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Die Erfindung betrifft ein mikro-elektromechanisches Bauelement, ein Chippackage mit mikro-elektromechanischem Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Chippackages mit einem mikro-elektromechanischen Bauelement, insbesondere bei verkappten mikro-elektromechanischen Sensoren mit verringertem Innendruck.
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Stand der Technik
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Miniaturisierte Sensoren wie Inertialsensoren oder Infrarotsensoren werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Robotik, der Navigation oder in der Bewegungserfassung. Die Sensoren können dabei aus mikro-elektromechanischen Strukturen (MEMS, „micro-electromechanical structures“) hergestellt werden.
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Derartige Sensoren sind häufig verkappt und weisen unter Verkappung einen reduzierten Innendruck auf, beispielsweise ein Hochvakuum. Um den niedrigen Innendruck zu verbessern bzw. aufrechtzuerhalten ist es bekannt, chemisch reaktive Materialien einzusetzen, die freie Gasmoleküle durch chemische Bindung oder Sorption an sich binden können, sogenannte „Getter“-Materialien. Insbesondere können in MEMS-Bauelementen nicht-flüchtige Getter („non-evaporable getter“) eingesetzt werden. Die Druckschriften
US 6,897,551 B2 ,
US 6,252,294 B1 ,
US 6,499,354 B1 ,
US 6,958,264 B1 und
US 5,180,568 A offenbaren beispielsweise derartige nicht-flüchtige Getter.
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Zahlreiche Legierungen mit Getterwirkung und Atmosphärenstabilität sowie mit einer Aktivierungstemperatur, die mit Waferbondprozessen kompatibel ist, sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 30 03 061 A1 ,
DE 30 03 114 C2 oder
EP 0 381 631 A2 bekannt.
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Es besteht ein Bedarf an mikro-elektromechanischen Sensoren und Verfahren zum Herstellen derartiger Sensoren, bei denen Getter in einfacher, kostengünstiger und prozesseffizienter Weise integriert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein mikro-elektromechanisches Bauelement, mit einem Substrat, welches auf einer Substratoberfläche eine Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen aufweist, und einer ersten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebene, welche auf der Substratoberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene zumindest teilweise aus einer ersten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein mikro-elektromechanisches Chippackage mit einem erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Bauelement, und einer Kappenstruktur, welche über der Substratoberfläche des Substrats angeordnet ist, und welche mit dem Substrat einen das mikro-elektromechanische Bauelement einschließenden hermetisch abgeschlossenen Hohlraum ausbildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Chippackages mit einem mikro-elektromechanischen Bauelement, insbesondere eines verkappten mikro-elektromechanischen Sensors, mit den Schritten des Ausbildens einer Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen auf einer Substratoberfläche eines Substrats, des Abscheidens einer ersten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebene auf der Substratoberfläche des Substrats im Bereich der mikro-elektromechanischen Strukturen, wobei die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene zumindest teilweise aus einer ersten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet ist, und des Ausbildens eines die Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen einschließenden hermetisch abgeschlossenen Hohlraums durch Anordnen einer Kappenstruktur über der Substratoberfläche des Substrats.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch funktionale Metallisierungsebene eines mikro-elektromechanischen Sensors bzw. eines Steuerchips für einen mikro-elektromechanischen Sensor zumindest teilweise aus einem chemisch reaktiven Material bzw. einem Getter-Material auszubilden. Die Metallisierungsebene erfüllt damit neben der Funktion als Getter für die Verbesserung bzw. Aufrechterhaltung eines Innendrucks über dem mikro-elektromechanischen Sensor auch die Funktion einer elektrisch aktiven Struktur für den Sensor und/oder den Steuerchip, beispielsweise die Bereitstellung elektrischer Leiterbahnen für die Stromversorgung und/oder die Leitung von Steuer- und/oder Messsignalen.