DE102016111911A1

DE102016111911A1 - Bauelement mit Dünnschicht-Abdeckung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102016111911A1
Application number: DE102016111911.3A
Authority: DE
Inventors: Roland Rosezin; Ansgar Schäufele
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04
Also published as: EP3479476B1; CN109417369A; US20190238113A1; WO2018005337A1; EP3479476A1

Abstract

Es wird ein Bauelement angegeben, welches eine funktionale Struktur auf einem Träger umfasst, die von einer auf dem Träger aufsitzenden Dünnschicht-Abdeckung überspannt ist. Eine erste Verdrahtungsebene ist auf oder in der Dünnschicht-Abdeckung aufgebracht und umfasst strukturierte Leiterbahnen, die mit der funktionalen Struktur verschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit funktionalen Schichten, die mit einer Dünnschicht-Abdeckung abgedeckt sind sowie ein Verfahren zur Herstellung.
MEMS-Bauelemente und insbesondere mikroakustische Bauelemente benötigen ein Package, in dem die funktionalen Strukturen des Bauelements mechanisch sicher geschützt und vorzugsweise in einem Hohlraum verkapselt sind. Zur Herstellung eines solchen Packages sind verschiedene Techniken bekannt, die sich bereits auf Wafer-Level durchführen lassen und daher ein kostengünstiges paralleles Verarbeiten der Bauelemente auf Wafer-Ebene ermöglichen. Möglich ist es beispielsweise, einen Wafer mit darauf erzeugten Bauelementchips auf einem Träger, z.B. einem Laminat oder einer Mehrlagenkeramik, in Flipchip-Bauweise aufzubringen und mit einer Abdeckschicht gegen den Träger abzudichten. Möglich ist es auch, die funktionalen Strukturen des Bauelements in einem Rahmen anzuordnen und diesen als Gehäusewand und Abstandshalter für einen Deckelwafer zu nutzen.
Eine kostengünstige Methode, die zudem zu Bauelementen mit geringer Bauhöhe führt, sind TFP genannte Packages (Thin Film Package), bei denen die funktionalen Strukturen mit Hilfe eines mechanisch stabilen Dünnschichtaufbaus abgedeckt werden. Der Hohlraum wird mit Hilfe einer strukturierten Opferschicht gewährleistet, die mitsamt den funktionalen Strukturen von der Dünnschicht-Abdeckung abgedeckt wird, so den Hohlraum unter der Dünnschicht-Abdeckung definiert und in einem späteren Verfahrensschritt durch Strukturöffnungen in der Dünnschicht-Abdeckung wieder herausgelöst wird. In einem weiteren Schritt werden die Strukturöffnungen wieder geschlossen.
Neben den Kostenvorteilen und den geringen Abmessungen des TFP-Packages weisen solche Bauelemente jedoch auch Nachteile auf. Ein derart verkapseltes Bauelement hat seine Anschlussflächen auf der Chipoberfläche angeordnet, mithin zwischen den Dünnschicht-Abdeckungen auf der Oberfläche des Trägers. Zum Verlöten eines solchen Bauelements mit einer Schaltungsumgebung, beispielsweise einer Leiterplatte müssen dann Bumps verwendet werden, die einen ausreichenden Stand-off aufweisen, der zumindest die Höhe der Dünnschicht-Abdeckung plus einem Toleranzwert betragen muss.
Nachteilig ist weiterhin, dass die technisch günstigste Anordnung der Anschlussflächen auf dem Träger nicht unbedingt mit einem geforderten Footprint übereinstimmt, wie er bei standardisierten Bauelementen üblich ist. Darüber hinaus erfordert ein Bump eine relativ große Fläche, die aber auf der Oberfläche des Trägers insbesondere bei miniaturisierten Bauelementen begrenzt ist. Wird die Verteilung der Anschlussflächen auf dem Träger einem geforderten Footprint angepasst, so wird durch die dazu erforderliche Leiterbahnführung auf der Oberfläche des Trägers weitere Fläche verbraucht, was die Größe des Bauelements weiter ansteigen lässt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement mit einer Dünnschicht-Abdeckung anzugeben, welches die oben angeführten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein Bauelement mit einer Dünnschicht-Abdeckung angegeben, bei dem eine erste Verdrahtungsebene auf oder über der Dünnschicht-Abdeckung aufgebracht ist. Auf diese Weise wird vermieden, kostbare Fläche auf der Oberfläche des Trägers für Verschaltungszwecke zu opfern, so dass die dafür erforderliche Fläche auf dem Träger eingespart wird.
