete Stufe überragt und wobei auf dem Sockel (8) eine metallische Kontaktierungsschicht angeordnet ist, die eine Struktur (2; 12) mit einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2; 12) durch ein schwammartiges, Hohlräume aufweisendes Gerüst gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches oder elektronisches Bauelement und eine Anordnung, die zwei derartige Bauelemente umfasst, ein Verfahren zum Herstellen eines Anschlusses sowie ein Verfahren zum Verbinden von zwei elektrischen oder elektronischen Bauelementen.
Gattungsgemäße, beispielsweise aus der US 2005/0 112 861 A1 und der DE 10 2004 047 522 B3 bekannte, elektrische oder elektronische Bauelemente weisen ein Substrat und mindestens einen Anschluss auf, wobei der Anschluss eine an einer Oberfläche des Substrats angeordnete Kontaktfläche und einen auf der Kontaktfläche angeordneten massiven metallischen Sockel umfasst und wobei das Substrat zumindest stellenweise von einer Schutzschicht bedeckt ist. Die Schutzschicht dient dabei dazu, das Bauelement vor Beschädigungen durch mechanische Belastungen oder durch Feuchtigkeit zu schützen. Ein bekanntes Verfahren zur elektrischen und mechanischen Verbindung eines elektronischen Bauelementes mit einem elektrischen Anschluss auf einem anderen Substrat stellt z. B. die Flip-Chip-Verbindung dar. Der metallische Sockel ist dann durch ein sogenanntes Bump gegeben, wobei ein entsprechender Bump auch auf dem anderen Substrat aufgebracht ist und wobei die Bumps durch Thermokompressionsbonden oder Löten zusammengefügt werden.
Nachteilig an diesem Verfahren ist die Tatsache, dass dabei ein hoher Anpressdruck und eine hohe Temperatur erforderlich sind zur Herstellung einer zuverlässigen leitfähigen Verbindung zwischen zwei Bauelementen, die häufig empfindlich sind und durch eine zu hohe Temperatur und einen zu hohen Druck zerstört werden können. Reduziert man dagegen bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Verbinden elektrischer oder elektronischer Bauteile den Anpressdruck oder die Temperatur, so erhöht sich das Risiko, dass keine zuverlässige Verbindung zustande kommt.
Es ergibt sich daher die Aufgabe, Maßnahmen vorzuschlagen, mit denen eine sichere und leitfähige Verbindung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements mit anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten auch unter Anwendung eines vergleichsweise geringen Drucks und bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen möglich wird. Gleichzeitig sollen die Qualität der Verbindung, die Zuverlässigkeit und das Miniaturisierungspotential verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches oder elektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Anschlusses mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Verfahren zum Verbinden zweier elektrischer oder elektronischer Bauelemente gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird demnach ein gattungsgemäßes elektrisches oder elektronisches Bauelement, bei dem die Schutzschicht auch einen Rand der Kontaktfläche bedeckt, wobei der Sockel eine durch die Schutzschicht über dem Rand der Kontaktfläche gebildete Stufe überragt und wobei auf dem Sockel eine metallische Kontaktierungsschicht angeordnet ist, die eine Struktur mit einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm bildet. Typischerweise wird es sich bei dem so gestalteten Anschluss um einen elektrischen Anschluss handeln, es ist jedoch auch nicht ausgeschlossen, dass dieser Anschluss hauptsächlich oder ausschließlich einer mechanischen oder thermischen Verbindung dient. Durch die beschriebene Gestaltung des Anschlusses werden verschiedene Vorteile erreicht.
Dadurch, dass die Schutzschicht bis auf den Rand der Kontaktfläche reicht, wird zunächst ein wirkungsvoller Schutz des Substrats und darauf angeordneter elektrischer oder elektronischer Komponenten, wie z. B. Leiterbahnen, erreicht, weil eine Schwächung dieses Schutzes am Rand der Kontaktfläche vermieden wird. Dadurch, dass der massive Sockel wiederum die Stufe überragt, die sich so dort bildet, wo die Schutzschicht auf der Kontaktfläche endet, wird sichergestellt, dass diese Stufe und andere topographische Höhenunterschiede ähnlicher Größenordnung das Zustandekommen eines Kontakts zwischen dem Anschluss des Bauelements und einem anderen Anschluss nicht vereiteln können. Die auf dem Sockel angeordnete Kontaktierungsschicht, die ihre vorteilhafte Wirkung nur aufgrund dieses Sockels und seiner Höhe entfalten kann, sorgt nun aufgrund der durch sie gebildeten Struktur dafür, dass ein derartiger Kontakt auch ohne Anwendung hoher Anpressdrücke oder außerordentlich hoher Temperaturen zuverlässig zustande kommt, weil die Struktur aufgrund ihrer erhöhten effektiven Duktilität leichter verformbar ist und so eine verhältnismäßig großflächige und feste Verbindung mit geringem Kontaktwiderstand ermöglicht und wiederum unvermeidbare kleinere Unebenheiten auszugleichen vermag und weil sie geeignet ist, ggf. eine entsprechende Oberflächenstruktur eines anderen, zu kontaktierenden Anschlusses zu durchdringen.
