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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Hohlraums mit einer Atmosphäre, insbesondere eines Hohlraums, der im Package eines MEMS-Bauelements (MEMS = mikro-elektromechanisches System) angeordnet ist und einen ungestörten Betrieb der beweglichen MEMS-Bauelementstrukturen ermöglicht. Solche Hohlräume werden mit an sich bekannten Packaging-Techniken erzeugt.
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Möglich ist es dazu, ein MEMS-Bauelement in ein Gehäuse einzubauen, beispielsweise in ein Keramikgehäuse, und dieses dicht zu verschließen. Weiterhin ist es möglich, das Gehäuse wegzulassen und das Bauelement auf einen Träger zu montieren, welcher elektrische Anschlussmetallisierungen und eine innere Verdrahtung aufweist, und die Anordnung mit einer Abdeckung zu versehen. Diese Abdeckung kann kappenförmig vorstrukturiert sein, wobei im Wesentlichen wieder ein Aufbau wie bei einem Keramikgehäuse erhalten wird. Möglich ist es auch, das Bauelement in Flip-Chip-Bauweise auf den Träger zu montieren und mit einer Abdeckungsschicht zu überdecken, die dicht mit dem Träger abschließt. Auf diese Weise werden so genannte CSP-Packages (CSP = chip-sized package).
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Package direkt auf der die Bauelementstrukturen tragenden Oberfläche des MEMS-Bauelements zu erzeugen. Dabei ist es möglich, das Package im Wafer-Level-Stadium herzustellen und die einzelnen MEMS-Bauelemente erst nach dem Packaging zu vereinzeln. So können auf dem die MEMS-Bauelemente tragenden MEMS-Wafer Abstandsstrukturen so aufgebracht werden, dass sie die für MEMS-Bauelementstrukturen jedes einzelnen Bauelements rahmenförmig umgeben. Darauf kann anschließend eine plane Abdeckung aufgebracht werden, beispielsweise ein weiterer Wafer, der vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der MEMS-Wafer besteht. Die Abstandsstrukturen können aus einem Polymer, aus Keramik oder aus Metall strukturiert sein.
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Sowohl CSP-Packages als auch Abdeckungen mit Hilfe von Abdeckwafern erfordern aufgrund ihrer makroskopischen Strukturen große Flächen auf dem Bauelement oder dessen Träger, um die nötige Haftung der Abdeckung mit der Unterlage zu gewährleisten und führen damit zu relativ großen MEMS-Bauelementen.
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Eine Methode, den entsprechenden Flächenbedarf weiter zu reduzieren, stellen so genannte Thin-Film-Packages dar. Diese auch als Zero-Level-Package bezeichneten Bauelementverkapselungen beruhen darauf, die MEMS-Bauelementstrukturen in Opferschichten einzubetten, die Opferschichten zu strukturieren, eine Abdeckung über dem Aufbau mit den strukturierten Opferschicht zu erzeugen und mit der Unterlage abschließen zu lassen, und in einem letzten Schritt die Opferschicht durch Ätzen oder Auflösen mit einem Lösungsmittel zu entfernen. Dazu werden Öffnungen oder Kanäle in das Bauelementinnere geführt, die einen Zutritt der Ätzlösung oder Ätzatmosphäre gewährleisten. Diese Öffnungen oder Kanäle können in einem letzten Schritt mit einer Versiegelungsschicht verschlossen werden. Diese Versiegelungsschicht wird entweder im Vakuum oder in normaler Fertigungsumgebung erzeugt, sodass die ursprüngliche bei der Versiegelung herrschende Atmosphäre oder das ursprüngliche Vakuum in dem verbleibenden Hohlraum des Thin-Film-Package eingeschlossen bleibt. Ähnlich ist es bei anderen Packages, bei denen die zuletzt herrschende Arbeitsatmosphäre schließlich auch im Hohlraum im Inneren des Packages erhalten bleibt.
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Zum ordnungsgemäßen Betrieb von MEMS-Bauelementen, insbesondere, wenn diese schwingende oder sich schnell bewegende Teile umfassen, ist eine gewisse Dämpfung unabdingbar, um ein zu starkes Schwingen der beweglichen Komponenten zu verhindern. Dazu ist eine Atmosphäre eines gegebenen optimierten Drucks erforderlich.