Die erste Verdrahtungsebene umfasst strukturierte Leiterbahnen, die mit zumindest einer ANSCHLUSSFLÄCHE auf der Oberfläche des Trägers verbunden sind, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr Anschlussflächen auf der Oberfläche des Trägers miteinander verbinden. Die Anschlussflächen auf der Oberfläche stellen die Anschlüsse der funktionalen Struktur auf dem Träger dar, so dass in der Verdrahtungsebene die Verschaltung der unterschiedlichen Anschlüsse der funktionalen Struktur realisiert ist.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass sie voll kompatibel mit bekannten TFP-Packages ist und diese in der Funktionalität erweitert und verbessert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Verdrahtungsebene lötbare Anschlusspads. Dies bedeutet, dass die äußeren Anschlüsse der funktionellen Struktur auf eine Ebene oberhalb der Dünnschicht-Abdeckung verlagert werden. So können lötbare Anschlusspads vorhanden sein, die lediglich von der Oberfläche des Trägers auf die Oberfläche der Dünnschicht-Abdeckung verlagert sind. Weitere lötbare Anschlussflächen können gemeinsame Knoten darstellen, die mit einer Reihe von Anschlussflächen auf der Oberfläche des Trägers verbunden sind. Die lötbaren Anschlusspads über der Dünnschicht-Abdeckung haben den weiteren Vorteil, dass der Stand-off für die Verbindung der APs mit einer Schaltungsumgebung den durch die Bauelementhöhe bedingten Stand-off nicht mehr berücksichtigen muss. Lötbare Anschlusspads, die Sammelanschlüsse für eine Reihe von Anschlussflächen darstellen, können somit die Anzahl der äußeren Anschlüsse reduzieren.
Die lötbaren Anschlusspads oberhalb der Dünnschicht-Abdeckung haben den weiteren Vorteil, dass sie an nahezu beliebigen horizontalen Positionen realisiert werden können und somit eine Anpassung der technisch bedingten optimalen Verteilung der Anschlussflächen relativ zu den funktionalen Strukturen auf der Oberfläche des Trägers an ein gewünschtes Pinmuster beziehungsweise an einen gewünschten Footprint für eine Schaltungsumgebung angleichen kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Dünnschicht-Abdeckung mehrere Teilschichten. Eine der Teilschichten ist eine mechanisch stabile Schicht, die die Stabilität des darunter eingeschlossenen Hohlraums zumindest für die nächsten Verfahrensschritte garantieren kann. Eine weitere Teilschicht dient als Verschlussschicht zum Verschließen der Strukturöffnungen, die durch die mechanisch stabile Schicht geführt sind, um die Opferschicht unter der Dünnschicht-Abdeckung herauszulösen. Vorzugsweise ist die erste Verdrahtungsebene zwischen zwei Teilschichten der Dünnschicht-Abdeckung angeordnet, also in den Aufbau einer herkömmlichen Dünnschicht-Abdeckung integriert.
Die Erfindung findet bevorzugt Anwendung für Bauelemente, die zur störungsfreien Funktion einen Hohlraum über ihren funktionalen Strukturen erfordern. Die funktionale Struktur kann daher vorteilhaft ausgewählt sein aus einer MEMS-Struktur, einer mikroakustischen Struktur, einer SAW-Struktur, einer BAW-Struktur oder einer GBAW-Struktur.
Eine MEMS-Struktur weist eine mikrostrukturierte, vorzugsweise aus einem kristallinen Halbleiterkörper gefertigte 3-D-Struktur auf, die zumindest ein bewegliches Teil umfasst, beispielsweise eine Membran oder eine Kontaktzunge.
Eine SAW-Struktur kann in Form geeigneter Wandlerstrukturen direkt auf einen ein piezoelektrisches Material umfassenden Träger aufgebracht sein.
Für eine BAW-Struktur wird eine Schichtenfolge auf dem Träger aufgebracht, die beispielsweise einen akustischen Spiegel, darüber eine erste Elektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrode umfasst. Der akustische Spiegel umfasst zumindest ein Schichtenpaar mit jeweils relativ hoher und relativ niedriger akustischer Impedanz, die beispielsweise einerseits aus einem harten Metall und andererseits aus einem leichten Material wie SiO₂, Polymer oder Aluminium ausgebildet sind.
Eine GBAW-Struktur umfasst einen elektroakustischen Wandler und eine akustische Wellenleiterschicht, die über oder unter den Wandlerelektroden angeordnet sein kann.
Wie erwähnt umfasst das Bauelement eine Anschlussfläche, welche auf dem Träger angeordnet ist und sowohl mit der funktionalen Struktur als auch über eine der strukturierten Leiterbahnen mit der ersten Verdrahtungsebene verschaltet ist.
In einer Ausführungsform kann die Anzahl der Anschlussflächen und der lötbaren Anschlusspads unterschiedlicher sein. Außerdem oder alternativ können Anschlussflächen und Anschlusspads eine unterschiedliche Verteilung beziehungsweise ein unterschiedliches Anschlussmuster aufweisen.
Einzelne lötbare Anschlusspads können in ihrer horizontalen Lage mit der Lage von Anschlussflächen auf der Trägeroberfläche übereinstimmen, elektrisch aber mit einer anderen Anschlussfläche an anderer Stelle auf der Oberfläche des Trägers verbunden sein. Auf diese Weise gelingt eine Zusammenführung von elektrischen Anschlüssen auf einer Ebene oberhalb der Trägeroberfläche, was besonders platzsparend ist. Weiterhin gelingt es damit, die lötbaren Anschlusspads in einem gewünschten Pinmuster herzustellen. Mit anderen Worten wird eine physikalisch optimale Verteilung von Anschlussflächen auf dem Träger an ein gewünschtes Pinmuster beziehungsweise einen Verschaltungsstandard angepasst.