Die Struktur ist durch ein schwammartiges, Hohlräume aufweisendes Gerüst gebildet. Um entsprechend große topographische Höhenunterschiede überbrücken zu können, kann der Sockel dabei unter Umständen eine Höhe aufweisen, die größer ist als eine Dicke der Kontaktierungsschicht.
Dadurch, dass der Sockel hinreichend hoch ausgeführt ist, können Inplanaritäten, also Oberflächenunebenheiten des Bauelementes, so weit ausgeglichen werden, dass die beispielsweise durch metallischen Säulen gebildete Struktur auch ahne hohen Anpressdruck einen gut leitenden Kontakt zu einem angrenzenden Anschluss eines anderen elektrischen oder elektronischen Bauelementes erhält. Die Struktur selbst sorgt dafür, dass der Kontakt verhältnismäßig großflächig ist, was einen vorteilhaft geringen Kontaktierwiderstand mit sich bringt, wobei die Struktur selbst wieder kleinere unvermeidbare Ungenauigkeiten bezüglich des Abstandes der zu verbindenden Anschlüsse ausgleichen kann. So wird die thermische und mechanische Belastung der Bauteile während einer elektrischen Verbindung zweier derartiger Bauteile verringert und gleichzeitig eine besonders zuverlässige und gut leitende Verbindung realisierbar, auch wenn das Volumen des Sockels mit der darauf angeordneten Struktur, das als Bumpkörpervolumen bezeichnet werden kann, vergleichsweise klein dimensioniert wird.
Die Schutzschicht, die als Passivierung dienen kann, wird vorzugsweise eine Schichtdicke von zwischen 50 nm und 30 μm haben und kann durch einen nach dem Auftragen vernetzenden polymeren Lack oder als beispielsweise durch Sputtern oder durch chemische Dampfauftragung (CVD) realisierte anorganische Dielektrikumsschicht ausgeführt sein. Im Fall eines Lacks liegt die Schichtdicke der Schutzschicht typischerweise zwischen 2 μm und 10 μm, im Fall einer anorganischen Dielektrikumsschicht typischerweise zwischen 0,5 μm und 2 μm. Die Höhe des Sockels ist jedenfalls größer als diese Schichtdicke und beträgt typischerweise, auch bei sehr dünnen Schutzschichten, mindestens 0,5 μm.
Das Substrat kann ein Halbleiter-Wafer, ein Halbleiterchip oder eine Leiterplatte sein, es kann insbesondere aus Silizium, faserverstärktem Harz, Glas, einer Folie oder Keramik gebildet sein. Somit kann die vorgeschlagene Kontaktstruktur für eine Vielzahl verschiedener Substrate verwendet werden.
Die Herstellung des Sockels kann insbesondere aus Gold, Kupfer, Nickel oder Zink erfolgen. Die die Struktur bildende Kontaktierungsschicht kann zum Beispiel aus Gold oder Kupfer oder Nickel oder Zink oder Zinn oder einer eines oder mehrere der genannten Metalle enthaltenden Legierung, insbesondere aus einer Zinnlegierung, oder aus einem anderen Lot hergestellt sein. Aus einer Vielzahl unterschiedlicher Metalle und Legierungen kann also jeweils für die gewünschte Anwendung passend für den Sockel und die Struktur ausgewählt werden.
Die genannte Struktur kann eine Mikro- oder eine Nanostruktur bilden. Als Mikrostruktur sei dabei eine Struktur bezeichnet, bei der laterale Ausdehnungen einzelner Erhebungen oder Vertiefungen jeweils größer als 1 μm sind, während die laterale Ausdehnung einzelner Erhebungen oder Vertiefungen einer Nanostruktur in mindestens einer Richtung kleiner ist als 1 μm. Strukturen dieser Art vereinen bei entsprechender Dimensionierung und Materialauswahl besonders ausgeprägt die Vorteile einer zuverlässigen und gut leitenden Kontaktierungsmöglichkeit und geringer Abmessungen. Günstig sind dabei insbesondere Schichtdicken der Kontaktierungsschicht von zwischen 10 nm und 20 μm im Fall von Nanostrukturen und von zwischen 1 μm und 50 μm im Fall von Mikrostrukturen. Die genannten lateralen Ausdehnungen sind typisch für Durchmesser von durch Einschlüsse der Kontaktierungsschicht verursachte Hohlräume oder die Strukturstärke des sie umgebenden Gerüstes.