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Probleme entstehen weiterhin, wenn die eingeschlossene Umgebungs- oder Arbeitsatmosphäre aufgrund des eingesetzten Herstellungsverfahrens Feuchtigkeit, Partikel oder chemisch aggressive oder korrosive Bestandteile enthält.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen einer gewünschten Atmosphäre im Hohlraum eines MEMS-Packages zu erzeugen, welche im Wesentlichen vom Herstellungsverfahren des MEMS-Packages unabhängig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst das MEMS-Bauelement in herkömmlicher und an sich bekannter Weise verkapselt wird, sodass die MEMS-Bauelementstrukturen in einem geschlossenen gegebenenfalls sogar versiegelten Hohlraum angeordnet sind. Anschließend wird mit Hilfe eines Lasers eine Öffnung im Package erzeugt, die den Hohlraum öffnet. Anschließend wird der Hohlraum mit einer gegebenen Atmosphäre befüllt und schließlich mit Hilfe eines Lasers wieder verschlossen.
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Auf diese Weise ist es möglich, im Inneren des Hohlraums unabhängig vom Herstellungsprozess eine gewünschte Atmosphäre zu erzeugen. Die gewünschte Atmosphäre kann eine gewünschte Zusammensetzung und/oder einen gewünschten Druck aufweisen.
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Die Atmosphäre kann auch so eingestellt werden, dass sich der gewünschte Druck erst bei einer bestimmten Temperatur einstellt, z. B. bei der Temperatur unter Betriebsbedingen des Bauelements, die höher oder auch tiefer liegen kann als die Temperatur zum Zeitpunkt der erfindungsgemäßen Befüllung des Hohlraums mit der Atmosphäre.
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Vorzugsweise wird eine Inertgasatmosphäre eingebracht und dabei ein Druck eingestellt, der bezüglich der schwingenden Eigenschaften der beweglichen MEMS-Bauelementstrukturen optimiert ist. Auf diese Weise ist es möglich, ein Vakuum gegen eine Atmosphäre zu ersetzen oder eine korrosive oder feuchte Atmosphäre gegen eine trockene Inertgasatmosphäre auszutauschen. Möglich ist natürlich auch, eine beliebige Atmosphäre einzustellen, die auch eine reaktive Atmosphäre bzw. reaktive Gase umfassen kann. Reaktive Atmosphären können z. B. im Inneren von Gas- oder Chemosensoren vorgesehen werden und dienen dazu, einen Stoff über eine chemische Reaktion oder eine andere Wechselwirkung im Sensor nachzuweisen.
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Zum Herstellen und Schließen der Öffnung wird ein Laser mit optimiertem Energieeintrag verwendet, insbesondere ein gepulster Laser, insbesondere ein gepulster Farbstofflaser. Die Wellenlänge des Lasers wird im Hinblick auf maximale Absorption des abzutragenden Materials im Package ausgewählt. Pulsfrequenz und Pulslängen werden so eingestellt, dass der Laser beim Erzeugen der Öffnung Material abtragend wirkt und vorzugsweise eine zu starke Erwärmung in der Umgebung der erzeugten Öffnung vermieden wird. Mit einem gepulsten Laser entsprechend kurzer Pulslängen ist es möglich, den Löwenanteil der eingebrachten Energie zum Verdampfen des Materials zu verwenden, wobei die Öffnung entsteht.
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Zum Verschließen der Öffnung wird die Leistung des Lasers so weit reduziert, dass kein Materialabtrag stattfindet und die in der Umgebung der Öffnung absorbierte Energie zu einem Aufschmelzen der Materialien führt. Die geschmolzenen Materialien lässt man dann verfließen, wobei schließlich die Öffnung verschlossen wird.
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Während beim Erzeugen der Öffnung die Lasereinstellungen für alle zu durchbohrenden Materialschichten optimiert sein müssen, genügt es zum Verschließen, eine schmelz- und verfließbare Schicht zu erwärmen, aufzuschmelzen und zu verfließen und die Lasereinstellungen an diese Schicht anzupassen.
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Möglich ist es auch, nach dem Verschließen der Öffnung eine zusätzliche Versiegelungsschicht aufzubringen, mit der die Hermizität der Anordnung weiter erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das MEMS-Bauelement während der Herstellung der Öffnung oder kurz danach einem Vakuum ausgesetzt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass im Inneren des Hohlraums eingeschlossene Gase vollständig entweichen können. Dies hat den weiteren Vorteil, dass durch die Laserablation erzeugte Gase oder Partikel durch die durch die Öffnung entweichende ursprüngliche Atmosphäre weggespült werden und so nicht ins Innere des Hohlraums gelangen können. Nachdem der geöffnete Hohlraum evakuiert, wird das MEMS-Bauelement anschließend der gegebenen bzw. gewünschten Atmosphäre bei gewünschtem Druck ausgesetzt.