Die erste Verdrahtungsebene umfasst zumindest strukturierte Leiterbahnen, kann darüber hinaus aber auch damit verschaltete Schaltungskomponenten umfassen, die ebenfalls auf der Oberfläche der Dünnschicht-Abdeckung oder integriert in der Dünnschicht-Abdeckung vorhanden sein können. Solche Schaltungskomponenten können passive Schaltungskomponenten sein, beispielsweise Widerstandsstrukturen, Kapazitäten oder Induktivitäten, die aus entsprechend strukturierten Leiterbahnabschnitten bestehen können. Solche Schaltungskomponenten können die Funktion des Bauelements ergänzen oder erweitern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite Verdrahtungsebene zwischen zwei Teilschichten des Dünnschicht-Aufbaus angeordnet, wobei zumindest eine elektrisch isolierende zwischen den beiden Verdrahtungsebenen angeordnete Teilschicht für eine ausreichende Isolation der beiden Verdrahtungsebenen sorgt. Beide Verdrahtungsebenen umfassen jeweils strukturierte Leiterbahnen, die Ebenen übergreifend miteinander elektrisch leitend verbunden sein können. In diesem Fall weist die erste Verdrahtungsebene vorzugsweise keine lötbaren Anschlusspads auf, vielmehr sind diese dann eher in der zweiten Verdrahtungsebene angeordnet, da sie dort leichter zugänglich sind. In Ausnahmefällen kann es vorteilhaft sein, alternativ oder zusätzlich noch weitere Anschlusspads in der ersten Metallisierungsebene vorzusehen.
Die Dünnschicht-Abdeckung kann variabel eingesetzt werden und zur Abdeckung einzelner Strukturen oder ganzer Gruppen von funktionalen Strukturen eingesetzt werden. Entscheidend ist, dass die Dünnschicht-Abdeckung noch ausreichend mechanisch stabil bleibt, wenn sie eine entsprechend große Fläche mit funktionalen Strukturen überspannt. Zumindest eine Dimension einer beispielsweise rechteckigen oder annähernd rechteckigen Dünnschicht-Abdeckung sollte dabei den Grenzwert für ausreichende mechanische Stabilität nicht überschreiten.
Ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, welches akustische Wellen erzeugende Wandlerstrukturen als funktionale Strukturen, besser elektroakustische Wandler umfasst, weist zumeist mehrere funktionale Strukturen auf, die akustisch voneinander getrennt und nur elektrisch miteinander verbunden sind. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, einzelne funktionale Strukturen mit einer jeweils eigenen Dünnschicht-Abdeckung zu versehen.
Mit Hilfe der Erfindung ist es nun möglich, die einzelnen funktionalen Strukturen in einer Verdrahtungsebene oberhalb der Dünnschicht-Abdeckung miteinander zu verschalten. Die Verschaltung der funktionalen Strukturen kann in der ersten oder einer zweiten Verdrahtungsebene realisiert sein.
Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung
Ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Abdeckung und Verdrahtungsebene wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher teils nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zum besseren Verständnis können einzelne Teile vergrößert oder verkleinert dargestellt sein.
Es zeigen:
1A eine einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt,
1B die gleiche Ausführungsform in der Draufsicht,
2 eine zweite Ausführungsform im schematischen Querschnitt,
3 eine Ausführungsform mit zwei Verdrahtungsebenen im schematischen Querschnitt,
4 eine Ausführungsform mit unterschiedlicher Anordnung der Verdrahtungsebene,
5 eine Ausführungsform mit einer besonderen hermetischen Schicht,
6A bis 6E verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer herkömmlichen Dünnschicht-Abdeckung,
7B bis G verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements,
8B bis F verschiedene Verfahrensstufen gemäß einer Variante bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements,
9B bis H verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements,
10B bis F verschiedene Verfahrensschritte gemäß einer letzten Verfahrensvariante.
1A zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Querschnittszeichnung. Auf einem Träger TR, welcher zumindest mechanisch tragende Eigenschaften aufweist und gegebenenfalls integrierte elektrische Komponenten umfasst, die in Verbindung mit den funktionalen Strukturen zusätzliche Bauelementfunktionen realisieren können, sind funktionale Strukturen FS angeordnet. Diese realisieren die Bauelementfunktion oder zumindest einen Teil der Bauelementfunktion. Mittels einer Anschlussleitung AL sind die funktionalen Strukturen FS mit einer Anschlussfläche AF verbunden.
Eine Dünnschicht-Abdeckung DSA überspannt die funktionale Struktur FS, die in einem Hohlraum darunter eingebettet ist. Die Anschlussfläche AF bleibt frei von der Dünnschicht-Abdeckung DSA. Insoweit stimmt die Anordnung mit bekannten Dünnschicht-Abdeckungen überein.
Erfindungsgemäß ist nun auf der Oberfläche der Dünnschicht-Abdeckung DSA oder in die Dünnschicht-Abdeckung integriert eine erste Verdrahtungsebene VE1 aufgebracht, die strukturierte Leiterbahnen umfasst, die vorteilhaft bis zum höchsten Punkt der Dünnschicht-Abdeckung geführt sind. Vorteilhaft ist dort dann auch ein Anschlusspad AP ausgeführt, das eine lötbare Metallisierung aufweist und zum Anschluss der funktionalen Struktur an eine äußere Schaltungsumgebung dient.
1B zeigt die Anordnung in einer Draufsicht. Im Unterschied zur 1A sind hier zwei Anschlussleitungen AL direkt auf dem Substrat hin zur funktionalen Struktur FS gezeigt, die zu zwei Anschlussflächen AF führen. Die Dünnschicht-Abdeckung DSA überspannt die funktionale Struktur FS und lässt die Anschlussflächen AF frei.