Vorgeschlagen wird dementsprechend auch eine elektrische oder elektronische Anordnung, die ein erstes Bauelement mit einem Anschluss beschriebener Art sowie ein zweites elektrisches oder elektronisches Bauelement umfasst, das ebenfalls mindestens einen Anschluss mit einer eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassenden Struktur aufweist, wobei der Anschluss des zweiten Bauelementes elektrisch leitend mit dem mindestens einen Anschluss des ersten Bauelementes verbunden ist und die Struktur des Anschlusses des zweiten Bauelements so in die dazu komplementäre Struktur des Anschlusses des ersten Bauelements greift, dass die Strukturen der Anschlüsse sich gegenseitig durchdringen. Die ineinander greifenden und jeweils komplementären Strukturen der Anschlüsse sorgen so auf einer Fügefläche der zwei in beschriebener Weise verbundenen Bauelemente für einen besonders gut leitenden Kontakt.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung geeigneten Anschlusses eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes vorgeschlagen, bei dem auf einer Kontaktfläche eines zumindest stellenweise durch eine Schutzschicht bedeckten Substrats des Bauelements ein metallischer Sockel aufgebracht wird, wobei der Sockel so hoch ausgeführt wird, dass er eine durch die Schutzschicht über dem Rand der Kontaktfläche gebildete Stufe überragt, und wobei über dem genannten Sockel eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassende Struktur aufgebracht wird.
Das Verfahren lässt sich einfach durchführen, wenn die Schutzschicht die Kontaktfläche dabei zunächst vollständig bedeckt und dann vor dem Aufbringen des Sockels über der Kontaktfläche so entfernt wird, dass die Kontaktfläche mittig freigelegt wird, während der Rand der Kontaktfläche durch die Schutzschicht bedeckt bleibt. Die Schutzschicht kann dabei z. B. gebildet werden, indem ein Dielektrikum durch Sputtern oder CVD oder als nach dem Auftragen vernetzender Lack auf das Substrat aufgebracht wird.
Somit können der vorgeschlagene Anschluss und insbesondere die Struktur mit an sich bekannten Verfahrensschritten hergestellt werden, so dass die aufwendige Entwicklung, Erprobung und Optimierung einer neuen Fertigungsmethode nicht erforderlich ist. Ein vorteilhaftes Bauelement zuvor beschriebener Art lässt sich so mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellen.
In dem Verfahren wird die genannte Struktur in einem subtraktiven Verfahren durch lokales Ätzen aus einer oberen Schicht eines zweischichtigen Bumps, der zunächst massiv ausgeführt wird, gebildet. Der dadurch strukturierte Teil des Bumps bildet dann die Kontaktierungsschicht, die darunter liegende Schicht des Bumps den massiven Sockel. Die Struktur wird auf dem Sockel aufgebracht, indem zunächst eine inhomogene und zumindest teilweise metallische Schicht auf dem Sockel aufgebracht wird, in der mindestens zwei verschiedene Phasen oder Materialien unterschiedliche Bereiche bilden, wonach ein durch mindestens eine der Phasen oder Materialien gebildeter Teil der inhomogenen Schicht entfernt wird, so dass ein die Struktur bildendes metallisches Gerüst zurückbleibt. So kann insbesondere eine schwammartige Struktur zuvor erwähnter Art realisiert werden. Die inhomogene Schicht kann dabei z. B. durch eine Lotpaste mit organischen Einschlüssen oder durch eine inhomogene Legierung gebildet werden. Der zu entfernende Teil der inhomogenen Schicht kann beispielsweise durch Ätzen oder mit einem Lösungsmittel oder – unter Ausnutzung unterschiedlicher Schmelz- und/oder Verdampfungstemperaturen – durch Erhitzen entfernt werden.
Vor Aufbringen des Sockels auf der Kontaktfläche kann eine Haft- und Sperrschicht aufgetragen werden, wobei diese vorzugsweise durch einen Sputtervorgang aufgebracht werden kann. Diese Schicht bewirkt eine bessere Haftung für die darauf aufzubringen weiteren Schichten und wirkt zugleich als Diffusionssperrschicht.
