DE102012112058B4 - MEMS-Bauelement und Verfahren zur Verkapselung von MEMS-Bauelementen - Google Patents

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Abstract

MEMS-Bauelement,- mit einem Substrat (SU), das eine aktive Oberfläche aufweist, auf der elektrische Bauelementstrukturen (BES) und Kontaktflächen (KF) zur elektrischen Kontaktierung der Bauelementstrukturen angeordnet sind,- mit metallischen Säulenstrukturen (PS), die auf den Kontaktflächen stehen und die Bauelementstrukturen überragen,- mit einer metallischen Rahmenstruktur (RS), die auf der aktiven Oberfläche des Substrats angeordnet ist und die Bauelementstrukturen samt der Säulenstrukturen umschließt,- bei dem die Oberseiten der metallischen Säulenstrukturen (PS) und der metallischen Rahmenstruktur (RS) planarisiert sind und so in einer Ebene angeordnet sind,- mit einer gehärteten Resistschicht (RL), die auf der Rahmenstruktur (RS) und den Säulenstrukturen (PS) so aufsitzt, dass zwischen Substrat, Rahmenstruktur und Resistschicht ein Hohlraum (CV) eingeschlossen ist, der durch die Resistschicht abgedichtet ist, wobei zumindest die Säulenstrukturen (PS) die Resistschicht (RL) so weit durchstoßen, so dass die vom Substrat weg weisenden Oberflächen der Säulenstrukturen (PS) von der Resistschicht unbedeckt sind,- mit einer strukturierten Metallisierung (MS), die auf der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht oder auf einer weiteren über der Resistschicht angeordneten Trägerschicht angeordnet ist, wobei die strukturierte Metallisierung zumindest strukturierte Außenkontakte (AK) zur Kontaktierung des MEMS Bauelements ausbildet und mit den von der Resistschicht unbedeckten Oberseiten der Säulenstrukturen (PS) elektrisch leitend verbunden sind.

Description

  • Ein elektronisches Bauelement mit einem hermetisch geschlossenen Gehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung ist beispielsweise der DE 102008025202 A zu entnehmen. Das Verfahren zur Verkapselung kann auf Waferebene durchgeführt werden. Dazu werden auf einem Bauelementwafer zunächst Bauelementstrukturen für eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen gleichzeitig erzeugt. Um die Bauelementstrukturen eines jeden Bauelements wird auf dem Wafer ein metallischer Rahmen erzeugt, der die Bauelementstrukturen umschließt. Auf diesen Rahmen wird nun eine Deckfolie, die zumindest eine Metallschicht umfasst, aufgelegt und fest mit dem metallischen Rahmen verlötet.
  • Aus der US 7,576,426 B2 ist ein Package für ein MEMS Bauelement bekannt, bei dem ein Bauelementwafer auf ein mehrschichtiges Polymersubstrat aufgelötet wird
  • Aus der US 6,078,229 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Packages bekannt, bei dem ein Verschaltungsträger mit Hilfe einer strukturierten Resistschicht auf ein MEMS Bauelement aufgesetzt und mittels einer Bumpverbindung oder eines anisotrop leitenden Resists elektrisch kontaktiert wird.
  • Aus der US 2010/0159643 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Packages bekannt, bei dem in einem Trägersubstrat Kontaktspitzen versenkt sind. Das Bauelement wird auf die Kontaktspitzen aufgesetzt. Anschließend wird ein elektrischer Kontakt zu den Bauelementstrukturen durch das Trägersubstrat hindurch hergestellt, dass das Trägersubstrat von der Rückseite her gedünnt wird, bis die Kontaktspitzen freigelegt sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Bauelement und ein Verfahren zur Verkapselung von MEMS-Bauelementen anzugeben, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist und einfach herzustellen ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein MEMS-Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Verkapselung des MEMS-Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
  • Das MEMS-Bauelement weist ein Substrat mit einer aktiven Oberfläche auf, auf der elektrische Bauelementstrukturen und Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Bauelementstrukturen angeordnet sind. Zusätzlich sind auf der aktiven Oberfläche des Substrats metallische Strukturen in Form von Säulenstrukturen und einer Rahmenstruktur angeordnet. Die metallischen Säulenstrukturen stehen auf den Kontaktflächen und überragen die Bauelementstrukturen. Die metallische Rahmenstruktur umschließt die Bauelementstrukturen auf der Oberfläche des Substrats. Die Oberfläche der metallischen Strukturen ist mit einem geeigneten Verfahren planarisiert.
  • Die Bauelementstrukturen samt einem Teil der Säulenstrukturen sind in einem Hohlraum angeordnet, der durch eine auf der Rahmenstruktur und den Säulenstrukturen aufsitzende gehärtete Resistschicht gebildet, abgeschlossen und abgedichtet wird. Die Resistschicht kann dabei UV gehärtet sein oder thermisch gehärtet sein. Zumindest ein Teil der metallischen Strukturen, also zumindest ein Teil der Säulenstrukturen und der Rahmenstruktur durchstößt dabei die Resistschicht derart, dass die vom Substrat weg weisenden Oberflächen der metallischen Strukturen bündig mit der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht abschließen. Oberhalb der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht oder auf einer weiteren, direkt über der Resistschicht angeordneten Trägerschicht ist eine strukturierte Metallisierung vorgesehen. Aus dieser sind zumindest Anschlussflächen zur Kontaktierung des MEMS-Bauelements ausgebildet. Die strukturierte Metallisierung steht daher zumindest mit den die Resistschicht durchstoßenden und daher von der Resistschicht unbedeckten Oberseiten der Säulenstrukturen in elektrisch leitender Verbindung und damit auch mit den Bauelementstrukturen.
  • Das vorgeschlagene MEMS-Bauelement lässt sich einfach herstellen. Aufgrund der verwendeten Materialien ist es auch kostengünstig.
  • Der Verschluss des Hohlraums erfolgt über die gehärtete Resistschicht und nicht über ein Lot, so dass zum Abdichten des Hohlraums keine erhöhten Temperaturen erforderlich sind, wie sie etwa zum Aufschmelzen von Lot benötigt werden. Die geringste thermische Belastung wird bei Verwendung eines UV härtenden Resists erzielt. Da insbesondere MEMS-Bauelemente gegenüber thermomechanisch erzeugten Spannungen empfindlich mit einem Abweichen ihrer Bauelementeigenschaften reagieren können, ist ein bei niedrigen Prozesstemperaturen hergestelltes Bauelement mit hoher Fertigungssicherheit herstellbar. Das Herstellverfahren erzeugt wenig Ausschuss und erniedrigt dadurch zusätzlich die Kosten des Bauelements.
  • Das MEMS-Bauelement umfasst mechanisch empfindliche Bauelementstrukturen, die zum sicheren Betrieb ein Hohlraumgehäuse erfordern, wie es die Erfindung zur Verfügung stellt. Die Bauelementstrukturen umfassen bewegliche Teile, wobei die Bewegung auch eine Schwingung darstellen kann. Eine Klasse von MEMS-Bauelementen, die vorzugsweise hermetische Hohlraumgehäuse erfordern, sind mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente. Dies können SAW-Bauelemente (SAW = surface acoustic wave) sein, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten. Möglich ist es auch, dass das MEMS-Bauelement als FBAR-Resonator (FBAR = thin film acoustic resonator) oder FBAR-Filter ausgebildet ist, dessen Bauelementstrukturen mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren umfassen. Auch diverse Sensoren können in Form von MEMS-Bauelementen ausgebildet werden.
  • In einer Ausführungsform ist über der Resistschicht eine Trägerschicht angeordnet. Auf der vom Substrat wegweisenden Oberfläche der Trägerschicht ist dann die strukturierte Metallisierung mit den Außenkontakten angeordnet.
  • Durch die Trägerschicht hindurch sind Durchkontaktierungen vorgesehen, die die Außenkontakte mit den metallischen Strukturen verbinden. Dabei können elektrisch leitende Verbindungen zu einzelnen Säulenstrukturen, zu allen Säulenstrukturen und wahlweise auch zur Rahmenstruktur vorgesehen sein.