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Bei Bedarf können die Verfahrensschritte Evakuieren und Befüllen mit der gewünschten Atmosphäre mehrfach wiederholt werden, um das Innere des Hohlraums sicher mit der gewünschten Atmosphäre auszuspülen und letzte Reste der ursprünglichen Atmosphäre oder gegebenenfalls letzte Verschmutzungsreste zu entfernen.
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Wird ein mehrfaches Spülen des Hohlraums mit einer gegebenen oder gewünschten Atmosphäre durchgeführt, so genügt es, nur im letzten Schritt den gewünschten Druck einzustellen, der später im wieder verschlossenen Hohlraum erhalten bleiben soll.
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In einer Ausführungsform ist zumindest eine Schicht des Packages eine SiO2-Schicht, in der sich durch Laserablation in einfacher Weise strukturierte Öffnungen erzeugen lassen. SiO2 ist auch ein Material, welches bei ausreichender Erwärmung aufschmilzt und gut verfließt. Gleichzeitig gelingt es, eine SiO2-Schicht ausreichend dicht zu gestalten, sodass allein durch die SiO2-Schicht abgedeckte Öffnungen ausreichend dicht sind, die im Inneren des Hohlraums eingeschlossene Atmosphäre dauerhaft zu konservieren.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Bereich des Packages, durch den die Öffnung geführt wird, eine Polymerschicht. Auch dieses Material lässt sich gut durch Laserablation abtragen. Ist die Vernetzung nicht zu stark oder hat die Öffnung einen ausreichend kleinen Querschnitt, so kann auch eine Polymerschicht in einfacher Weise aufgeschmolzen werden und ausreichend verfließen, sodass ein verschließen der Öffnung erfolgen kann. Besonders einfach gelingt ein Verschließen der Öffnung mit einer thermoplastischen Polymerschicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das MEMS-Bauelement ein Thin-Film-Package auf, dessen Schichtaufbau direkt auf dem MEMS-Bauelement mittels Dünnschichtverfahren erzeugt wurde. Mittels dieser Dünnschichtverfahren werden auch die MEMS-Bauelementstrukturen erzeugt, insbesondere frei bewegliche Teile der MEMS-Bauelementstrukturen wie beispielsweise balken- und zungenförmige bewegliche Elemente oder auch Membranen. Diese Bauelementstrukturen werden zwischen zwei Opferschichten eingebettet, so dass nach Entfernen der Opferschichten frei tragende und damit frei bewegliche Bauelementstrukturen verbleiben. Die Opferschicht wird dabei auch auf ein Volumen strukturiert, welches dem Volumen des gewünschten Hohlraums im Thin-Film-Package entspricht. Anschließend kann die Oberfläche der obersten Opferschicht noch strukturiert werden, indem beispielsweise für spätere Stützelemente vorgesehene Löcher erzeugt werden, die bis zur Oberfläche des MEMS-Bauelements geführt werden.
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Über der Opferschicht wird eine Abdeckung, die so genannte Shell, erzeugt, die später nach dem Entfernen der Opferschicht den Hohlraum verschließt. In der Abdeckung werden noch Öffnungen erzeugt oder frei gelassen, durch die dann ein Entfernen der Opferschicht möglich ist, die also einen Eintritt des Ätzmittels oder der Ätzatmosphäre in den späteren Hohlraum hin zur darin eingeschlossenen Opferschicht ermöglichen.
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Als Opferschichten sind z. B. Polymerschichten geeignet, die sich in einem Sauerstoffplasma oder mittels Lösungsmittel entfernen lassen. Auch SiO2 umfassende Opferschichten sowie Schichten eines beliebigen Materials, das sich selektiv mit einem zum Bauelement kompatiblen Schritt chemisch und/oder physikalisch herauslösen lässt.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist nun die Entfernung einer z. B. polymerhaltigen Opferschicht durch Lösungsmittel unbedenklich möglich, da Lösungsmittelreste durch das spätere Verfüllen des Hohlraums mit einer gewünschten Atmosphäre vollständig entfernt werden können. Auch bei der Sauerstoffätzung freigelöste Feststoffpartikel, die Reste der Opferschicht beinhalten, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beseitigt und aus dem Inneren des Hohlraums entfernt werden.
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Die Abdeckschicht/Shell eines bekannten Thin-Film-Packages kann ein- oder mehrschichtig sein. Bekannt ist es z. B. eine Polymerschicht als unterste Schicht aufzubringen und diese mit einer im CVD-Verfahren aufgebrachten festen Dielektrikumsschicht, beispielsweise einer SiO2-Schicht, abzudecken. Möglich ist es auch, die Polymerschicht oder auch die feste Dielektrikumsschicht zusätzlich mit einer Metallschicht abzudecken.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass ihnen weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen sind.