Über der Kontaktfläche – und ggf. über der Haft- und Diffusionssperrschicht – kann eine Galvanikstartschicht abgeschieden werden, von der ausgehend der Sockel gebildet werden kann, wobei die Galvanikstartschicht vorzugsweise durch einen Sputterprozess aufgetragen werden kann. Durch das Aufbringen dieser Schicht wird eine Elektrode für die galvanische Abscheidung des metallischen Sockels hergestellt.
Der metallische Sockel kann durch galvanische Abscheidung von Metall über der Kontaktfläche, typischerweise auf der Galvanikstartschicht, hergestellt werden.
Für das Verbinden von zwei elektrischen oder elektronischen Bauelementen wird ein Verfahren vorgeschlagen, das das beschriebene oder ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung mindestens eines Anschlusses mindestens eines der zwei Bauelemente umfasst, wobei die zwei Bauelemente, vorzugsweise durch Thermokompressionsbonden oder Thermosonikbonden oder Löten oder Diffusionsfügen oder Kleben, so zusammengefügt werden, dass der mindestens eine Anschluss des einen Bauelementes mit einem Anschluss des anderen Bauelementes verbunden wird. Auch der Anschluss des anderen Bauelements wird dabei typischerweise ein elektrischer Anschluss sein. Auch die Strukturierung nur eines Anschlusses der zwei Bauelemente ermöglicht beim Zusammenfügen durch Löten oder Thermokompressionsbonden bereits einen schonenden Fügevorgang und damit eines größeres prozesstechnisches Fenster.
Für eine Verbesserung der Qualität der Verbindung, der Zuverlässigkeit und des Miniaturisierungspotenzial können die Fügeverfahren weiter optimiert werden. Insbesondere kann der mit dem Anschluss des ersten Bauelementes verbundene Anschluss des zweiten Bauelementes ebenfalls eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassende Struktur aufweisen, so dass sich die Strukturen beim Verbinden der Anschlüsse durchdringen. Die Vorteile der Strukturierung werden besonders gut genutzt, wenn jedes der zwei zusammenzufügenden Bauelemente mit der beschriebenen Struktur als Kontaktschicht ausgestattet wird.
Das Verfahren kann für eine Herstellung einer Flip-Chip-Kontaktierung eingesetzt werden. Bevorzugt ist das Verfahren für das Waferbumping von Halbleitern und elektronischen Komponenten und für Anwendungen, bei denen eine Vielzahl von kleinen Verbindungskontakten oder sensibeln Oberflächen vorgesehen ist, beispielsweise bei Mikroprozessorsystemen und einem dreidimensionalen Aufbau mehrerer funktionaler Ebenen, wirtschaftlich einsetzbar. Grundsätzlich kann das Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Verbindungsstrukturen auch für andere schonende Kontaktierungsverfahren in der Mikroelektronik verwendet werden, bei denen der aufzubringende Druck und die Temperatur im Vergleich zu bestehenden Verbindungsverfahren reduziert werden sollen, beispielsweise bei empfindlichen Sensorelementen. Des Weiteren kann das Verfahren für die Herstellung eines sogenannten DieBond eingesetzt werden. Hierfür wird auf der Rückseite des Bauelements eine entsprechend große Fläche nach dem beschriebenen Verfahren metallisiert, um das Bauelement rückseitig mit einem anderen Bauelement verbinden zu können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes mit einem elektrischen Anschluss, der eine Struktur im Mikrometerbereich trägt,
2 einen Querschnitt durch eine Anordnung von zwei derartigen elektrischen oder elektronischen Bauelementen,
3 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes mit einem elektrischen Anschluss, der eine als Nanostruktur ausgeführte Struktur trägt, und
4 einen Querschnitt durch eine Anordnung von zwei miteinander verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen der in 3 gezeigten Art.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes 1 mit einem elektrischen Anschluss, der eine im vorliegenden Fall durch eine einer Vielzahl metallischer Säulen im Mikrobereich gebildete Struktur 2 trägt. Auf einem Substrat 3 des Bauelements ist eine Schutzschicht 4 aufgebracht, die für eine Kontaktfläche 5 unterbrochen ist, wobei die Schutzschicht 4 auch einen oberen Rand der Kontaktfläche 5 bedeckt. Auf der Kontaktfläche 5 ist eine Haft- und Diffusionssperrschicht 6 und auf der Haft- und Diffusionssperrschicht 6 eine Galvanikstartschicht 7 angeordnet. Über der Galvanikstartschicht 7 ist ein metallischer Sockel 8 und darauf eine metallische Kontaktierungsschicht angeordnet, wobei die Kontaktierungsschicht hier durch die eine Vielzahl metallischer Säulen umfassende Struktur 2 gegeben ist. Die Kontaktfläche 5 bildet zusammen mit der Haft- und Diffusionssperrschicht 6, der Galvanikstartschicht 7, dem metallischen Sockel 8 und der ebenfalls metallischen Struktur 2 einen von eventuell mehreren elektrischen Anschlüssen des abgebildeten Bauelementes 1.