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass für die Ausbildung der Getterstruktur keine zusätzlichen Prozessschritte bei der Fertigung des mikro-elektromechanischen Sensors bzw. eines Chippackages mit einem mikro-elektromechanischen Sensor notwendig sind. Statt dessen kann die Ausbildung der Getterstruktur bereits simultan mit der Ausbildung von Metallisierungsebenen bei der funktionalen Ausgestaltung des mikro-elektromechanischen Sensors und/oder des Steuerchips erfolgen. Dadurch können Prozessschritte eingespart werden, was die Fertigungskosten senken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements kann die erste Gettersubstanz eine Legierung aus der Gruppe von ZrxTiyFez, ZrxTiyVz, TiaV2-xFex-yNiy, und ZrM2, wobei M ein Übergangsmetall aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Co oder Ni ist, aufweisen. Diese Substanzen bieten eine gute Getterwirkung und besitzen eine erforderliche Atmosphärenstabilität sowie eine mit Waferbondprozessen kompatible Aktivierungstemperatur.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements kann die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene eine oberste Metallisierungsebene des mikro-elektromechanischen Bauelements sein. Dadurch besteht eine optimale Anbindung an den Hohlraum über dem mikro-elektromechanischen Bauelement, so dass die Getterwirkung maximiert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chippackages kann das Chippackage weiterhin einen Steuerchip, welcher dazu ausgelegt ist, das mikro-elektromechanische Bauelement anzusteuern, und eine zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene aufweisen, welche zumindest teilweise auf einer Oberfläche des Steuerchips angeordnet ist, wobei die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene zumindest teilweise aus einer zweiten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet ist. Da auch der Steuerchip vorteilhafterweise verkappt werden kann, kann bereits bei der Metallisierung des Steuerchips eine Gettersubstanz für die Bildung der Metallisierungsebene verwendet werden. Dadurch kann die Anzahl der chemisch aktiven Strukturen in dem Hohlraum vergrößert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chippackages kann die zweite Gettersubstanz eine Legierung aus der Gruppe von ZrxTiyFez, ZrxTiyVz, TiaV2-xFex-yNiy, und ZrM2, wobei M ein Übergangsmetall aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Co oder Ni ist, aufweisen. Diese Substanzen bieten eine gute Getterwirkung und besitzen eine erforderliche Atmosphärenstabilität sowie eine mit Waferbondprozessen kompatible Aktivierungstemperatur.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chippackages kann der Steuerchip auf der Substratoberfläche des Substrats neben dem mikro-elektromechanischen Bauelement angeordnet sein. Dabei kann die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene mit der ersten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebene korrespondieren. Dies bietet den Vorteil, dass die Metallisierungsebenen in dem gleichen Fertigungsschritt ausgebildet werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chippackages können die ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebenen auf der Substratoberfläche des Substrats aus dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum hinaus geführt sein. Dadurch können Leiterbahnen aus dem Hohlraum hinausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chippackages kann der Steuerchip auf einer dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zugewandten Oberfläche der Kappenstruktur angeordnet sein. Dabei kann ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement vorgesehen sein, welches den Steuerchip elektrisch mit dem mikro-elektromechanischen Bauelement über die ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebenen verbindet. Diese Anordnung spart Bauraum und schafft ein kompaktes Chippackage.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können weiterhin die Schritte des Anordnens eines Steuerchips auf der Substratoberfläche des Substrats neben den mikro-elektromechanischen Strukturen oder auf einer dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zugewandten Oberfläche der Kappenstruktur, und des Abscheidens einer zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebene auf einer Oberfläche des Steuerchips erfolgen, wobei die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene zumindest teilweise aus einer zweiten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangaben wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“, „neben“ oder dergleichen sind in der folgenden Beschreibung lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und stellen keine Beschränkung der Allgemeinheit dar.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages in Querschnittsansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages in Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages in Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine schematische Darstellung eines Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die gezeigten mikro-elektromechanischen Bauelemente (MEMS-Bauelemente) können jeweils für mikro-elektromechanische Sensoren (MEMS-Sensoren) wie beispielsweise Inertialsensoren, Beschleunigungssensoren, Infrarotsensoren, Temperatursensoren oder ähnliche Bauteile eingesetzt werden.