  • In einer einfachen ersten Ausführung dient die gehärtete Resistschicht als alleinige Deckelschicht des Hohlraumgehäuses. In Verbindung mit der darauf angeordneten Trägerschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform dient die gehärtete Resistschicht als Verbindungs- und Abdichtschicht. Die mechanische Stabilität des Hohlraumgehäuses beziehungsweise dessen Deckel kann allein durch die Trägerschicht gewährleistet werden. Dann kann die Resistschicht entsprechend dünn ausgeführt werden. Möglich ist es jedoch auch, die Resistschicht entsprechend dicker auszuführen und die mechanische Stabilität durch entsprechend dimensionierte und aufeinander abgestimmte Kombinationen von Resistschicht und Trägerschicht zu gewährleisten.
  • In einer Ausgestaltung des MEMS-Bauelementes ist auf der Rückseite des Substrats, die der aktiven Oberfläche des Bauelements gegenüberliegt, eine hermetische Schicht angeordnet, die das Bauelement gegen die Trägerschicht abdichtet. Vorzugsweise umfasst die hermetische Schicht daher eine anorganische Schicht, beispielsweise ein dichtes Oxid oder eine Nitrid- oder insbesondere eine Metallschicht.
  • Ein hermetisches Gehäuse wird erhalten, wenn auch die Trägerschicht hermetisch dicht ist und keine oder nur eine geringe Durchlässigkeit für Gase, Feuchtigkeit oder solche Flüssigkeiten aufweist, die die Bauelementstrukturen gefährden oder korrodieren könnten, oder die den Betrieb des MEMS-Bauelements stören könnten.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auch die Rückseite der Trägerschicht mit einer weiteren hermetischen Schicht abzudichten, beispielsweise mit einer oberhalb der Kontaktstruktur angeordneten strukturierten Passivierungsschicht, in der die Außenkontakte freigelegt sind.
  • In einer Ausführungsform ist das Substrat ein piezoelektrischer Wafer und die Bauelementstrukturen umfassen einen Interdigitalwandler. Vorzugsweise ist die Trägerschicht als Glasfolie ausgebildet. Passend dazu kann die hermetische Schicht dann als metallische Schicht ausgebildet sein.
  • Ein derart ausgebildetes MEMS-Bauelement umfasst ein SAW-Bauelement, welches mit der Glasfolie als Trägerschicht und der Resistschicht als Verbindungsschicht kostengünstig hergestellt werden kann. Mit der metallischen Schicht als hermetische Schicht wird einerseits eine Dichtigkeit gegenüber aggressiven Umweltbedingungen und zum anderen eine Schirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung erhalten, so dass eine elektromagnetische Wechselwirkung der Bauelementstrukturen mit der Außenwelt verhindert wird.
  • Ein MEMS-Bauelement wird hergestellt, indem auf einer aktiven Oberfläche eines Wafers elektrische Bauelementstrukturen und mit diesen verbundene Kontaktflächen erzeugt werden. Weiterhin werden auf der aktiven Oberfläche metallische Strukturen erzeugt, die auf den Kontaktflächen stehende Säulenstrukturen und eine die Bauelementstrukturen umschließende Rahmenstruktur umfassen, wobei die Rahmenstruktur ebenfalls auf der aktiven Oberfläche des Wafers aufsitzt. In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche der metallischen Strukturen mit einem geeigneten Verfahren planarisiert, beispielsweise durch Abschleifen oder Fräsen.
  • Anschließend wird eine Trägerschicht mithilfe einer UV-härtbaren Resistschicht auf die metallischen Strukturen aufgesetzt und fest mit dieser verbunden, indem die Resistschicht mittels UV-Bestrahlung gehärtet wird. Durch das Aufkleben der Trägerschicht mithilfe einer UV-härtbaren Resistschicht wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumgehäuses für die MEMS-Bauelemente angegeben, welches auf Waferebene durchgeführt werden kann.
  • Die UV-Bestrahlung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden wobei eine zu starke Erwärmung des Bauelements sicher verhindert werden kann. Somit können praktisch alle Fertigungsschritte sowohl des Bauelements als auch dessen Verkapselung bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden, so dass das Gehäuse verschlossen werden kann, ohne dass dabei eine thermische Verspannung zwischen sich unterschiedlich ausdehnenden Gehäuseteilen auftritt. Ein spannungsfreies Gehäuse garantiert, dass auch das damit fest verbundene Bauelement spannungsfrei bleibt. Ein solches ist zum Einen wenig anfällig gegen Beschädigung und zeigt zum Anderen auch keine Veränderung seiner thermomechanischen und letztendlich auch elektrischen Eigenschaften, die mit einer mechanischen Verspannung einhergehen könnten.
  • In einer Ausführungsform wird auf einem Teil der metallischen Strukturen nach dem Planarisieren eine weitere Metalllage aufgebracht. Danach kann ein erneuter Planarisierungsschritt durchgeführt werden. Im Ergebnis werden metallische Strukturen erhalten, die zumindest zwei unterschiedliche Höhen über der Oberfläche des Substrats aufweisen. Die oberen Enden der metallischen Strukturen einer jeden Metalllage liegen jeweils innerhalb einer Ebene.
  • Die Trägerschicht wird vorzugsweise ganzflächig mit der Resistschicht beschichtet und dann so auf die metallischen Strukturen aufgesetzt, dass der mit der weiteren Metalllage beschichtete Teil der metallischen Strukturen die Resistschicht durchstößt, bis er in Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht gelangt. Die Dicke der Resistschicht ist dabei dicker gewählt als die Höhe der weiteren Metalllage. Dies garantiert, dass die Oberflächen sämtlicher metallischen Strukturen in der Resistschicht eingebettet sind, wobei nur die mit der zweiten Metalllage versehenen Teile der metallischen Strukturen bis zur Trägerschicht reichen.
  • Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich wegen der unterschiedlich hoch ausgebildeten metallischen Strukturen in einem Kontaktierungsverfahren in einfacher Weise nur die Strukturen mit der größeren Höhe kontaktieren lassen.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden in der Trägerschicht Sacklöcher erzeugt, die durch die Trägerschicht hindurch reichen und in denen die Oberflächen zumindest der mit der zweiten Metalllage aufgedickten metallischen Strukturen freigelegt werden. Für den Fall, dass alle metallischen Strukturen die gleiche Höhe aufweisen, können die in den Sacklöchern freizulegenden metallischen Strukturen frei ausgewählt werden.
  • Auf die vom Substrat/Wafer wegweisende Oberfläche der Trägerschicht wird nun eine strukturierte Kontaktstruktur so aufgebracht, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch verbunden ist. Dazu wird entweder ein Aufbringverfahren gewählt, welches auch in den Sacklöchern eine leitende Kontaktschicht erzeugt/abscheidet. Möglich ist es jedoch auch, die Sacklöcher zunächst mit leitenden Materialien zu befüllen und anschließend ein Aufbringverfahren für eine Kontaktschicht oder eine Kontaktstruktur zu wählen, welches auf einer ebenen Oberfläche durchgeführt werden kann.
  • Die Kontaktstruktur kann auch direkt strukturiert erzeugt werden oder wird zunächst als ganzflächige Kontaktschicht aufgebracht und anschließend strukturiert.
  • Die Kontaktstruktur kann auch eine Verdrahtungsstruktur sein, bei der elektrisch leitende Verbindungen zwischen unterschiedlichen, in Sacklöchern freigelegten, metallischen Strukturen erzeugt werden. Möglich ist jedoch auch eine Kontaktstruktur, die direkt über den Sacklöchern angeordnete Außenkontakte aufweist, insbesondere lötbare metallische Flächen die in elektrisch leitendem Kontakt zu den entsprechenden metallischen Strukturen stehen. In allen Ausführungen dient die Trägerschicht als elektrisch isolierende Zwischenlage zwischen den metallischen Strukturen und der Kontaktstruktur sowie als Träger der Kontaktstrukturen. Zusätzlich kann die Trägerschicht aus einem Material bestehen, welches eine ausreichende Hermitizität aufweist.