Auf die Oberfläche der Dünnschicht-Abdeckung DSA sind nun strukturierte Leiterbahnen geführt, die eine erste Verdrahtungsebene VE1 ausbilden. Im dargestellten Fall ist jede der Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers TR mit einem separaten Anschlusspad AP auf der Oberseite der Dünnschicht-Abdeckung DSA verbunden. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Anschlussfläche AF mit einem gemeinsamen Anschlusspad AP zu verbinden, da ja über die erste Verdrahtungsebene VE1 eine Verschaltung zwischen unterschiedlichen Anschlusspads AP ermöglicht wird.
Während in 1A die Dünnschicht-Abdeckung DSA als einheitliches Material dargestellt ist, besteht sie in Wirklichkeit zumeist aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Teilschichten, denen jeweils unterschiedliche Funktionen in der Dünnschicht-Abdeckung DSA zukommen.
2 zeigt als unterste und tragende Teilschicht der Dünnschicht-Abdeckung DSA eine mechanisch stabile Schicht MSS, die direkt der Innenseite des Hohlraums zugewandt ist. Auf dieser mechanisch stabilen Schicht MSS gelingt nun unter Beibehaltung des Hohlraums über der funktionalen Struktur FS die weitere Prozessierung, insbesondere das Aufbringen und Strukturieren weiterer (Teil-)Schichten.
Im Ausführungsbeispiel nach der 2 ist direkt auf der mechanisch stabilen Schicht MSS die Metallisierung für die erste Verdrahtungsebene VE1 aufgebracht. Nach dem Strukturieren der Verdrahtungsebene dient eine Verschlussschicht VS dazu, eventuelle Öffnungen in der mechanisch stabilen Schicht MSS (in der Figur nicht dargestellt) zu verschließen. Weiterhin ist die Verschlussschicht VS so strukturiert, dass am obersten Punkt der ersten Verdrahtungsebene VE1 eine Fläche frei bleibt, auf der das lötbare Anschlusspad AP erzeugt ist. Die Verschlussschicht VS kann dabei als Strukturierungshilfe dienen.
Als abschließende, aber nicht in allen Ausführungen erforderliche Schicht ist hier eine hermetische Schicht HS aufgebracht, die die gesamte Dünnschicht-Abdeckung mit Ausnahme der Anschlusspads AP abdeckt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform im schematischen Querschnitt, bei der nun in der mechanisch stabilen Schicht MSS die Öffnungen OE dargestellt sind, durch die ein Opfermaterial unterhalb der mechanisch stabilen Schicht MSS entfernt worden ist. Die Öffnungen OE sind mit der Verschlussschicht VS verschlossen, die auf die gesamte Oberfläche der mechanisch stabilen Schicht MSS aufgebracht ist.
Vor dem Aufbringen der Verschlussschicht VS wird in dieser Ausführung noch die Metallisierung für die erste Verdrahtungsebene VE1 aufgebracht und strukturiert.
Nach dem Aufbringen und Strukturieren der Verschlussschicht VS wird eine zweite Verdrahtungsebene VE2 in Form einer Metallisierung aufgebracht und strukturiert. Diese kontaktiert die Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE1 in einer Strukturlücke der Verschlussschicht VS, in dem eine Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE1 freigelegt ist. Dort kann eine strukturierte Leiterbahn der ersten Verdrahtungsebene VE1 zu einem Pad erweitert sein. Die zweite Verdrahtungsebene wird anschließend auf die Oberfläche der Verschlussschicht VS geführt und dort, vorteilhaft am höchsten Punkt, mit einem lötbaren Anschlusspad AP versehen. Diese Struktur ist im linken Teil der Figur dargestellt.
Wie in 3 dargestellt können alternativ oder parallel dazu weitere Strukturvarianten aus erster und zweiter Verdrahtungsebene VE1, VE2 realisiert sein. Diese unterscheiden sich von der im linken Figurenteil dargestellten Ausführung lediglich dadurch, dass die Verbindung von erster und zweiter Verdrahtungsebene VE1, VE2 im Bereich der Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers erfolgt. In der ersten Variante erfolgt die Verbindung von erster und zweiter Verdrahtungsebene VE1, VE2 am höchsten Punkt der ersten Verdrahtungsebene VE1.
4 zeigt im schematischen Querschnitt eine Ausführungsform, bei der die erste Verdrahtungsebene VE1 auf die Verschlussschicht VS aufgebracht ist, die wiederum wie bislang auch die mechanisch stabile Schicht MSS abdeckt. Die erste Verdrahtungsebene VE1 kontaktiert wiederum eine Anschlussfläche AF auf der Oberfläche des Trägers TR, welche über eine Anschlussleitung AL mit der funktionalen Struktur FS verbunden ist. Eine hermetische Schicht HS deckt das Bauelement mit Ausnahme des lötbaren Anschlusspads AP ab.
Eine weitere Möglichkeit eine Verdrahtungsebene VE in den Aufbau einer Dünnschicht-Abdeckung zu integrieren ist in 5 dargestellt. Dort ist die Verschlussschicht VS mit einer hermetischen Schicht HS abgedeckt, die lediglich die Anschlussfläche AF auf der Oberfläche des Trägers TR zumindest zum Teil frei lässt. Auf diese Weise kann nun über der hermetischen Schicht HS die erste Verdrahtungsebene VE1 erzeugt und elektrisch mit der Anschlussfläche AF verbunden werden.