Das Substrat 3 kann ein Halbleiter-Wafer, ein Halbleiterchip oder eine Leiterplatte sein, wobei das Substrat 3 im Fall eines Halbleiter-Wafers oder eines Halbleiterchips vorzugsweise aus Si, SiGe, GaAs oder InP und im Fall einer Leiterplatte vorzugsweise aus faserverstärktem Harz, Glas, einer Folie oder Keramik gebildet ist.
Die Schutzschicht 4, die eine Passivierung auf der Substratoberfläche bildet, dient der elektrischen Isolierung und dem Schutz des Bauelements 1 gegen mechanische und chemische Einwirkung sowie vor Feuchtigkeit. Die Schutzschicht 4 ist ein Dielektrikum, das aus SiO₂, Si₃N₄, Glas oder einem Polymer, beispielsweise Polyimid oder BCB, bestehen kann. Die Schutzschicht 4 hat eine Schichtdicke von etwa 1 μm bis 2 μm, wobei im Fall einer Bildung aus einem Polymer unter Umständen auch größere Dicken bis zu 30 μm, bei einer Bildung aus einem anorganischen Material geringere Dicken bis hinunter zu 50 nm in Frage kommen. Die Schutzschicht 4 kann bei einer Bildung aus einem Polymer in Form eines anschließend vernetzenden Lacks, bei einer Bildung aus einem anorganischen Material durch Sputtern oder CVD abgeschieden werden. Bei der Herstellung des Anschlusses entsteht durch die Abscheidung der Schutzschicht 4 auf der Kontaktfläche 5 und die anschließende Öffnung eines Fensters auf derselben eine Topographie mit einer Stufe, deren Höhe der Schichtdicke der Schutzschicht 4 entspricht. Zusätzlich sind ähnliche topographische Höhenunterschiede auch durch Überlappung anderer Funktionsschichten im Bereich der Kontaktfläche 5 möglich.
Die auf der Kontaktfläche 5 angeordnete Haft- und Diffusionssperrschicht 6 kann durch einen Sputterprozess aufgebracht werden, wie auch die auf der Haft- und Diffusionssperrschicht 6 angeordnete Galvanikstartschicht 7 durch einen Sputtervorgang abgeschieden werden kann.
Der metallische Sockel 8 kann durch galvanisches Abscheiden eines der Elemente Gold, Kupfer, Nickel oder Zink hergestellt sein. Dabei weist der Sockel 8 eine Höhe und Gestalt auf, die geeignet ist, die topographischen Höhenunterschiede im Bereich der Kontaktfläche 5 und andere topographische Höhenunterschiede, die – beispielsweise durch verschieden hohe Anschlusspads oder durch geringfügige Deformationen – über die Oberfläche des Bauelement 1 auftreten können, auszugleichen. Insbesondere überragt der Sockel die durch die Schutzschicht 4 über dem Rand der Kontaktfläche 5 gebildete Stufe, ist also höher als die Schutzschicht 4. Im abgebildeten Fall ist die genannte Stufe und ein diese Stufe umgebender schmaler Streifen der Schutzschicht 4 durch den Sockel 8 bedeckt. Der Sockel 8 dient außerdem zur Abdichtung des erwähnten und in 1 erkennbaren Fensters, in dem die Schutzschicht 4 ausgespart ist, und als Fügepartner für einen elektrischen Anschluss eines anderen Bauelementes, soweit diese Aufgabe nicht durch die Kontaktierungsschicht, im vorliegenden Fall also durch die Struktur 2, wahrgenommen wird.
Für das Aufbringen der ein Vielzahl von Säulen umfassenden Struktur 2 auf dem metallischen Sockel 8, wird, beispielsweise durch Photolithographie, eine Maske mit einer Vielzahl von Öffnungen auf dem Sockel angeordnet, und innerhalb der Öffnungen wird das die Säulen bildende Metall, zum Beispiel Gold oder Zinn, galvanisch abgeschieden. Dadurch werden die Öffnungen mit dem so die Säulen bildenden Metall zumindest teilweise gefüllt. Anschließend wird das die Maske bildende Material wieder entfernt. Die eine Vielzahl von Säulen umfassende Struktur 2 kann auch aus einem anderen Lot hergestellt sein. Andere mögliche Materialien für die Bildung der Kontaktierungsschicht mit der Struktur 2, die bei anderen Ausführungen auch anders gestaltet sein kann, sind Kupfer, Nickel oder Zink oder Legierungen, die eines oder mehrere der hier genannten Metalle enthalten. Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren kann eine den Säulen entsprechende Struktur 2 auch durch ein substraktives Verfahren, wie einen Ätzprozess, hergestellt werden. Insbesondere in diesem Fall kann die Struktur 2 auch andere Formen zeigen und insbesondere durch ein schwammartiges Gerüst gegeben sein.