  • In einer Ausführungsform wird die UV-härtbare Resistschicht ganzflächig auf die Trägerschicht aufgebracht. Die Trägerschicht wird anschließend auf den metallischen Strukturen so aufgesetzt, dass zumindest ein Teil der metallischen Strukturen die Resistschicht bis zum Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht durchstößt. Für den Fall, dass sämtliche metallischen Strukturen die gleiche Höhe aufweisen, werden alle metallischen Strukturen in die Resistschicht eingeführt, bis sie in Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht treten.
  • Anschließend wird die Resistschicht mit UV-Bestrahlung aus¬ge¬härtet. Nach dem Aushärten der Resistschicht wird die Träger¬schicht von der Resistschicht abgezogen. Es verbleibt ein Hohlraum, in dem die von der Rahmenstruktur umschlossenen Bauelementstrukturen zwischen Resistschicht und Wafer eingeschlossen sind.
  • Im nächsten Schritt wird eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer wegweisende Oberfläche der Resistschicht so aufgebracht, dass sie mit den die Resistschicht durchstoßenden und daher freiliegenden metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
  • Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zur Kontaktierung keine Sacklöcher erforderlich sind, da die Oberflächen der metallischen Strukturen auf der Resistschicht freiliegen. Gegebenenfalls kann ein gleich-mäßiger Schichtabtragungsschritt durchgeführt werden, eine verbleibende Restschichtdicke zwischen den metallischen Strukturen und der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht abzutragen. Dazu kann beispielsweise eine kurze Plasmabehandlung durchgeführt werden, die zum Ätzen des Resists geeignet ist. Beispielsweise kann ein Sauerstoffplasma verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird keine ganzflächige Resistschicht eingesetzt. Vielmehr wird eine Resistschicht selektiv auf die Oberflächen der metallischen Strukturen aufgetragen. Auf diese mit der Resistschicht versehenen metallischen Strukturen wird anschließend eine Trägerschicht aufgeklebt, wobei die Resistschicht als Klebstoff verwendet wird.
  • Da die Resistschicht hier zum Verkleben und nicht zur Abdichtung des Hohlraums geeignet ist, verbleibt die Trägerschicht auf der Anordnung. Im nächsten Schritt werden daher auch hier Sacklöcher erzeugt und darin die Oberflächen der metallischen Strukturen freigelegt. Anschließend wird eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer wegweisende Oberfläche der Trägerschicht so aufgebracht, dass ein elektrisch leitender Kontakt der Kontaktstruktur mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen hergestellt wird.
  • In dieser Ausführungsform kann beim Herstellen der Sacklöcher durch Einhaltung der lateralen Toleranz gewährleistet werden, dass die Strukturbreiten der Sacklöcher kleiner sind als die Strukturbreiten der metallischen Strukturen und so der zwischen Trägerschicht und Wafer eingeschlossene Hohlraum nicht geöffnet werden muss.
  • Steht ein Verfahren zur Kontrolle der Ätztiefe für die Sacklöcher zur Verfügung, kann die vorher beschriebene Variante mit den unterschiedlichen Höhen der metallischen Strukturen mit größerer lateraler Toleranz durchgeführt werden. In diesem Fall ist jedoch darauf zu achten, dass die Tiefe der Sacklöcher nicht die Schichtdicke der Resistschicht überschreitet, um auch hier eine Öffnung des Hohlraums zwischen Resistschicht und Wafer zu vermeiden.
  • Die zuletzt genannte Verfahrensvariante hat den Vorteil, das zwar eine hohe laterale Strukturgenauigkeit bei der Herstellung der Sacklöcher erforderlich ist, das Verfahren jedoch bezüglich der Tiefe der Sacklöcher einfach steuerbar ist, da die Oberflächen der metallischen Strukturen als Anschlag beziehungsweise als Ätzstopp dienen können.
  • In allen Verfahrensvarianten kann in der aktiven Oberfläche des Wafers vor dem Verbinden mit der Resistschicht und der Trägerschicht ein Grabenmuster so erzeugt werden, dass dadurch eine Vielzahl von Bauelementbereichen voneinander getrennt wird. In jedem Bauelementbereich sind die einem jeweiligen Bauelement zugeordneten Bauelementstrukturen angeordnet. Anschließend werden Resist- und Trägerschicht aufgebracht und die Resistschicht gehärtet.
  • Auf einer beliebigen Stufe nach diesem Verfahrensschritt kann anschließend der Wafer von der Rückseite her gedünnt werden, bis das Grabenmuster freigelegt ist. Dies führt dazu, dass jeder Bauelementbereich einen von den übrigen Bauelementbereichen vollständig getrennten Substratanteil aufweist.
  • Neben der Auftrennung in einzelne Substrate hat das Waferdünnen den Vorteil, dass die Gesamthöhe des Bauelements reduziert wird, wobei der Verbund mit der Resistschicht und der Trägerschicht gewährleistet, dass das Bauelemente dennoch ausreichend mechanisch stabil ist und daher sowohl gegen Beschädigung als auch Verformung stabil ist. Das Dünnen des Wafers wird vorzugsweise mit einem mechanischen Verfahren durchgeführt, beispielsweise mittels eines Schleif- oder Fräsprozesses.
  • In einer weiteren Verfahrensvariante wird der Wafer beziehungsweise werden die aufgetrennten Einzelsubstrate von der Rückseite her mit einer hermetischen Schicht gegen die Trägerschicht oder gegen die Resistschicht abgedichtet. Die hermetische Schicht wird daher zumindest auf die Rückseite des Wafers und auf die Oberfläche der Trägerschicht oder der freiliegenden Resistschicht aufgebracht.
  • In einer Verfahrensvariante führt eine anisotrope Abscheidung der hermetischen Schicht auch zu einer Kantenbedeckung, so dass die hermetische Schicht durchgehend die Rückseiten und Seitenflächen aller Bauelemente bedeckt.
  • In einer Verfahrensvariante kann die hermetische Schicht auch nur an den Stellen aufgebracht werden, an denen die Hermitizität des bestehenden Gehäuses verstärkt werden muss. Dies sind insbesondere die Oberfläche und sonstigen freiliegenden Interfaces der Resistschicht zur Rahmenstruktur und zur Trägerschicht. In diesem Fall wird zur Erzeugung der hermetischen Schicht ein Verfahren verwendet, welches ortsgenau eine strukturierte hermetische Schicht erzeugen kann. Für diese Ausführung ist insbesondere ein Nanojetverfahren geeignet, wobei vorzugsweise metallische Tinten aufgedruckt/ aufgejettet werden. Möglich ist es jedoch auch, die hermetische Schicht mit einem anderen Verfahren aufzudrucken oder aufzusputtern. Wahlweise können die aufgebrachten Strukturen oder die ganzflächig aufgebrachte Schicht nachträglich noch durch galvanische oder stromlose Metallabscheidung verstärkt werden. Die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung der hermetischen Schicht können auch kombiniert werden.
  • Eine bessere hermetische Abdichtung durch die hermetische Schicht wird erreicht, wenn vorher freiliegende Oberflächen der Resistschicht weitgehend entfernt werden. Dies kann auf einer Verfahrensstufe erfolgen, nachdem das Grabenmuster durch Waferdünnung freigelegt ist. Mit einem geeigneten Ätzverfahren kann dann durch das geöffnete Grabenmuster hindurch die Oberfläche der Trägerschicht von der dort befindlichen Resistschicht befreit werden. Das Verfahren kann dabei so eingestellt werden, dass die als Klebstoff fungierenden Bereiche der Resistschicht zwischen den metallischen Strukturen und der Trägerschicht durch das Ätzverfahren unverletzt werden. Zum Ätzen des gehärteten Resists ist beispielsweise ein sauerstoffhaltiges Plasma geeignet.