Nach Erzeugen eines lötbaren Anschlusspads AP wird eine weitere hermetische Schicht HS2, insbesondere eine Passivierung der Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE1 erzeugt.
6 zeigt anhand verschiedener schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen des an sich bekannten Verfahrens zur Herstellung eines bekannten Bauelements mit herkömmlicher Dünnschicht-Abdeckung. Dazu wird auf einem Träger TR zunächst eine funktionale Struktur FS samt Zuleitungen und Anschlussflächen AF erzeugt. Beispielsweise stellen die funktionalen Strukturen FS Wandlerstrukturen für eines akustisches Bauelements dar, insbesondere eines SAW- oder BAW-Bauelements.
Oberhalb der funktionalen Strukturen FS wird nun eine Opferschicht OS aufgebracht und so strukturiert, dass sie die Bereiche der späteren Hohlräume unterhalb der Dünnschicht-Abdeckung DSA definiert. Die Opferschicht OS umfasst vorzugsweise ein leicht strukturierbares Material, insbesondere eine Lackschicht.
Auf die Oberfläche der strukturierten Opferschicht OS wird nun ganzflächig eine mechanisch stabile Schicht MSS aufgebracht, beispielsweise eine SiO₂-Schicht mittels Sputterns oder CVD. 1A zeigt das Bauelement auf dieser Verfahrensstufe.
Anschließend werden Öffnungen OE in der mechanisch stabilen Schicht MSS erzeugt, durch die nun die Opferschicht unterhalb der mechanisch stabilen Schicht MSS herausgelöst werden kann. Pro vorgesehenem Hohlraum beziehungsweise pro Dünnschicht-Abdeckung DSA können eine oder mehrere Öffnungen OE vorgesehen sein. 6B zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt werden die Öffnungen OE mittels einer Verschlussschicht VS verschlossen. Vorzugsweise wird die Verschlussschicht VS ganzflächig aufgebracht und anschließend unter Freilegung der Anschlussflächen AF strukturiert, wie in 6C dargestellt. Damit der Hohlraum luftdicht verschlossen.
Die Verschlussschicht VS ist vorzugsweise ein organischer Lack oder ein Polymer.
6D zeigt die Anordnung nach dem Herstellen einer hermetischen Schicht HS oberhalb der Verschlussschicht VS sowie nach dem Herstellen von lötbaren Anschlusspads AP direkt über den Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers TR. Die Reihenfolge der Herstellung von Anschlusspads AP und hermetischer Schicht HS kann auch vertauscht sein.
Die hermetische Schicht HS ist vorzugsweise eine dichte und elektrisch isolierende Schicht, insbesondere eine Siliziumnitrid-Schicht.
6E zeigt die Kontaktierung eines derartigen mit einer Dünnschicht-Abdeckung DSA versehenen Bauelements mit Hilfe von Bumps BU, die oberhalb der und im Kontakt mit den lötbaren Anschlusspads AP erzeugt sind. Die Bumps BU können Stud-Bumps oder Lot-Bumps sein.
7 zeigt verschiedene Verfahrensstufen anhand schematischer Querschnitte gemäß einer ersten Verfahrensvariante zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente. Startpunkt ist eine wie in 6A dargestellte Anordnung nach dem Herstellen der mechanisch stabilen Schicht MSS. Auf die Darstellung dieser ersten Stufe wird in 7 daher verzichtet.
7B zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der mechanisch stabilen Schicht MSS. Insbesondere werden dabei die Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers TR freigelegt, die elektrisch mit der funktionalen Struktur FS verbunden sind.
Die mechanisch stabile Schicht kann eine ausreichend dicke SiO₂-Schicht sein. Die mechanische stabile Schicht kann aber auch mehrschichtig sein und neben der SiO₂-Schicht oder alternativ dazu eine Siliziumnitrid-Schicht umfassen. Möglich sind jedoch auch andere mehrschichte Ausführungen, sofern sie eine ausreichende mechanische Stabilität erzeugen können.
7C zeigt die Anordnung nach Herstellung und Strukturierung der ersten Verdrahtungsebene VE1. Diese wird als ganzflächige Metallisierung aufgebracht und zu Leiterbahnen und den späteren Anschlusspads AP strukturiert.
Die Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE1 kann aus einem geeigneten Metall ausgeführt sein und Aluminium, Kupfer, Nickel oder Silber umfassen. Die Metallisierung kann auch mehrschichtig sein.
Im nächsten Verfahrensschritt werden nun in einem freiliegenden Bereich der mechanisch stabilen Schicht MSS Öffnungen OE erzeugt, beispielsweise durch Trockenätzen. Durch diese Öffnungen OE wird anschließend die Opferschicht OS herausgelöst, vorzugsweise nasschemisch mit Lösungsmittel oder je nach Material der Opferschicht OS mit einem Ätzmittel.
7D zeigt die Anordnung mit einer Öffnung OE im Bereich der Schnittebene (rechter Teil der Figur), einer weiteren Öffnung in einem Bereich über oder unterhalb der Schnittebene, wie in der linken Hälfte der Figur dargestellt ist.