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1A bis 1E zeigen ein MEMS-Bauelement während verschiedener Verfahrensstufen im schematischen Querschnitt.
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1A zeigt ein an sich bekanntes MEMS-Bauelement MB im schematischen Querschnitt. Stellvertretend für ein typisches MEMS Bauelement ist ein MEMS-Schalter dargestellt, dessen Bauelementstrukturen BS eine bewegliche Zunge umfassen, die mit Hilfe von Aktorelektroden zwischen zwei Zuständen bewegt werden kann. Die Bauelementstrukturen BS können jedoch auch von anderer Art sein, da dies für das erfindungsgemäße Verfahren nicht wesentlich ist.
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Die Bauelementstrukturen BS sind hier in einem Package verkapselt, welches eine Abdeckschicht AS und eine Versiegelungsschicht SL umfasst. Möglich sind jedoch auch einschichtige Abdeckungen, deren Hauptzweck darin besteht, einen Hohlraum HR für den ungestörten Betrieb der Bauelementstrukturen BS zu definieren, zu umschließen und zu stabilisieren.
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Das dargestellte MEMS-Bauelement MB kann mittels Dünnschicht-Verfahren hergestellt sein und somit ein Thin-Film-Package darstellen. Aus dieser Technologie bzw. den dafür erforderlichen Verfahrensschritten rührt auch die zweischichtige Abdeckung, wobei die Abdeckschicht AS primär den Hohlraum definiert und mechanisch stabilisiert. Die Abdeckschicht weist hier Durchbrechungen auf, durch die hindurch beispielsweise die Opferschicht bei der Herstellung der frei beweglichen Bauelementstrukturen herausgelöst bzw. herausgeätzt wurde. Nach vollständiger Entfernung der Opferschicht, welche Polymerschichten, Oxidschichten oder andere Schichten sein können, werden sämtliche Durchbrechungen, die den Hohlraum undicht machen, mittels einer Versiegelungsschicht SL verschlossen. Diese kann beispielsweise eine Oxidschicht sein. Möglich sind auch andere Versiegelungsschichten, z. B. auf der Basis von Nitrid oder Polymeren.
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Als Versiegelungsschicht kann auch eine andere als die oberste Schicht des Bauelements dienen. Möglich ist es auch, eine Schicht durch eine Nachbehandlung wie z. B. Aufschmelzen und Verfließen oder Verdichten in eine Versiegelungsschicht zu überführen. Dieses Aufschmelzen kann durch Energieeintrag auch direkt in tiefer liegende Schichten des Bauelements erfolgen, z. B. mittels eines Lasers mit selektiver Absorption in einer tieferen Schicht.
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Im Hohlraum HR ist eine Atmosphäre eingeschlossen, die der üblichen oder auch der für das Verfahren erforderlichen Umgebungsatmosphäre beim letzten Schritt, hier dem Aufbringen der Versiegelungsschicht SL, entspricht. In vielen Fällen herrscht im Inneren des Hohlraums HR auch ein Vakuum.
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An diesem bekannten Gehäuse, bei dem ein Hohlraum HR mittels einer Abdeckung dicht verschlossen ist, wird nun mit einem gepulsten Laserstrahl LS1, dessen Fokus in der 1B angedeutet ist, Material der Abdeckschicht, hier insbesondere der Versiegelungsschicht SL, durch Laserablation entfernt. Dazu wird beispielsweise ein Farbstofflaser verwendet, der im Femtosekundenbereich gepulst ist. Vorzugsweise wird das MEMS-Bauelement MB während der Laserbehandlung unter Vakuum gehalten.
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1C zeigt die Anordnung, nachdem mit Hilfe des Lasers LS1 eine Öffnung OP erzeugt wurde, die bis ins Innere des Hohlraums HR reicht.
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Sofern im Hohlraum HR eine Atmosphäre eingeschlossen war, wird sie nun aufgrund des außerhalb des MEMS-Bauelements MB herrschenden Vakuums aus dem Hohlraum herausgesogen.
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Im nächsten Schritt wird das MEMS-Bauelement in eine Atmosphäre eingebracht, deren Zusammensetzung und deren Druck dem gewünschten Enddruck innerhalb des Packages, also innerhalb des Hohlraums des MEMS-Bauelements MB, entspricht. Die Öffnung OP in der Abdeckung des MEMS-Bauelements ermöglicht einen Gasaustausch bzw. eine Befüllung des Hohlraums HR mit der gewünschten Atmosphäre.