  • Die UV-härtbare Resistschicht kann in einfacher Weise durch die Trägerschicht hindurch mittels UV Bestrahlung gehärtet werden, wenn eine für UV-Strahlung transparente Trägerschicht verwendet wird.
  • Möglich ist es jedoch auch, zusätzlich oder alternativ einen für UV-Strahlung transparenten Wafer zu verwenden. Für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente sind dazu Piezosubstrate geeignet, die in der Regel ebenfalls für UV-Strahlung durchlässig sind. Für die Variante mit Trägerschicht kann auch ein thermisch härtender Resist verwendet werden, wobei der Wafer dann insgesamt auf eine entsprechend erhöte Temperatur gebracht wird, z.B. in einem Ofen. Möglich ist es jedoch auch die Anordnung mit der Trägerschicht auf eine Heizplatte aufzusetzen, um nur lokal eine Aufheizung zu bewirken.
  • Die Trägerschicht kann eine beliebige dünne Folie sein. Sie kann aus Glas bestehen oder eine Glasschicht umfassen. Sie kann eine Kunststofffolie sein. Sie kann eine Verbundfolie sein, die zumindest eine Kunststoffschicht und eine Metallschicht umfasst. In einer Ausführungsschicht ist die Trägerschicht mit einer Metallkaschierung, beispielsweise mit einer Kupferkaschierung versehen und umfasst eine Kunststofffolie. Aus einer solchen mit Metall kaschierten Trägerschicht kann in einfacher Weise mittels ätzender Strukturierung eine Kontaktstruktur erzeugt werden. Diese kann gegebenenfalls durch metallische Abscheidung nach der Strukturierung verstärkt werden. Möglich ist es auch, einen Resist auf die mit Metall kaschierte Oberfläche aufzubringen, zu strukturieren und anschließend in den freiliegenden Bereichen die Schicht zu verstärken. Nach der Entfernung des Resists kann die restliche verbleibende dünne Kaschierung durch Ätzen entfernt werden. Das Öffnen der Sacklöcher kann dabei vor oder nach dem Strukturieren der Metallkaschierung erfolgen. In beiden Fällen muss dann jedoch dafür gesorgt werden, dass ein elektrisch leitender Kontakt zwischen metallischen Strukturen in den Sacklöchern und der Metallkaschierung hergestellt wird. Dies kann beispielsweise durch Befüllen der Sacklöcher mit elektrisch leitendem Material erfolgen.
  • Im letzten Schritt werden die Bauelemente vereinzelt, in dem die Trägerschicht und/oder die Resistschicht zwischen den einzelnen Bauelementen durchtrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Sägeschritt. Möglich ist es jedoch auch, die Auftrennung in Einzelbauelemente mittels eines Laserverfahrens vorzunehmen.
  • Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch ausgeführt und dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung. Einzelne Teile können daher vergrößert oder verkleinert dargestellt sein. Den Figuren können daher weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
  • Es zeigen:
    • 1 ein MEMS-Bauelement während einer Verfahrensstufe nach dem Verbinden mit einer Trägerschicht im schematischen Querschnitt,
    • 2 ein MEMS-Bauelement auf derselben Stufe in einer Verfahrensvariante,
    • 3A bis 3C verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer alternativen Ausführungsform,
    • 4A bis 4B zwei Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements einer weiteren Ausführungsform,
    • 5A bis 5D anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen einer weiteren Verfahrensvariante,
    • 6A bis 6C eine Maßnahme zur hermetischen Abdichtung anhand verschiedener Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements,
    • 7A bis 7C die Herstellung einer strukturierten Metallisierung und einer Passivierungsschicht anhand verschiedener Verfahrensstufen,
    • 8A bis 8C verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung,
    • 9A und 9B zwei Verfahrensstufen bei der Herstellung einer Variante einer Metallisierungsstruktur, und
    • 10 eine Draufsicht auf die aktive Oberfläche eines Substrats mit aktiven Bauelementstrukturen, Kontaktflächen und Rahmenstruktur.
  • 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein einzelnes Substrat für ein MEMS-Bauelement auf einer Stufe, bei der das Substrat SU mit der Trägerschicht TS mit Hilfe einer Resistschicht RL verbunden ist. Das Substrat SU weist auf seiner aktiven Oberfläche AS Bauelementstrukturen BES auf. Die Bauelementstrukturen umfassen außerdem Kontaktflächen (in der Figur nicht dargestellt), auf denen metallische Säulenstrukturen PS aufsitzen. Weiterhin ist auf der aktiven Oberfläche AS eine Rahmenstruktur RS aufgebracht, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Säulenstrukturen PS. Die Rahmenstruktur umschließt auf der Oberfläche zumindest die aktiven Bauelementstrukturen BES. Auch die Kontaktflächen und Säulenstrukturen sind innerhalb der Rahmenstruktur RS angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, einzelne der Kontaktflächen und der darauf aufsitzenden Säulenstrukturen PS außerhalb der Rahmenstruktur auf der aktiven Oberfläche AS anzuordnen.
  • Mit den metallischen Strukturen, nämlich der metallischen Rahmenstruktur RS und den metallischen Säulenstrukturen PS sitzt das Substrat SU auf einer Resistschicht RL auf, die auf einer Trägerschicht TS angeordnet ist. Dabei wird zumindest gewährleistet, dass der Hohlraum CV innerhalb der Rahmenstruktur RS zwischen Substrat SU und Trägerschicht TS dicht abgedichtet ist. Dies setzt voraus, dass die metallischen Strukturen zumindest in die Resistschicht RL eintauchen. Die Resistschicht ist vorzugsweise eine UV-härtbare Resistschicht. Die Dicke der Resistschicht ist kleiner gewählt als die Höhendifferenz zwischen den Bauelementstrukturen den höchsten Säulenstrukturen.
  • Die metallischen Strukturen können so tief in die Resistschicht RL eindringen, dass sie mit der Oberfläche der Trägerschicht TS in Kontakt treten.
  • 2 zeigt eine solche Ausführung, bei der nur ein Teil der metallischen Strukturen quasi bis zum Anschlag an der Trägerschicht in die Resistschicht RL eingedrungen ist. Eine derartige Differenzierung zwischen den metallischen Strukturen wird erreicht, indem die tiefer eindringenden metallischen Strukturen mit einer zusätzlichen Metalllage AM aufgedickt sind, die gegenüber der niedrigeren ersten Metalllage unterschiedlich strukturiert sein kann. In einer einzigen Darstellung zusammengefasst dargestellt zeigt 2 z.B. weitere Metalllagen AM0, die den gleichen Querschnitt wie die darunter liegende erste Metalllage aufweisen. Weiterhin ist es möglich, den Querschnitt der weiteren Metalllage innerhalb einer Säulenstruktur größer zu wählen als den Querschnitt der ersten Metalllage, wie dies für die weitere Metalllagen AM1 dargestellt ist. In einer dritten Variante kann der Querschnitt der weiteren Metalllage AM2 eine geringere Querschnittsfläche aufweisen als die darunter liegende erste Metalllage der jeweiligen Säulenstruktur PS.
  • Eine verbreiterte zweite Metalllage AM1 hat den Vorteil, dass sie bei der späteren Kontaktierung durch die Trägerschicht TS hindurch eine erhöhte Verfahrenssicherheit gewährt. Eine verschmälerte zweite Metalllage AM2 hat den Vorteil, dass sie sich einfacher in die Resistschicht R11 versenken lässt. Die metallischen Strukturen, die nicht mit einer zweiten Metalllage AM verdickt sind und daher eine geringere Höhe als die verdickten metallischen Strukturen aufweisen, können nicht bis zur Oberfläche der Trägerschicht TS eindringen. Insbesondere können metallische Strukturen, die nicht zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind, ohne zweite Metalllage bleiben.