Die von den Säulen gebildete Struktur 2 ist eine Mikrostrukur 2, wobei die Säulen dieser Struktur eine Dicke von mindestens 1 μm und eine Höhe von bis zu 50 μm haben, wobei diese Höhe insbesondere größer ist als ein Durchmesser der im wesentlichen zylindrisch geformten Säulen. Der Sockel 8 ist dabei im vorliegenden Fall nicht nur über doppelt so dick wie die Schutzschicht 4, sondern auch zumindest geringfügig höher als die Säulen der Struktur 2.
In 2 ist ein Querschnitt durch eine Anordnung gezeigt, die neben dem Bauelement 1 aus 1 ein weiteres elektrisches oder elektronisches Bauelement 1' umfasst. Auch das Bauelement 1' weist eine Vielzahl metallischer Säulen umfassende Struktur 2' auf, wobei die Struktur 2' des zweiten Bauelementes 1' gegenüber der Struktur 2 des ersten Bauelementes 1 komplementär angeordnet ist. Die Bauelemente 1 und 1' sind derart zusammengefügt, dass die jeweils komplementär angeordneten Strukturen 2 und 2' ineinander geschoben sind. Für das zweite Bauelement 1' können die gleichen Angaben zutreffen, die weiter oben im Zusammenhang mit 1 zum ersten Bauelement 1 gemacht worden sind. Den Merkmalen des ersten Bauelementes 1 entsprechende Merkmale des weiteren Bauelementes 1' sind mit entsprechenden um einen Strich ergänzten Bezugszeichen gekennzeichnet und müssen nicht mehr eingehend beschrieben werden.
Die endgültige Verbindung der zwei Bauelemente 1 und 1' erfolgt durch Thermokompressionsbonden, Thermosonikbonden oder Löten, wobei die Verbindung alternativ auch durch Diffusionsfügen oder Kleben hergestellt werden kann. Bei alternativen Ausführungen könnte auch nur der Anschluss eines der Bauelemente 1 oder 1' mit der eine Vielzahl von Säulen umfassenden Struktur 2 bzw. 2' ausgestattet sein.
3 stellt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines anderen elektrischen oder elektronischen Bauelementes 11 mit einer als Säulenstruktur im Nanobereich ausgeführten Struktur 12 dar. Wiederkehrende Merkmale, die schon bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zu erkennen waren, sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht mehr eingehend erläutert. Ein Aufbau von übereinander angeordneten Schichten erfolgt auch hier durch Anwendung von bereits in der Beschreibung zu 1 genannten Schritten. Von dem in 1 gezeigten Bauelement 1 unterscheidet sich das elektronische Bauelement 11 aus 3 nur dadurch, dass die Höhe des Sockels 8 deutlich höher gewählt und die Säulen der Struktur 12 verglichen mit den Säulen der Struktur 2 aus 1 kleiner ausgebildet sind und nur eine Höhe von 10 nm bis 1 μm aufweisen und eine Dicke von deutlich unter 1 μm haben. Die Struktur 12 kann also als Nanostruktur bezeichnet werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung, die das Bauelement 11 aus 3 und ein mit einem ähnlichen Anschluss versehenes weiteres elektrisches oder elektronisches Bauelement 11' umfasst, das mit dem Anschluss des Bauelements 11 elektrisch leitend verbunden ist. Auch ein abgebildeter elektrischer Anschluss des weiteren Bauelements 11' weist auf einem Sockel 8' eine als Nanostruktur entsprechender Dimensionierung ausgeführte Struktur 12' auf, die eine Vielzahl metallischer Säulen umfasst. Wiederkehrende Merkmale, die von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen schon bekannt sind, sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden auch hier nicht mehr eingehend erläutert. Gemäß dem in der Beschreibung von 2 genannten Verfahren werden das erste und das zweite Bauelement 11 und 11' zusammengefügt, bei denen es sich z. B. um zwei integrierte Schaltungen oder um einen in Flip-Chip-Technik kontaktierten Chip und eine Leiterplatte handeln kann.