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Für den Fall, dass im Inneren des Hohlraums nach der Herstellung des MEMS-Bauelements vor dem erfindungsgemäßen Verfahren eine korrosive oder partikelhaltige Atmosphäre eingeschlossen war, kann der Vorgang des Evakuierens, also dem Aussetzen des MEMS-Bauelements gegenüber einem Vakuum und dem Befüllen des Hohlraums mit der gewünschten Atmosphäre, ein- oder mehrmals wiederholt werden.
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1D zeigt, wie das MEMS-Bauelement MB mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls LS2, dessen Fokus in der Figur angedeutet ist, im Bereich um die Öffnung OP herum behandelt wird. Die Wellenlänge des Lasers LS2 ist so gewählt, dass eine gute Absorption im Material der Abdeckung, insbesondere hier im Material der Versiegelungsschicht SL erfolgt. Pulslänge und Pulsfrequenz sind so gewählt, dass keine Ablation stattfindet und vielmehr eine langsame Erwärmung im Bereich der Öffnung OP erfolgt. Dies führt schließlich zu einem Aufschmelzen der Abdeckung, hier des Materials der Versiegelungsschicht L. Dabei verfließt das Material und kann so die Öffnung vollständig verschließen.
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1E zeigt die Anordnung, nachdem eine durch Verfließen erzeugte Verschlussschicht den Hohlraum HR im Bereich der vorherigen Öffnung OP wieder abgedichtet hat.
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Bei geeigneter Prozessführung ist das MEMS-Bauelement nun mit der gewünschten Atmosphäre innerhalb des Hohlraums des Packages befüllt, die zum einen störungsfreien Betrieb der Bauelementstrukturen BS ermöglicht und die zum anderen weder eine Korrosion noch sonstige Wechselwirkung mit den Innenoberflächen des MEMS-Bauelements erzeugen könnten.
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Der Druck im Inneren des Hohlraums ist so eingestellt, dass eine gewünschte Dämpfung der Bauelementstrukturen BS stattfindet, insbesondere, wenn diese, wie dargestellt, als bewegliche Zunge eines Schalters ausgebildet sind. Möglich ist es jedoch auch, nach dem Verschließen der Öffnung mit Hilfe einer Verschlussschicht VS eine weitere Versiegelungsschicht über die gesamte Abdeckschicht aufzubringen, um einen sicheren Verschluss bzw. eine hermetische Abdichtung zu gewährleisten.
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Obwohl die Erfindung nur anhand eines mittels Thin-Film-Packaging-Methoden hergestellten Bauelements erläutert wurde, ist die nicht auf diese beschränkt. Die Erfindung lässt sich vielmehr bei allen MEMS-Bauelementen und überhaupt bei allen Bauelementen und allen Verpackungstechniken einsetzen, die einen Hohlraum im Package einschließen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den Vorteil, dass zur Herstellung des Packages auch Verfahren eingesetzt werden können, die zu Rückständen oder Atmosphären innerhalb des Packages führen, die unter normalen Umständen ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens das Bauelement schädigen würden oder dessen Funktion behindern würden. So kann das Verfahren auch bei Packages von MEMS-Bauelementen eingesetzt werden, die beispielsweise mittels Waferbond-Verfahren hergestellt wurden. Diese können beispielsweise Sauerstoffatmosphären mit hohem Sauerstoffpartialdruck umfassen, die sich im späteren Betrieb korrosiv auf Bauelementstrukturen auswirken könnten. Auch CVD-Verfahren, die reaktive Atmosphären zur Schichtabscheidung nutzen, können nun zur Herstellung des Packages eingesetzt werden, da die reaktive oder sonst wie störende ursprünglich in den Hohlraum HR eingeschlossene Atmosphäre mit dem neuen Verfahren ausgetauscht werden kann.
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Das MEMS-Bauelement ist auch nicht auf die dargestellten Bauelementtypen beschränkt. Korrosive eingeschlossene Atmosphären können auch andere Bauelementstrukturen schädigen, sodass das Verfahren auch bei allen anderen MEMS-Bauelementen mit Hohlraumgehäusen eingesetzt werden kann. Beispiele dafür sind Sensoren, Mikrofone oder mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente wie SAW-(Surface Acoustic Wave, BAW-(Bulk Acoustic Wave) oder GBAW-(Guided Bulk Acoustic Wave)Bauelemente.
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Bezugszeichenliste
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- MB
- MEMS Bauelement
- HR
- Hohlraum
- BS
- Bauelementstrukturen
- SU
- Substrat
- OP
- Öffnung
- LS
- Laser
- SL
- Versiegelungsschicht
- AS
- Abdeckschicht
- VS
- Verschlussschicht