  • 3A bis 3C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Bauelements gemäß einer weiteren Variante beziehungsweise Ausführungsform, die im Endprodukt ohne Trägerschicht TS auskommt. 3A zeigt ein mit einer Resistschicht RL beschichtetes Trägersubstrat TS und ein Substrat SU, welches Bauelementstrukturen, eine Rahmenstruktur RS und Säulenstrukturen PS aufweist. Die metallischen Strukturen können gleiche oder unterschiedliche Höhe aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen der metallischen Strukturen mit Hilfe eines Planarisierungsprozesses, beispielsweise durch Abfräsen oder Abschleifen auf das gleiche Niveau gebracht werden, so dass deren Oberflächen innerhalb einer Ebene liegen und so besser mit einer planen Trägerschicht TS dicht abgedeckt werden können.
  • 3B zeigt das aufgesetzte Substrat SU, bei dem die metallischen Strukturen bis zur Oberfläche des Trägersubstrats TS in die Resistschicht RL eingedrungen sind. Anschließend wird die Resistschicht RL gehärtet und dazu vorzugsweise mit UV-Licht bestrahlt.
  • Nach der so erfolgten Härtung der Resistschicht zu einem UVgehärteten Resist ist die Dichtigkeit des Hohlraums CV gewährleistet, ebenso dessen mechanische Stabilität. Nun gelingt es, die Trägerschicht TS von der gehärteten Resistschicht abzuziehen, so dass nur die gehärtete Resistschicht RL am Bauelement verbleibt. Die Oberseiten der metallischen Strukturen schließen bündig mit der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht RL ab, liegen also frei und können so einfach kontaktiert werden. 3C zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.
  • Eine Restschichtdicke der Resistschicht RL, die gegebenenfalls noch über den Enden der metallischen Strukturen vorhanden ist, kann in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf mechanische, chemische oder sonstige Weise, beispielsweise durch Plasmaätzen entfernt werden.
    4A und 4B zeigen zwei Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Bauelements gemäß einer weiteren Variante. Im Unterschied zu den Varianten nach 1 bis 3 wird hier die Resistschicht RL nicht als ganzflächige Schicht auf dem Trägersubstrat TS aufgebracht sondern gemäß 4A selektiv nur auf den vom Substrat wegweisenden Enden der metallischen Strukturen. Dies gelingt mit einem geeigneten Verfahren, beispielsweise mittels Aufdrucken, Aufstreichen oder Aufrollen eines z.B. UV-härtbaren Resists.
  • 4B zeigt die Anordnung nach dem Aufsetzen der mit der Resistschicht RL bedeckten metallischen Strukturen auf die Trägerschicht TS. Auch auf diese Weise lässt sich der Hohlraum CV dicht abschließen. Für diese Verfahrensvariante ist es jedoch vorteilhaft, alle Enden der metallischen Strukturen mit dem genannten Planarisierungsverfahren auf das selbe Niveau zu bringen, um die Dichtigkeit des Hohlraums CV sicherer zu gewährleisten.
  • Die 1 bis 4 stellen die Bauelemente in Verfahrensstadien dar, bevor eine strukturierte Metallisierung zur Herstellung von Außenkontakten und zur Kontaktierung der aktiven Bauelementstrukturen BES aufgebracht ist. In allen diesen Ausführungen ist die Mindestschichtdicke der Resistschicht RL so gewählt, dass sich der Hohlraum CV dicht abschließen lässt, was insgesamt zusätzlich eine Frage der Strukturgenauigkeit und der Planarität sowohl der metallischen Strukturen als auch der Trägerschicht TS ist. Die Ausführungsform, bei der die Trägerschicht TS entfernt wird, erfordert zusätzlich eine höhere Schichtdicke der Resistschicht RL, da diese als frei tragende Bauelementabdeckung bzw. als Gehäusedeckel eingesetzt wird und dabei die mechanische Stabilität der Abdeckung gewährleisten muss. Eine typische Schichtdicke für eine Variante nach 2 ist zum Beispiel 1 µm. Eine geeignete Schichtdicke für die Variante nach 3 beträgt zum Beispiel 10 µm. Unter den genannten Voraussetzungen der Verfahrenssicherheit, der Dichtigkeit des Hohlraums und der guten Haftung kann eine geeignete Schichtdicke jedoch von diesen Werten nach oben oder unten abweichen.
  • In den 1 bis 4 ist das Bauelement beziehungsweise das dazu führende Verfahren anhand eines einzelnen Bauelementsubstrats und dem entsprechenden Abschnitt der Trägerschicht TS dargestellt, wird aber in der Regel auf Waferebene für alle auf einem Wafer befindlichen Bauelemente gleichzeitig durchgeführt.
  • Die 5A bis 5D zeigen weitere Details bei der Herstellung auf Waferebene. Ein als Substrat SU dienender Wafer umfasst aktive Bauelementstrukturen für eine Vielzahl von Bauelementen. Aktive Bauelementstrukturen und metallische Strukturen jeweils eines Bauelements sind innerhalb eines Bauelementbereichs BB angeordnet, von denen der als Substrat SU dienende Wafer eine Vielzahl aufweist. Ein in die aktive Oberfläche eingebrachtes Grabenmuster GM umfasst jeden einzelnen Bauelementbereich BB umschließende Gräben entlang der späteren Auftrennungslinie beim Vereinzeln der Bauelemente. Das Grabenmuster kann bis circa 50 % der Schichtdicke in das Substrat SU eingebracht werden. Die Mindesttiefe des Grabenmusters GM entspricht der für das spätere Bauelement vorgesehenen Endschichtdicke des Substrats nach dem Dünnen.
  • Die metallischen Strukturen sind vorzugsweise mit dem genannten Planarisierungsverfahren eingeebnet, so dass sich in einfacher Weise eine Resistschicht auf die oberen Enden der metallischen Strukturen mit einem Druckverfahren aufbringen lässt. Eine Resistschichtaufbringvorrichtung RA umfasst daher beispielsweise eine Walze, die für ein Rollercoating eingesetzt werden kann. Der Resist wird auf die Oberfläche einer Walze aufgebracht und auf die metallischen Strukturen aufgerollt. 5A zeigt die Anordnung während des Aufbringens der Resistschicht RL.
  • Im nächsten Schritt wird die Trägerschicht TS auf die mit Resist beschichteten metallischen Strukturen aufgesetzt. Dazu wird vorzugsweise eine dünne und flexible Folie verwendet, die eine Kunststofffolie, eine Verbundfolie aus Kunststoff und einem weiteren Material insbesondere anorganischen Material oder ein rein anorganische Folie sein und beispielsweise aus Glas bestehen. Bevorzugt sind hermetische Materialien, beispielsweise Glas.
  • Die flexible Trägerschicht TS beziehungsweise die dafür verwendete Folie wird nun auf die metallischen Strukturen des gesamten Wafers mit Hilfe einer Trägerschichtaufbringvorrichtung TA aufgewalzt oder auflaminiert. Durch einen geeigneten Andruck wird eine sichere Verbindung von Trägerschicht TS und metallischen Strukturen gewährleistet, die einen sicheren Verschluss des Hohlraums garantiert. 5B zeigt die Anordnung während des Aufbringens der Trägerschicht TS.
  • Im nächsten Schritt wird die Schichtdicke des als Substrats SU dienenden Wafers von der Rückseite her reduziert. Dies kann beispielsweise mittels Abschleifen erfolgen. Das Dünnen wird soweit durchgeführt, bis das Grabenmuster von der Rückseite des Substrats SU her freigelegt wird. Auf diese Weise werden die einzelnen Substrate voneinander getrennt, so dass jeder Bauelementbereich BB ein mechanisch von benachbarten Bauelementen getrenntes Substrat aufweist. 5C zeigt die Anordnung auf diese Verfahrensstufe, wobei jedoch im Gegensatz zu 5A und 5B nun die Substrate nach oben weisend dargestellt sind.