Bei alternativen Ausführungsformen der beschriebenen Bauelemente 1 und 11 ist die Kontaktierungsschicht nicht durch eine Schar metallischer Säulen gegeben, sondern durch eine Schicht ähnlicher Dicke, also beispielsweise einer Dicke von etwa 10 μm, die ein schwammartiges, Hohlräume aufweisendes Gerüst bildet. Dieses Gerüst erfüllt dann die Funktion der Struktur 2 bzw. 12 und zeigt nicht nur eine größere Nachgiebigkeit als ein massiver Bump, sondern hat auch aufgrund einer Porigkeit eine zerklüftete Oberfläche, die so ebenfalls Erhebungen und Vertiefungen mit Höhenunterschieden von mindestens 10 nm aufweist. In diesem Fall wird die Struktur 2 bzw. 12 auf dem Sockel 8 aufgebracht, indem zunächst eine inhomogene Schicht auf dem Sockel 8 aufgebracht wird, in der mindestens zwei verschiedene Phasen oder Materialien unterschiedliche Bereiche bilden. Dabei kann es sich um eine Lotpaste mit organischen Einschlüssen oder um eine inhomogene Legierung handeln. Dann wird ein durch mindestens eine der Phasen oder Materialien gebildeter Teil der inhomogenen Schicht durch Ätzen oder mit einem Lösungsmittel oder durch Schmelzen oder Verdampfen entfernt, so dass ein die gewünschte Struktur 2 bzw. 12 bildendes metallisches Gerüst zurückbleibt. Je nachdem, ob die so entfernten Einschlüsse oder im Fall einer Legierung die aus dem leichter ätzbaren Metall gebildeten Bereiche und die dadurch gebildeten Strukturen überwiegend einen Durchmesser von mehr oder weniger als 1 μm haben, bildet das so entstandene Gerüst eine Mikrostruktur oder eine Nanostruktur. Auch wenn die Strukturen 2 und 2' bzw. 12 und 12' anstelle der metallischen Säulen in der zuletzt beschriebenen Weise gebildet sind, können die Bauelemente 1 und 1' bzw. 11 und 11' wie in den 2 und 4 gezeigt miteinander verbunden werden, wobei sich die Strukturen 2 und 2' bzw. 12 und 12' nachgeben und gegenseitig durchdringen und dadurch, auch bei Unebenheiten, zu einem guten leitenden Kontakt führen.
Die hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Säulenstruktur oder anderer Nano- oder Mikrostrukturen auf einem elektrischen Anschluss und die im Hinblick auf die 2 und 4 erläuterten Verfahren zum Verbinden zweier elektrischer oder elektronischer Bauelemente kann insbesondere für eine Herstellung einer Flip-Chip-Kontaktierung eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Verbindungsstrukturen auch für andere schonende Kontaktierungsverfahren in der Mikroelektronik verwendet werden, bei denen der aufzubringende Druck und die Temperatur im Vergleich zu bestehenden Verbindungsverfahren reduziert werden sollen, beispielsweise bei empfindlichen Sensorelementen. Des Weiteren kann das Verfahren auch für die Herstellung eines sogenannten DieBond eingesetzt werden. Der in diesem Fall großflächige Anschluss mit der Struktur 2 oder 12 dient dann zumindest nicht in erster Linie als elektrischer Kontakt und ist auf der Rückseite des Bauelements 1 bzw. 11 angeordnet, um dieses mit einem anderen Bauelement 1' bzw. 11' zu verbinden. Zusätzlich kann der so hergestellte Kontakt als elektrischer Masseanschluss dienen.

Claims

Elektrisches oder elektronisches Bauelement (1; 11) mit einem Substrat (3) und mindestens einem Anschluss, wobei auf dem Substrat (3) eine das Substrat (3) zumindest stellenweise bedeckende Schutzschicht (4) angeordnet ist und wobei der Anschluss eine an einer Oberfläche des Substrats (3) angeordnete Kontaktfläche (5) sowie einen auf der Kontaktfläche (5) angeordneten massiven metallischen Sockel (8) umfasst, wobei die Schutzschicht (4) auch einen Rand der Kontaktfläche (5) bedeckt, wobei der Sockel (8) eine durch die Schutzschicht (4) über dem Rand der Kontaktfläche (5) gebildete Stufe überragt und wobei auf dem Sockel (8) eine metallische Kontaktierungsschicht angeordnet ist, die eine Struktur (2; 12) mit einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2; 12) durch ein schwammartiges, Hohlräume aufweisendes Gerüst gebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) durch einen Halbleiter-Wafer oder einen Halbleiterchip oder eine Leiterplatte gegeben ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus Silizium oder faserverstärktem Harz oder Glas oder einer Folie oder Keramik gebildet ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (8) aus Gold oder Kupfer oder Nickel oder Zink hergestellt ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht aus Gold oder Kupfer oder Nickel oder Zink oder Zinn oder einer eines der genannten Metalle enthaltenden Legierung und/oder einem Lot hergestellt ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2; 12) eine Mikro- oder eine Nanostruktur ist und/oder dass die Struktur (2; 12) Höhenunterschiede von zwischen 1 μm und 50 μm aufweist oder zwischen 10 nm und 1 μm aufweisen.