Die Öffnungen OE sind vorzugsweise von geringem, aber zum Herauslösen ausreichenden Querschnitt, so dass genügend Oberfläche verbleibt, neben den Öffnungen OE Leiterbahnstrukturen der ersten Verdrahtungsebene VE1 zu platzieren beziehungsweise so zu strukturieren, dass sie über die ganze Oberfläche der mechanisch stabilen Schicht MSS geführt sind.
Im nächsten Schritt gemäß 7E wird eine Verschlussschicht VS ganzflächig so strukturiert, so dass zumindest die Bereiche für die späteren Anschlusspads AP innerhalb der ersten Verdrahtungsebene VE1 freigelegt sind.
Die Verschlussschicht VS wird vorzugsweise in einem flüssigen oder eher besser viskosen Zustand aufgebracht, dass sie nicht in die Öffnungen OE eindringen kann. Die Verschlussschicht VS kann einen Lack umfassen, bei dem ein Polymer in einem Lösungsmittel gelöst ist. Es kann jedoch auch ein flüssiges Polymer verwendet sein. Das Polymer kann beliebig ausgewählt sein und beispielsweise aus Epoxid, Acrylat, Polyimid oder sonstigen geeigneten Polymeren oder Lacken bestehen bzw. solche Materialien umfassen.
7F zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer hermetischen Schicht HS, die über die gesamte Oberfläche aufgebracht und so strukturiert wird, dass der Bereich der Anschlusspads AP oberhalb der ersten Verdrahtungsebene VE1 frei bleibt. Die hermetische Schicht HS ist vorzugsweise eine Siliziumnitridschicht, kann aber auch ein anderes isolierendes Material umfassen. Möglich ist es auch, eine isolierende Schicht aus einem organischen oder anorganischen Material zu erzeugen und diesem schließlich noch mit einer Metallisierung abzudecken, sofern diese nicht elektromagnetisch unzulässig mit den funktionalen Strukturen interagiert.
Im nächsten Schritt werden die lötbaren Anschlusspads AP an den Stellen erzeugt, an denen Metallisierungen der ersten Verdrahtungsebene VE1 oder der Anschlussflächen AF frei von Verschlussschicht VS und hermetischer Schicht HS sind. Ein lötbares Anschlusspad AP kann verschiedene Metalle umfassen, die die Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE lötbar machen können. Das lötbare Anschlusspad AP kann eine Goldschicht umfassen, die vorteilhaft über einer Nickelschicht aufgebracht ist. Auch Kupfer ist zum Erzeugen eines lötbaren Anschlusspads AP geeignet.
Je nach erforderlicher Schichtdicke sind verschiedene Verfahrensmöglichkeiten zum Aufbringen des lötbaren Anschlusspads AP geeignet. Eine Grundmetallisierung oder eine dünne Metallschicht kann aufgesputtert werden. Eine dickere Schicht kann auch durch Sputtern oder auch durch Aufdampfen erzeugt werden. Möglich ist es jedoch auch, eine primär aufgebrachte dünne Schicht oder eine freiliegende Metallschicht mittels Metallabscheidung aus der Lösung zu verstärken, beispielsweise galvanisch. Die vorzugsweise Gold umfassende Abschlussschicht kann aufgedampft sein.
7G zeigt die Anordnung nach dem Aufsetzen von Bumps BU auf die Anschlusspads AP. Über die Bumps BU und die darunter liegenden Anschlusspads AP ist auf jeden Fall die erste Verdrahtungsebene VE1 kontaktiert, wie im rechten Teil der Figur dargestellt ist. Weitere Anschlusspads AP können auch im Bereich direkt über Anschlussflächen AF vorgesehen sein, wie im linken Teil der Figur dargestellt ist.
8 zeigt anhand der Verfahrensstufen B bis F (Verfahrensstufe A siehe 6) eine weitere Verfahrensvariante zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Abdeckung und Verdrahtungsebene.
8B zeigt die Anordnung nach dem Herstellen von Öffnungen OE in der mechanisch stabilen Schicht MSS nach dem Herauslösen der Opferschicht, die unterhalb der mechanisch stabilen Schicht MSS eingeschlossen war. Materialien für diese Anordnung sowie die dazu erforderlichen Verfahrensschritte sind entsprechend einer bekannten Dünnschicht-Abdeckung beziehungsweise der ersten Verfahrensvariante gemäß 7 ausgewählt.
8C zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen und Strukturieren einer Verschlussschicht VS, was wiederum analog wie in 6 oder 7 dargestellt erfolgen kann.
8D zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer ersten Verdrahtungsebene VE1, die auf der Verschlussschicht VS aufliegt beziehungsweise deren Leiterbahnen auf die Oberfläche der Verschlussschicht VS und damit auf die Oberfläche der Dünnschicht-Abdeckung DSA geführt sind. Die erste Verdrahtungsebene VE1 ist mit den Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers TR verbunden.
Im nächsten Schritt gemäß 8E wird eine hermetische Schicht HS über die gesamte Oberfläche der Anordnung aufgebracht und so strukturiert, dass nur die für die Anschlusspads AP vorgesehenen Bereiche der Metallisierung in der ersten Verdrahtungsebene VE1, alternativ noch zusätzlich Bereiche über den Anschlussflächen AF frei bleiben. Diese sind als freie Flächen FF in der Figur dargestellt.