  • Wird ein hermetisches Trägersubstrat TS eingesetzt, so kann in einer weiteren Verfahrensstufe die Hermitizität der Bauelemente weiter gesteigert werden, indem die Trennfugen zwischen den metallischen Strukturen insbesondere der Rahmenstruktur und der Trägerschicht mit einer hermetischen Schicht abgedeckt werden. Dazu wird durch das Grabenmuster, beziehungsweise die zwischen den einzelnen Bauelementbereichen BB bestehenden Spalte hindurch hermetisches Material so auf die frei liegenden Oberflächen der Trägerschicht, der Resistschicht und zumindest Teilen der Rahmenstruktur aufgebracht. Dies kann mittels eines isotropen Aufbringverfahrens erfolgen, welches zum Erzeugen einer Schicht auch an vertikalen oder überhängenden Oberflächen geeignet ist. Möglich ist es jedoch auch, ein strukturierendes anisotropes Verfahren zu verwenden, beispielsweise ein Jetdruckverfahren. Mit diesem gelingt es, auch feine Strukturen des aufgedruckten Materials am gewünschten Ort zu erzeugen. In 5D ist die Aufbringung der hermetischen Schicht HS durch Pfeile angedeutet.
  • Als hermetische Schicht dienen anorganische Schichten, insbesondere metallische Schichten. Mit dem Jetdruckverfahren können auch metallische Partikel umfassende Tinten aufgedruckt werden, die sich in durchgehende und dichte metallische Überzüge überführen lassen. Tinten, die metallische Nanopartikel umfassen, können bei besonders niedrigen Temperaturen aufgeschmolzen und in kontinuierliche Metallschichten oder Metallstrukturen überführt werden. Solche Tinten umfassen insbesondere Silbernanopartikel.
  • Eine strukturiert aufgebrachte oder ganzflächig aufgesputterte hermetische Schicht HS kann zusätzlich durch ein galvanisches oder stromloses Metallabscheideverfahren verstärkt und dadurch in der Dichtigkeit erhöht werden. Eine ganzflächig auch auf die Rückseiten der Substrate aufgebrachte hermetische Schicht HS kann zusätzlich eine Schirmungswirkung gegenüber elektromagnetischer Strahlung entfalten.
  • Durch die Spalten zwischen den einzelnen Substraten hindurch können dort freiliegende Bereiche der Resistschicht RL mittels Ätzens entfernt werden. Dies ist in 6A durch Pfeile angedeutet. 6B zeigt die Anordnung nach dem Entfernen der Resistschicht RL zwischen den einzelnen Bauelementen, so dass dort die Oberfläche der Trägerschicht TS freigelegt ist.
  • In diesen Bereichen wird nun wie vorher an 5 beschrieben eine hermetische Schicht abgeschieden. Dies kann wie in 6C dargestellt selektiv in dem Bereich zwischen den Substraten erfolgen, oder alternativ auch ganzflächig über der gesamten Anordnung und den Rückseiten der Substrate SU.
  • 7A bis 7C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung auf der vom Substrat wegweisenden Oberfläche der Abdeckung, die hier als reine Resistschicht RS gemäß der Verfahrensvariante nach 3 dargestellt ist. 7A zeigt das Bauelement nach dem Aufsetzen auf die ganzflächig mit einer Resistschicht bedeckte Trägerschicht derart, dass die Enden der metallischen Strukturen die Resistschicht vollständig durchstoßen und praktisch in Kontakt mit der Trägerschicht TS stehen. Nach Härten der Resistschicht und Abziehen der Trägerschicht liegen daher die Oberflächen der metallischen Strukturen an der nach außen weisenden Oberfläche der Resistschicht RL frei. Durch Aufbringen einer strukturierten Metallisierung können nun Verbindungsleitungen und Außenkontakte HK erzeugt werden. Dazu sind an sich bekannte Metallisierungs- und Strukturierungsverfahren geeignet. In einfacher Weise können derartige Kontakte beispielsweise aufgedruckt und gegebenenfalls durch Metallabscheidung verstärkt werden. Möglich ist jedoch auch eine zweistufige Metallisierung mit Hilfe einer aufgesputterten metallischen Wachstumsschicht und anschließender galvanischer oder stromloser Verstärkung. 7B zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
  • Im nächsten Schritt kann die mit Außenkontakten AK versehene Oberfläche der Resistschicht RL noch mit einer Passivierungsschicht PS versehen werden. Eine solche Passivierungsschicht ist vorzugsweise aus anorganischem Material, insbesondere einem oxidischen, nitridischen oder sonstigen harten und dichten Material hergestellt. Die Passivierungsschicht PS ist so strukturiert, dass sie freiliegende Bereiche der Resistschicht sowie der Ränder der Außenkontakte abdeckt und nur den zur Kontaktierung genutzten Bereich der Außenkontakte freilässt. 7C zeigt die Anordnung mit der aufgebrachten und strukturierten Passivierungsschicht PS. Die Außenkontakte können in Form eines Ballgridarrays oder eines Landgridarrays in an sich bekannter Weise hergestellt werden.
  • 8A bis 8C zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer strukturierten Metallisierung auf der nach außen weisenden Unterseite der Trägerschicht TS. 8A zeigt die Anordnung nach dem Aufsetzen einer mit einer Resistschicht RL bedeckten Trägerschicht TS auf die metallischen Strukturen des Bauelementsubstrats SU. Nach der Härtung mittels UV-Licht und Überführung in eine UV-gehärtete Resistschicht RL werden von der Unterseite der Trägerschicht her Sacklöcher SL erzeugt, in denen die Oberfläche der zu kontaktierenden metallischen Strukturen freigelegt werden. Die Sacklöcher werden so erzeugt, dass der eingeschlossene Hohlraum CV verschlossen bleibt, die Resistschicht RL also nicht vom Sackloch durchstoßen wird. Dazu sind verschiedene Maßnahmen geeignet.
  • Beispielsweise ist es möglich, die Schichttiefe zu kontrollieren. Eine weitere Maßnahme umfasst eine Endpunkterkennung, bei der der Beginn des Abtragens der metallischen Struktur erkannt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Querschnittsfläche des Sackloches SL jeweils auf die zu kontaktierende metallische Struktur zu zentrieren und die Querschnittsfläche des Sackloches kleiner zu gestalten als den Querschnitt der metallischen Struktur, so dass das der Boden des Sacklochs SL vollständig von der metallischen Struktur gebildet wird. Auf diese Weise stellt das Metall der metallischen Struktur einen „natürlichen“ Ätzstopp dar.
  • Je nach Material der Trägerschicht TS kann ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Sacklöcher SL gewählt werden. Weist die Trägerschicht TS eine ausreichend dünne Schichtdicke auf, können die Sacklöcher SL mit Hilfe eines Lasers erzeugt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Laser ortsgenau eingesetzt werden kann und eine zusätzliche Resistmaske nicht erforderlich ist. Geeignet sind auch Trocken- oder Nassätzverfahren, die mit einer entsprechenden Resistmaske, die auf der Unterseite der Trägerschicht TS aufgebracht und strukturiert wird, durchgeführt werden können muss.
  • Im nächsten Schritt wird eine strukturierte Metallisierung MS so erzeugt, dass sie in elektrisch leitende Verbindung mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen treten kann. Dazu wird wie beispielsweise in 8C dargestellt ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Metall vorzugsweise ganzflächig abgeschieden, beispielsweise durch Sputtern, so dass es am Boden der Sacklöcher mit der metallischen Struktur in Kontakt steht. Anschließend erfolgt eine Strukturierung und gegebenenfalls eine Verstärkung der Metallschicht in einem Metallabscheideverfahren, welches galvanisch oder stromlos durchgeführt werden kann. Die Strukturierung kann durch Aufbringen einer strukturierten Resistmaske auf die ganzflächig aufgebrachte Metallschicht erfolgen, so dass die Aufdickung nur in den von der Resistmaske freibleibenden Bereichen erfolgt. Anschließend wird die Maske entfernt und die Reste der Metallschicht in den nicht verstärkten Bereichen entfernt. 8C zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.