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Metallisierungen und Metallisierungsebenen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle funktionalen plattierten Strukturen aus Metall oder Metalllegierungen, die dazu geeignet sind, elektrischen Strom zu führen, die Strom- und/oder Spannungsversorgung daran angeschlossener Komponenten zu übernehmen und insbesondere elektrische Signale zu übermitteln. Metallisierungsebenen können daher elektrische Leiterbahnen, elektrische Leiterstrukturen oder ähnliche metallische Elemente umfassen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages 100 in Querschnittsansicht. Das Chippackage 100 umfasst ein Substrat 1, einen Steuerchip 2, ein mikro-elektromechanisches Bauelement (MEMS-Bauelement) 3 sowie eine Kappenstruktur 7. Das Substrat 1 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat umfassen. Zum Beispiel kann das Substrat 1 ein Silizium-auf-Isolator-Wafer („silicon on insulator“, SOI-Wafer) sein. In dem Substrat 1 können Vertiefungen ausgebildet sein, die zusammen mit mit den Vertiefungen korrespondierenden Strukturelementen eine Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen (MEMS-Strukturen) 3a darstellen. Beispielsweise können die MEMS-Strukturen 3a Membranstrukturen, Federstrukturen, auslenkbare Halbleiterfortsätze oder dergleichen aufweisen. Die MEMS-Strukturen 3a bilden zusammen das MEMS-Bauelement 3. Das MEMS-Bauelement 3 kann beispielsweise als Inertialsensor oder als IR-Sensor dienen.
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Der Steuerchip 2 kann beispielsweise ein FPGA, ein ASIC oder ein sonstiges logisches Gatter bzw. logische Schaltung sein, die dazu geeignet ist, das MEMS-Bauelement 3 anzusteuern bzw. Messsignale von diesem entgegenzunehmen und zu verarbeiten. In 1 ist der Steuerchip 2 beispielhaft neben, d.h. benachbart zu dem MEMS-Bauelement 3 auf der Substratoberfläche des Substrats 1 angeordnet. Dadurch befindet sich die aktive Oberfläche des Steuerchips 2 in einer Ebene mit der aktiven Oberfläche des MEMS-Bauelements 3.
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Über dem MEMS-Bauelement 3 kann eine erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b ausgebildet sein, welche auf der Substratoberfläche des Substrats 1 angeordnet ist. Die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b kann beispielsweise Leiterbahnstrukturen umfassen und ist zumindest teilweise aus einer ersten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet. Die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b kann beispielsweise eine oberste Metallisierungsebene des mikro-elektromechanischen Bauelements 3 sein. Alternativ oder zusätzlich können auch tieferliegende Metallisierungsebenen zumindest teilweise aus der ersten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet werden. Die erste Gettersubstanz kann beispielsweise eine Legierung aus der Gruppe von ZrxTiyFez, ZrxTiyVz, TiaV2-xFex-yNiy, und ZrM2 aufweisen, wobei M ein Übergangsmetall aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Co oder Ni ist, und wobei x, y, z und a variable Mengenanteile der jeweiligen Elemente an den Metalllegierungen sind.
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Die Kappenstruktur 5 ist über der Substratoberfläche des Substrats 1 angeordnet. Die Kappenstruktur 5 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat umfassen, welches an seiner Unterseite eine entsprechende Ausnehmung aufweist. Die Kappenstruktur 5 kann mit dem Substrat 1 einen das mikro-elektromechanische Bauelement 3 einschließenden hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 7 ausbilden. Der Hohlraum 7 kann beispielsweise bei der Herstellung des Chippackages 100 evakuiert werden. Durch die Gettersubstanz, durch die die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b gebildet wird, kann der reduzierte Innendruck bzw. das Vakuum in dem Hohlraum 7 verbessert bzw. über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Die Kappenstruktur 7 kann beispielsweise über ein Verbindungsmittel 6, zum Beispiel einen fluiddichten Kleber oder eine Lötverbindung, auf dem Substrat aufgebracht werden.
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Auf einer Oberfläche des Steuerchips 2 kann zumindest teilweise eine zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4a angeordnet sein. Die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4a kann zumindest teilweise aus einer zweiten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet sein. Die zweite chemisch aktive Gettersubstanz kann beispielsweise eine Legierung aus der Gruppe von ZrxTiyFez, ZrxTiyVz, TiaV2-xFex-yNiy, und ZrM2 aufweisen, wobei M ein Übergangsmetall aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Co oder Ni ist, und wobei x, y, z und a variable Mengenanteile der jeweiligen Elemente an den Metalllegierungen sind.