Elektrische oder elektronische Anordnung, umfassend ein erstes Bauelement (1; 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, sowie ein zweites elektrisches oder elektronisches Bauelement (1'; 11'), das ebenfalls mindestens einen Anschluss mit einer eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassenden Struktur (2'; 12') aufweist, wobei der Anschluss des zweiten Bauelementes (1'; 11') elektrisch leitend mit dem mindestens einen Anschluss des ersten Bauelementes (1; 11) verbunden ist und die Struktur (2'; 12') des Anschlusses des zweiten Bauelements (1'; 11') so in die dazu komplementäre Struktur (2; 12) des Anschlusses des ersten Bauelements (1; 11) greift, dass die Strukturen (2, 2'; 12, 12') der Anschlüsse sich gegenseitig durchdringen.
Verfahren zum Herstellen eines Anschlusses eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes (1; 11), bei dem auf einer Kontaktfläche (5) eines zumindest stellenweise durch eine Schutzschicht (4) bedeckten Substrats (3) des Bauelements (1; 11) ein metallischer Sockel (8) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (8) so hoch ausgeführt wird, dass er eine durch die Schutzschicht (4) über dem Rand der Kontaktfläche (5) gebildete Stufe überragt, wobei über dem genannten Sockel (8) eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassende Struktur (2; 12) aufgebracht wird, indem – eine inhomogene und zumindest teilweise metallische Schicht auf dem Sockel (8) aufgebracht wird, in der mindestens zwei verschiedene Phasen oder Materialien unterschiedliche Bereiche bilden, – und ein durch mindestens eine der Phasen oder Materialien gebildeter Teil der inhomogenen Schicht entfernt wird, so dass ein die Struktur (2; 12) bildendes metallisches Gerüst zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht die Kontaktfläche (5) zunächst vollständig bedeckt, wobei die Schutzschicht vor dem Aufbringen des Sockels (8) über der Kontaktfläche (5) so entfernt wird, dass die Kontaktfläche (5) mittig freigelegt wird, während der Rand der Kontaktfläche (5) durch die Schutzschicht (4) bedeckt bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) gebildet wird, indem ein Dielektrikum durch Sputtern oder CVD oder als nach dem Auftragen vernetzender Lack auf das Substrat (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Schicht durch eine Lotpaste mit organischen Einschlüssen oder durch eine inhomogene Legierung gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Teil der inhomogenen Schicht durch Ätzen oder mit einem Lösungsmittel oder durch Schmelzen oder Verdampfen entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Sockels (8) auf der Kontaktfläche (5) eine Haft- und Diffusionssperrschicht (6) aufgetragen wird, wobei diese vorzugsweise durch einen Sputtervorgang aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über der Kontaktfläche (5) eine Galvanikstartschicht (7) abgeschieden wird, von der ausgehend der Sockel (8) gebildet wird, wobei die Galvanikstartschicht (7) vorzugsweise durch einen Sputterprozess aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Sockel (8) durch eine galvanische Abscheidung aufgebracht wird.
Verfahren zum Verbinden eines ersten elektrischen oder elektronischen Bauelements (1; 11) mit einem zweiten elektrischen oder elektronischen Bauelements (1'; 11'), umfassend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Herstellung mindestens eines Anschlusses zumindest des ersten der zwei Bauelemente (1, 1'; 11, 11'), wobei die zwei Bauelemente (1, 1'; 11, 11') so zusammengefügt werden, dass der mindestens eine Anschluss des ersten Bauelementes (1; 11) mit einem elektrischen Anschluss des zweiten Bauelementes (1'; 11') verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (1, 1'; 11, 11') durch Thermokompressionsbonden oder Thermosonikbonden oder Löten oder Diffusionsfügen oder Kleben verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Anschluss des ersten Bauelementes (1; 11) verbundene Anschluss des zweiten Bauelementes (1'; 11') ebenfalls eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen einer Höhe von mindestens 10 nm umfassende Struktur (2'; 12') aufweist und sich die Strukturen (2, 2'; 12, 12') beim Verbinden der Anschlüsse (1, 1'; 11, 11') durchdringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es für eine Herstellung einer Flip-Chip-Kontaktierung oder DieBonding-Kontaktierung eingesetzt wird.