Abschließend wird im Bereich der freien Flächen FF ein lötbares Anschlusspad AP erzeugt und mit Bumps BU versehen. 8F zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
9 zeigt anhand verschiedener Verfahrensstufen b bis h eine weitere Herstellungsvariante eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Abdeckung. Ausgehend von einer Struktur gemäß der in 6A dargestellten wird im nächsten Schritt zunächst die mechanisch stabile Schicht MSS strukturiert, um die Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägers TR freizulegen.
Im nächsten Schritt wird gemäß 9C eine Metallisierung für die erste Verdrahtungsebene VE1 aufgebracht und strukturiert. Die Strukturierung erfolgt so, dass eine gewünschte Verdrahtung von Anschlussflächen AF hin zu Anschlusspads in Form strukturierter Leiterbahnen erzeugt ist.
Anschließend wird eine gewünschte Anzahl von Öffnungen OE in den mechanisch stabilen Schichten MSS jeder Dünnschicht-Abdeckung erzeugt und durch diese Öffnungen OE hindurch die Opferschicht entfernt. Die Öffnungen können durch Trockenätzen erzeugt werden.
Das Herauslösen der Opferschicht erfolgt, wenn ein organischer Lack als Opferschicht verwendet wird, vorzugsweise mit einem organischen Lösungsmittel. 9D zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Gemäß 9E werden die Öffnungen OE mittels einer Verschlussschicht VS abgedeckt, die ganzflächig aufgebracht wird und anschließend so strukturiert wird, dass freie Flächen FF entstehen, in denen die Metallisierung der ersten Verdrahtungsebene VE1 freigelegt ist.
Wie 9F zeigt, wird über der Verschlussschicht VS eine zweite Verdrahtungsebene VE2 in Form einer Metallisierung aufgebracht und zum Herstellen einer gewünschten Verdrahtung beziehungsweise Verschaltung strukturiert. In den von der Verschlussschicht VS freien Flächen der ersten Verdrahtungsebene VE1 tritt die zweite Verdrahtungsebene VE2 mit der ersten elektrisch in Kontakt.
Anschließend wird eine hermetische Schicht HS über der gesamten Anordnung abgeschieden und strukturiert, wobei freie Flächen FF für die späteren Anschlusspads frei bleiben. 9H zeigt die Anordnung nach dem Erzeugen der Anschlusspads AP und der Bumps, die auf den Anschlusspads erzeugt werden.
10 zeigt anhand von Verfahrensstufen b bis f eine weitere Verfahrensvariante. Ausgehend von der 6A wird durch Freilegen der Anschlussflächen AF, Ätzen der mechanisch stabilen Schicht MSS zum Herstellen von Öffnungen OE und Entfernen der Opferschicht OS die in 10B dargestellte Struktur erhalten.
10C zeigt die Struktur nach dem ganzflächigen Aufbringen einer Verschlussschicht VS und Strukturierung durch Freilegen der Anschlussflächen AF.
10D zeigt die Anordnung, nachdem über die Verschlussschicht VS eine hermetische Schicht HS aufgebracht und strukturiert wurde, indem die Anschlussflächen AF von der hermetischen Schicht HS wieder befreit wurden.
Über der hermetischen Schicht HS wird nun eine Metallisierung zur Herstellung der ersten Verdrahtungsebene VE1 aufgebracht und strukturiert. Dabei kontaktiert sie die vorher freigelegten Anschlussflächen AF.
Da die Verschlussschicht VS bereits unter der hermetischen Schicht HS abgedeckt ist, sind nun nur noch die oben liegenden Bereiche der ersten Verdrahtungsebene VE1 unbedeckt beziehungsweise ungeschützt. Zu deren Schutz wird zunächst ein lötbares Anschlusspad auf der ersten Verdrahtungsebene erzeugt. Umfasst das lötbare Anschlusspad AP zum Beispiel eine Goldschicht, kann diese zur Maskierung der Anschlusspads AP gegenüber der übrigen Verdrahtungsebene beziehungsweise der übrigen Strukturen der Verdrahtungsebene dienen, wenn diese mit Hilfe eines Oxidationsprozesses eine Oxidpassivierung erhalten. Die Goldschicht beziehungsweise dass mit einer Goldschicht versehene Anschlusspad AP bleibt davon unberührt. 10F zeigt die Anordnung nach der Erzeugung von Bumps BU auf den lötbaren Anschlusspads AP.
Die Erfindung konnte nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert werden und ist daher nicht auf diese beschränkt. Insbesondere ist für die Erfindung unwesentlich, welcher Art die Strukturen sind, die unter der Dünnschicht-Abdeckung DSA verkapselt werden können. Bevorzugt werden MEMS-Bauelemente abgedeckt, die zum störungsfreien Betrieb nicht direkt in Kontakt mit einer Abdeckung kommen dürfen und daher einen Hohlraum zur Verkapselung benötigen.