  • Möglich ist es jedoch auch, im Anschluss an die in 8B dargestellte Verfahrensstufe (nach dem Erzeugen der Sacklöcher SL) zunächst die Sacklöcher mit einer elektrisch leitenden Füllung zu versehen, wie es etwa in 9B dargestellt ist. Dies kann mit einem mechanischen Verfahren erfolgen, z.B. durch Einbringen einer leitfähigen Paste. Anschließend kann die strukturierte Metallisierung in einem Schichtabscheideverfahren auf der nun annähernd ebenen weil mit gefüllten Sacklöchern SL versehenen Trägerschicht TS erfolgen.
  • Möglich ist es jedoch auch, die strukturierte Metallisierung mittels eines Druckverfahrens aufzubringen, welches so ausgeführt werden kann, dass es auch im Boden der Sacklöcher zur Kontaktierung der metallischen Strukturen führt.
  • 9A zeigt eine Variante des anhand der 8A bis C beschriebenen Verfahrens, bei der die metallischen Strukturen mit einem über die Höhe variierenden Querschnitt ausgeführt sind. In der dargestellten Ausführungsform ist zumindest bei einem Teil der metallischen Strukturen RS,PS das vom Substrat entfernte obere Ende mit einer größeren Querschnittsfläche versehen, die beim Aufsetzen des Substrats dann bis zum Kontakt mit der Trägerschicht TS in die Resistschicht RL eingedrückt wird. Die vergrößerte Querschnittsfläche der metallischen Strukturen führt dazu, dass zum Erzeugen der Sacklöcher mehr Fläche zur Verfügung steht, ohne dass dadurch der eingeschlossene Hohlraum geöffnet wird. Ein sicher auf den verbreiterten Querschnitt der metallischen Strukturen zentriertes Sackloch führt zu hoher Verfahrenssicherheit.
  • Die Querschnittsfläche der metallischen Strukturen kann bei der Herstellung der metallischen Strukturen in einer Stufe zwischen erster und zweiter Metalllage variiert werden. Im vorliegenden Beispiel wird die weitere Metalllage AM1 oberhalb bestimmter zu kontaktierender metallischer Säulenstrukturen PS mit größerer Querschnittsfläche als die erste Metalllage erzeugt.
  • 9B zeigt eine strukturierte Metallisierung, bei der das Sackloch SL mit einer elektrisch leitfähigen Masse CF verschlossen ist. Die strukturierte Metallisierung umfasst dann das elektrisch leitend gefüllte Sackloch und eine auf der Unterseite der Trägerschicht über den gefüllten Sacklöchern aufgebrachte Metallisierung, die Außenkontakte AK realisiert.
  • 10 zeigt in der Draufsicht ein Substrat mit Bauelementstrukturen BES, damit verbundenen Kontaktflächen KF, beziehungsweise mit darauf aufsitzenden metallischen Säulenstrukturen PS und einer die Bauelementstrukturen umschließenden Rahmenstruktur RS. Mit strichpunktierter Linie ist die Substratkante bezeichnet, beziehungsweise die Grenze des Bauelementbereichs BB, der zusammen mit einer Vielzahl weiterer Bauelementbereiche und der dazugehörigen Strukturen auf einem gemeinsamen Wafer ausgebildet sein kann. Für die Bauelementstrukturen BES ist stellvertretend ein Interdigitalwandler dargestellt, wie er beispielsweise in SAW-Bauelementen als frequenzbestimmende Struktur eingesetzt wird. Die Bauelementstrukturen BES können neben dem Interdigitalwandler noch weitere Strukturen oder weitere Interdigitalwandler umfassen. Andere Typen von elektrischen oder elektromechanischen Bauelementen können auch davon abweichende Bauelementstrukturen aufweisen, beispielsweise eine bewegliche Membran in einem kapazitiven MEMS-Bauelement.
  • Die Rahmenstruktur RS umschließt die Bauelementstrukturen BES. Abweichend davon können jedoch die Kontaktflächen KF mittels einer unter der Rahmenstruktur RS hindurch verlaufenden Zuleitung in einen Bereich außerhalb des von der Rahmenstruktur RS umschlossenen Bereichs geführt werden. Da weder Kontaktfläche noch metallische Säulenstruktur eine mechanisch empfindliche Struktur darstellen, müssen diese auch nicht in dem von der Rahmenstruktur RS im fertigen Bauelement umschlossenen Hohlraum angeordnet werden.
  • Soweit in den bislang beschriebenen beziehungsweise dargestellten Ausführungsformen nur einzelne Bauelemente dargestellt wurden, so ist doch klar, dass sämtliche Verfahrensschritte vorzugsweise auf Waferlevel durchgeführt werden. Nur der Einfachheit halber wurde die Erfindung zum Teil anhand nur eines einzelnen Substrats für ein einziges Bauelement dargestellt. In den Figuren dargestellte einzelne Strukturen können auch in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, auch wenn sie dort nicht explizit genannt oder dargestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, bei allen Ausführungsformen eine hermetische Schicht vorzusehen, die zumindest die Seitenflächen des Bauelements bedeckt und gegen die Trägerschicht TS abschließt. Die hermetische Schicht HS kann auch die gesamte Rückseite des Substrats SU bedecken. Die hermetische Schicht kann darüber hinaus über ein entsprechend platziertes Kontaktloch mit einem Außenkontakt AK auf der Unterseite der Trägerschicht TS elektrisch leitend verbunden werden.
  • Möglich ist es auch in allen Fällen, die Rahmenstruktur RS elektrisch zu kontaktieren, vorzugsweise mit einem auf Masse liegenden Außenkontakt AK zu verbinden. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Massenverbindung wird eine verbesserte Schirmung des Bauelements erreicht, die für einen störungsfreien Betrieb des Bauelements sorgt.
  • Wenn einzelne Verfahrensschritt anhand bestimmter an sich bekannter Verfahren beschrieben sind, so ist das Verfahren doch nicht auf dieses ausdrücklich genannte Mittel beschränkt, sofern gleich wirkende andere Verfahren bekannt sind, die sich einsetzen lassen.
  • Für alle auf Waferlevel gefertigten Bauelemente samt Verkapselung gilt, dass sie in der Regel in einem letzten oder in einem der letzten Schritte durch Durchtrennen der Trägerschicht vereinzelt werden müssen. Weiterhin ist es möglich, die einzelnen Bauelemente bereits auf Waferlevel zusätzlich oder alternativ zur hermetischen Schicht mit einer mechanisch stabilen Vergussmasse zu überdecken, um das sichere Handling des Bauelements zu erleichtern. Eine auf Waferlevel aufgebrachte Vergussmasse bedarf eines separaten Vereinzelungsschrittes, um die nicht unerhebliche Schichtdicke der Vergussmasse im Bereich der die Bauelementebereiche BB trennenden Trennlinien zu durchtrennen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind alle neuen Merkmale und Merkmalskombinationen insbesondere von in den Ansprüchen genannten Merkmalen als zur Erfindung gehörig anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • SU
    Substrat/Wafer
    AS
    aktive Oberfläche
    BES
    elektrische Bauelementstrukturen
    KF
    Kontaktflächen
    PS
    metallische Säulenstruktur
    RS
    metallische Rahmenstruktur
    RL
    Resistschicht
    CV
    Hohlraum
    MS
    strukturierte Metallisierung
    TS
    Trägerschicht
    AK
    Außenkontakte
    HS
    hermetische Schicht
    AM0, AM1, AM2
    weitere Metalllage
    SL
    Sackloch
    GM
    Grabenmuster
    BB
    Bauelementbereich
    RA
    Resistaufbringvorrichtung
    TA
    Trägerschichtaufbringvorrichtung
    CF
    leitfähige Füllung in Kontaktloch

Claims (15)

  1. MEMS-Bauelement, - mit einem Substrat (SU), das eine aktive Oberfläche aufweist, auf der elektrische Bauelementstrukturen (BES) und Kontaktflächen (KF) zur elektrischen Kontaktierung der Bauelementstrukturen angeordnet sind, - mit metallischen Säulenstrukturen (PS), die auf den Kontaktflächen stehen und die Bauelementstrukturen überragen, - mit einer metallischen Rahmenstruktur (RS), die auf der aktiven Oberfläche des Substrats angeordnet ist und die Bauelementstrukturen samt der Säulenstrukturen umschließt, - bei dem die Oberseiten der metallischen Säulenstrukturen (PS) und der metallischen Rahmenstruktur (RS) planarisiert sind und so in einer Ebene angeordnet sind, - mit einer gehärteten Resistschicht (RL), die auf der Rahmenstruktur (RS) und den Säulenstrukturen (PS) so aufsitzt, dass zwischen Substrat, Rahmenstruktur und Resistschicht ein Hohlraum (CV) eingeschlossen ist, der durch die Resistschicht abgedichtet ist, wobei zumindest die Säulenstrukturen (PS) die Resistschicht (RL) so weit durchstoßen, so dass die vom Substrat weg weisenden Oberflächen der Säulenstrukturen (PS) von der Resistschicht unbedeckt sind, - mit einer strukturierten Metallisierung (MS), die auf der vom Substrat weg weisenden Oberfläche der Resistschicht oder auf einer weiteren über der Resistschicht angeordneten Trägerschicht angeordnet ist, wobei die strukturierte Metallisierung zumindest strukturierte Außenkontakte (AK) zur Kontaktierung des MEMS Bauelements ausbildet und mit den von der Resistschicht unbedeckten Oberseiten der Säulenstrukturen (PS) elektrisch leitend verbunden sind.