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Die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4a kann mit der ersten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebene 4b korrespondieren, so dass die beiden Metallisierungsebenen 4a, 4b in einem Fertigungsschritt gemeinsam ausgestaltet werden können. Zudem können in diesen Metallisierungsebenen 4a, 4b elektrische Verbindungen zwischen dem Steuerchip 2 und dem MEMS-Bauelement 3 geschaffen werden
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages 200. Das Chippackage 200 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Chippackage 100 im Wesentlichen darin, dass die ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebenen 4a, 4b auf der Substratoberfläche des Substrats 1 aus dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 7 hinaus geführt sind. Dazu kann die Kappenstruktur 5 über die Verbindungsmittel 6 auf den ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebenen 4a, 4b aufgesetzt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Chippackages 300. Das Chippackage 200 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Chippackage 100 im Wesentlichen darin, dass der Steuerchip 2 auf einer dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 7 zugewandten Oberfläche der Kappenstruktur 5 angeordnet ist. Alternativ kann auch das MEMS-Bauelement 3 in der dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 7 zugewandten Oberfläche der Kappenstruktur 5 angeordnet werden, während der Steuerchip 2 in dem Substrat 1 ausgestaltet wird. Auf diese Weise kann die benötigte Fläche auf der Substratoberfläche des Substrats 1 verringert werden, wodurch sich der Bauraumbedarf für das Chippackage 30 entsprechend optimieren lässt. Die Kappenstruktur 5 kann dabei über elektrisch leitfähige Kontaktelemente 8, welche den Steuerchip 2 elektrisch mit dem mikro-elektromechanischen Bauelement 3 verbinden, mit dem Substrat 1 verbunden werden. Die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 8 können dabei mit den ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Metallisierungsebenen 4a, 4b elektrisch verbunden sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Herstellen von mikro-elektromechanischen Bauelementen und Chippackages mit mikro-elektromechanischen Bauelementen. Das Verfahren 10 kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, um ein mikro-elektromechanisches Chippackage 100, 200 und/oder 300 herzustellen, wie in den 1 bis 3 gezeigt.
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Zunächst werden in einem Schritt 11 in einem Substrat 1, beispielsweise einem SOI-Wafer, Ausnehmungen bzw. Vertiefungen und korrespondierende mechanisch oder thermisch aktive Bauteile hergestellt, die eine Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen 3a auf einer Substratoberfläche des Substrats 1 darstellen. In einem Schritt 12 wird eine erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b auf der Substratoberfläche des Substrats 1 im Bereich der mikro-elektromechanischen Strukturen 3a abgeschieden.
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Dabei ist die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b zumindest teilweise aus einer ersten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet. Die erste elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4b kann beispielsweise über Ionenstrahlätzen strukturiert werden. In einem Schritt 13 kann ein die Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen 3a einschließender hermetisch abgeschlossener Hohlraum 7 ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise durch Anordnen einer Kappenstruktur 5 über der Substratoberfläche des Substrats 1 erfolgen.
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Optional kann in einem Schritt 14 ein Steuerchip 2 auf der Substratoberfläche des Substrats 1 neben den mikro-elektromechanischen Strukturen 3a oder auf einer dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 7 zugewandten Oberfläche der Kappenstruktur 5 angeordnet werden. Dann kann in einem Schritt 15 eine zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4a auf einer Oberfläche des Steuerchips 2 ausgebildet werden. Die zweite elektrisch leitfähige Metallisierungsebene 4a kann zumindest teilweise aus einer zweiten chemisch aktiven Gettersubstanz gebildet werden. Die ersten und zweiten chemisch aktiven Gettersubstanzen können beispielsweise jeweils eine Legierung aus der Gruppe von ZrxTiyFez, ZrxTiyVz, TiaV2-xFex-yNiy, und ZrM2 aufweisen, wobei M ein Übergangsmetall aus der Gruppe Cr, Mn, Fe, Co oder Ni ist, und wobei x, y, z und a variable Mengenanteile der jeweiligen Elemente an den Metalllegierungen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6897551 B2 [0003]
- US 6252294 B1 [0003]
- US 6499354 B1 [0003]
- US 6958264 B1 [0003]
- US 5180568 A [0003]
- DE 3003061 A1 [0004]
- DE 3003114 C2 [0004]
- EP 0381631 A2 [0004]