Bevorzugt werden SAW- und BAW-Bauteile sowie MEMS-Bauelemente verkapselt. Eine jede Dünnschicht-Abdeckung kann einzelne funktionale Strukturen oder ganze Gruppen von funktionalen Strukturen abdecken. Die komplette Verschaltung der funktionalen Strukturen kann innerhalb einer der Verdrahtungsebenen erfolgen. Die Außenkontakte des oder der Bauelemente können auf der Verdrahtungsebene VE1, auf der Verdrahtungsebene VE2 und zusätzlich noch über den Anschlussflächen AF auf der Ebene des Trägers vorgesehen werden. Vorzugsweise sind die Anschlusspads AP auf dem oder den höchsten Punkten der Dünnschicht-Abdeckung angeordnet, da dort der geringste Stand-off möglich ist, also der geringste lichte Abstand zu einer Schaltungsumgebung, in die das Bauelement durch Verlöten eingebracht wird. Begriffs- und Bezugszeichenliste

	strukturiere Leiterbahnen
AF	lötbare Anschlussfläche (auf Träger)
AL	Anschlussleitung
AP	Anschlusspad (auf DSA)
B	Bauelement
BU	Bump
DSA	Dünnschicht-Abdeckung
FF	freie Fläche
FIL	HF-Filter
FS	funktionale Struktur
HR	Hohlraum
HS	hermetische Schicht
MS	Metallschicht
MSS	mechanisch stabile Schicht
OS	Opferschicht
PL	elektrisch isolierende Schicht
SK	Schaltungskomponenten
TR	Träger
TS	Teilschicht
UBM	lötbare Metallisierung für lötbare Anschlussfläche)
VE1	erste Verdrahtungsebene
VE2	zweite Verdrahtungsebene
VS	Verschlussschicht

Claims

Bauelement (B), umfassend – einen Träger (TR), – eine funktionale Struktur (FS) auf dem Träger (TR), – eine die funktionale Struktur (FS) überspannende und auf dem Träger aufsitzende Dünnschicht-Abdeckung (DSA), – eine erste Verdrahtungsebene (VE1), die auf der Planarisierungsschicht aufgebracht ist und strukturierte Leiterbahnen umfasst, wobei – die erste Verdrahtungsebene (VE1) über die Leiterbahnen mit der funktionalen Struktur (FS) verschaltet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Verdrahtungsebene (VE1) lötbare Anschlusspads (AP) umfasst.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem die Dünnschicht-Abdeckung (DSA) mehrere Teilschichten umfasst – bei dem die Teilschichten eine mechanisch stabile Schicht (MSS) und eine Verschlussschicht (VS) umfassen – bei dem die mechanisch stabile Schicht über dem Träger (TR) einen Hohlraum einschließt, in dem zumindest ein Teil der funktionalen Struktur (FS) eingeschlossen ist – bei dem die Verdrahtungsebene (VE) zwischen zweien der Teilschichten angeordnet ist.
Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die funktionale Struktur (FS) ausgewählt ist aus: einer MEMS-Struktur (MEMSS), einer mikroakustischen Struktur, einer SAW-Struktur (SAWS), einer BAW-Struktur (BAWS), einer GBAW-Struktur (GBAWS).
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Anschlussfläche (AF) auf dem Träger (TR), welche sowohl mit der funktionalen Struktur (FS) als auch über eine der Leiterbahnen durch die Planarisierungsschicht hindurch mit der ersten Verdrahtungsebene (VE1) verschaltet ist.
Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem sich die Anschlussflächen (AF) und die lötbaren Anschlusspads (AP) in der Anzahl, in der sie am Bauelement enthalten sind oder in der horizontalen Verteilung auf dem Bauelement und/oder in der jeweiligen horizontalen Lage vertauscht sind.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine oder mehrere mit der funktionalen Struktur (FS) verschaltete Schaltungskomponenten auf der Dünnschicht-Abdeckung oberhalb der ersten funktionalen Struktur (FS).
Bauelement (B) nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem eine zweite Verdrahtungsebene (VE2) zwischen zwei Teilschichten der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) angeordnet ist – bei dem zumindest eine elektrisch isolierende Teilschicht zwischen den zwei Verdrahtungsebenen (VE1, VE2) angeordnet ist – bei dem strukturiere Leiterbahnen aus beiden Verdrahtungsebenen elektrisch miteinander verbunden sind, – bei dem elektrische Anschlüsse nur in der oberen der beiden Verdrahtungsebenen (VE2) vorgesehen sind.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem eine Vielzahl von mit akustischen Wellen arbeitenden funktionalen Strukturen (FS) jeweils von einer eigenen Dünnschicht-Abdeckung (DSA) abgedeckt und zu einem HF-Filter verschaltet sind – bei dem die Verschaltung der funktionalen Strukturen (FS) zum HF-Filter zumindest zum Teil in der ersten und/oder zweiten Verdrahtungsebene realisiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (B), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Trägers (TR), – Anordnen einer funktionalen Struktur (FS) auf dem Träger (TR), – Abdecken der ersten funktionalen Struktur (FS) mit einer Dünnschicht-Abdeckung (DSA), – Erzeugen und Strukurieren einer ersten Verdrahtungsebene auf der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) so, dass sie elektrisch mit der ersten funktionalen Struktur (FS) verschaltet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei – zum Ausbilden der ersten Verdrahtungsebene eine Metallschicht auf der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) abgeschieden und strukturiert wird und – über der ersten Verdrahtungsebene eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt und so strukturiert wird, dass freie Flächen (FF) verbleiben – zum Erzeugen lötbarer Anschlusspads (AP) eine lötbare Metallisierung auf die freien Flächen (FF) aufgebracht wird.