  2. MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, - bei dem eine Trägerschicht (TS) über der Resistschicht (RL) angeordnet ist, - bei dem die strukturierten Außenkontakte (AK) auf der Oberfläche der Trägerschicht angeordnet sind, - bei dem Durchkontaktierungen durch die Trägerschicht vorgesehen sind, die die Außenkontakte mit den Säulenstrukturen (PS) verbinden.
  3. MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem eine hermetische Schicht die Rückseite des Substrats (SU), die der aktiven Oberfläche gegenüber liegt, gegen die Trägerschicht (TS) abdichtet.
  4. MEMS-Bauelement nach Anspruch 3, - bei dem das Substrat (SU) ein piezoelektrischer Wafer ist, - bei dem die Bauelementstrukturen (BES) einen Interdigitalwandler umfassen, - bei dem die Trägerschicht eine Glasfolie ist, - bei dem die hermetische Schicht eine metallische Schicht ist.
  5. Verfahren zur Verkapselung von MEMS-Bauelement auf Waferebene - bei dem auf einer aktiven Oberfläche eines Wafers elektrische Bauelementstrukturen (BES) und mit diesen verbundene Kontaktflächen (KF) erzeugt werden, - bei dem metallische Strukturen (PS, RS) auf der aktiven Oberfläche erzeugt werden, die auf den Kontaktflächen (KF) stehende Säulenstrukturen (PS) und eine die Bauelementstrukturen (BES) umschließende Rahmenstruktur (RS) umfassen, - bei dem die Oberfläche der metallischen Strukturen (PS, RS) in einem Schleif- oder Fräsverfahren planarisiert wird, - bei dem auf einen Teil der metallischen Strukturen (PS, RS) nach dem Planarisieren eine weitere Metalllage (AM) aufgebracht wird, - bei dem eine Trägerschicht (TS) mit einer Resistschicht (RL) beschichtet und so auf die metallischen Strukturen aufgesetzt wird, dass der mit der weiteren Metalllage (AM) beschichte Teil der metallischen Strukturen die Resistschicht (RL) bis zum Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht (TS) durchstößt, - bei dem die Resistschicht (RL) gehärtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, - bei dem von der vom Wafer weg weisenden Oberfläche der Trägerschicht (TS) her durch die Trägerschicht (TS) hindurchreichende Sacklöcher erzeugt werden, in denen die Oberflächen zumindest des genannten Teils der metallischen Strukturen frei gelegt werden, - bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Trägerschicht (TS) so aufgebracht wird, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, - bei dem die Resistschicht (RL) ganzflächig auf die Trägerschicht (TS) aufgebracht wird, - bei dem nach dem Härten der Resistschicht (RL) die Trägerschicht (TS) von der Resistschicht (RL) abgezogen wird, so dass die Bauelementstrukturen (BES) in einem von der Rahmenstruktur (RS) umschlossenen Hohlraum (CV) zwischen Resistschicht (RL) und Wafer eingeschlossen sind, - bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Resistschicht (RL) so aufgebracht wird, dass sie mit den die Resistschicht (RL) durchstoßenden und so freiliegenden metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
  8. Verfahren zur Verkapselung von MEMS Bauelementen auf Waferebene, - bei dem auf einer aktiven Oberfläche eines Wafers elektrische Bauelementstrukturen (BES) und mit diesen verbundene Kontaktflächen (KF) erzeugt werden, - bei dem metallische Strukturen (PS, RS) auf der aktiven Oberfläche erzeugt werden, die auf den Kontaktflächen (KF) stehende Säulenstrukturen (PS) und eine die Bauelementstrukturen (BES) umschließende Rahmenstruktur (RS) umfassen, - bei dem die Oberfläche der metallischen Strukturen in einem Schleif- oder Fräsverfahren planarisiert wird, - bei dem selektiv auf die Oberflächen der metallischen Strukturen eine Resistschicht (RL) aufgetragen wird und der Wafer mit Hilfe dieser Resistschicht (RL) auf eine Trägerschicht aufgeklebt wird, - bei dem durch die Trägerschicht (TS) hindurchreichende Sacklöcher erzeugt werden, in denen die Oberflächen der metallischen Strukturen frei gelegt werden, - bei dem eine strukturierte Kontaktstruktur auf die vom Wafer weg weisende Oberfläche der Trägerschicht (TS) so aufgebracht wird, dass sie mit den in den Sacklöchern freigelegten metallischen Strukturen elektrisch leitend verbunden ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8, bei dem in der die Bauelementstrukturen (BES) tragenden Oberfläche des Wafers vor dem Verbinden mit der Resistschicht (RL) und der Trägerschicht (TS) ein Grabenmuster erzeugt wird, so dass eine Mehrzahl von Bauelementbereichen mit jeweils einem einzelnen Bauelement zugeordneten Bauelementstrukturen (BES) voneinander durch das Grabenmuster getrennt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Wafer nach dem Verbinden mit der Trägerschicht (TS) und nach dem Härten der Resistschicht (RL) von seiner Rückseite her soweit gedünnt wird, bis das Grabenmuster von der Rückseite her freigelegt ist und die Substrate für die einzelnen Bauelemente voneinander getrennt sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Wafer von der Rückseite her mit einer hermetischen Schicht gegen die Trägerschicht (TS) oder gegen die Resistschicht (RL) abgedichtet wird, wobei die hermetische Schicht durch Sputtern, Jetdruckverfahren von metallischen Tinten und/oder durch galvanische oder stromlose Metallabscheidung erzeugt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Resistschicht (RL) vor dem Aufbringen der hermetischen Schicht von der Rückseite des Wafers her durch das dort freigelegte Grabenmuster hindurch mittels Ätzens in den Bereichen entfernt wird, die nicht zum Verkleben von metallischen Strukturen mit der Trägerschicht (TS) genutzt sind.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-12, bei dem eine für UV-Strahlung transparente Trägerschicht (TS) verwendet wird, bei dem die Härtung der Resistschicht (RL) mittels UV-Bestrahlung durch die Trägerschicht (TS) hindurch erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-13, - bei dem als Trägerschicht (TS) eine mit Metallkaschierung versehene Kunststofffolie verwendet wird, - bei dem zur Herstellung der Kontaktstruktur die Metallkaschierung strukturiert und - bei dem vor oder nach dem Strukturieren der Metallkaschierung die Sacklöcher geöffnet und die metallischen Strukturen elektrisch leitend mit der Metallkaschierung verbunden werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-14, bei dem die Bauelemente abschließend vereinzelt werden, indem die Trägerschicht (TS) und/oder die Resistschicht (RL) zwischen den einzelnen Bauelementen durchtrennt werden.
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