DE102017204817B4

DE102017204817B4 - Vorrichtung mit Hohlraumstruktur und Verfahren zum Herstellen selbiger

Info

Publication number: DE102017204817B4
Application number: DE102017204817.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Pindl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: US10442682B2; US10875763B2; DE102017204817A1; US20180273373A1; US20190322523A1

Abstract

Vorrichtung (10) miteiner Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung (11) und einer zweiten Schaltungsanordnung (12), die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, undeiner zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung (11, 12) angeordneten Hohlraumstruktur (14), die in dem Substratmaterial ausgebildet ist, und einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist,wobei die Vorrichtung (10) ein optisches Filter (39) aufweist, das ausgebildet ist, um eine von der ersten Schaltungsanordnung (11) ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu filtern, wobei das optische Filter (39) in einer Hauptabstrahlrichtung (47) der elektromagnetischen Strahlung nach der ersten Schaltungsanordnung (11) angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten Schaltungsanordnung (11) und dem Filter (39) eine zweite Hohlraumstruktur (41) ausgebildet ist, die einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung mit einer Hohlraumstruktur sowie ein Verfahren zum Herstellen selbiger, und insbesondere eine Struktur und ein Verfahren für einen integrierten IR-Emitter, Filter und ASIC mit verringertem Energieverbrauch und verringertem Volumen.
Bei integrierten Schaltkreisen, wie z.B. bei MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems), spielen die Größe und die Höhe sowie die Verlustleistung eine große Rolle, insbesondere wenn der Chip in Mobilgeräten, wie z.B. in Smartphones, implementiert werden soll. Darüber hinaus sind die Kosten bei MEMS-Lösungen wichtig zu beachten.
In der vorliegenden Offenbarung sollen beispielsweise eine integrierte Schaltungsanordnung und eine sich im Betrieb erwärmende Schaltungsanordnung in einem gemeinsamen Package implementiert werden, und zwar mit möglichst geringer Größe bzw. Höhe und geringen Kosten, sodass dieses Package beispielsweise in einem Mobilgerät eingesetzt werden kann.
In der US 2011/0209815 A1 wird ein kombinierter Sensor beschrieben. Eine bewegliche Vorrichtung von Beschleunigungssensoren und eine Vibrationsvorrichtung eines Gyroskops sind auf dem gleichen Sensor-Wafer ausgebildet und voneinander durch eine Wand getrennt.
In der US 5 910 659 A wird ein flacher thermischer Infrarotgenerator beschrieben. Eine thermische Zelle hat ein Infrarotquellenelement zum Erzeugen eines Infrarotsignals und ein räumliches Dekorrelatorelement, das das erzeugte Infrarotsignal räumlich dekorreliert, um den Füllfaktor der thermischen Zelle zu erhöhen.
In der US 2012/0228733 A1 wird ein MEMS basiertes Getter-Mikrogerät beschrieben. Das Gerät steuert den Umgebungsdruck in hermetischen Gehäusen, die verschiedene Arten von MEMS-, photonischen oder optoelektronischen Bauelementen einschließen.
In der US 2016/0343921 A1 wird ein Infrarotstrahler beschrieben Der Infrarotstrahler emittiert im Betrieb Infrarotlicht über eine metallisierte Membran.
Bisher bekannte Lösungen sind jedoch sehr groß. Außerdem weisen sie eine sehr hohe Verlustleistung und somit eine große Wärmeabgabe auf. Sie sind deshalb nicht für die Anwendung in Mobilgeräten geeignet.
Es wäre daher wünschenswert, eine Lösung zur Minimierung der Größe eines Packages bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten, und gleichzeitiger Senkung der Verlustleistung im Anwendungsfall bereitzustellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Vorrichtung mit einer Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung und einer zweiten Schaltungsanordnung, die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, und einer zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung angeordneten Hohlraumstruktur, die in dem Substratmaterial ausgebildet ist, und einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren, bei dem eine Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung und einer zweiten Schaltungsanordnung, die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, bereitgestellt werden. Außerdem wird gemäß diesem Verfahren eine zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung angeordnete Hohlraumstruktur in dem Substratmaterial ausgebildet, wobei die Hohlraumstruktur einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2A eine seitliche Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2B eine seitliche Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2C eine seitliche Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2D eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3A einen ersten Schritt eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung,
3B einen zweiten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3C einen dritten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3D einen vierten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3E einen fünften Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3F einen sechsten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3G einen siebten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3H einen achten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3I einen neunten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3J einen zehnten Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3K einen elften Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3L einen zwölften Schritt dieses Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
4 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung, und
5 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 weist unter anderem eine Substratanordnung 13 auf. Die Substratanordnung 13 kann ein einzelnes Substrat, mehrere Substrate oder ein oder mehrere Teilsubstratanordnungen aufweisen.
Die Substratanordnung 13 weist eine erste, sich im Betrieb erwärmende, Schaltungsanordnung 11 und eine zweite Schaltungsanordnung 12 auf. Die zweite Schaltungsanordnung 12 ist in einem Substratmaterial der Substratanordnung 13 integriert. Hierbei kann es sich um einen integrierten Schaltkreis, kurz IC (engl. Integrated Circuit), handeln. Die zweite Schaltungsanordnung 12 kann beispielsweise ein ASIC (engl. Application Specific Integrated Circuit) sein.
Die erste Schaltungsanordnung 11 kann ebenfalls ein IC sein. Es ist aber auch denkbar, dass die erste Schaltungsanordnung 11 eine nicht-integrierte Schaltungsanordnung ist, die mittels bekannter Verfahren, z.B. in SMD-Technik (engl. Surface Mounted Device) oder mittels Strukturierverfahren, in, an oder auf der Substratanordnung 13 angebracht bzw. strukturiert ist. Die erste Schaltungsanordnung 11 kann beispielsweise ein MEMS-Baustein (engl. Micro Electro Mechanical System), z.B. ein MEMS-Heizelement oder ein MEMS-Mikrofon, sein.
Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine Hohlraumstruktur 14 auf, die in dem Substratmaterial der Substratanordnung 13 ausgebildet ist. Diese Hohlraumstruktur 14 ist zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung 11, 12 angeordnet. Die Hohlraumstruktur 14 weist einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck auf.
Bei dem Umgebungsatmosphärendruck muss es sich nicht um den Luftdruck handeln, sondern es handelt sich hier generell um den Druck eines die Vorrichtung 10 umgebenden Mediums. Der Umgebungsatmosphärendruck kann auch als hydrostatischer Druck des jeweiligen Mediums bezeichnet werden. Dieser kann je nach Position und Höhe variieren. So beträgt beispielsweise der Standard-Luftdruck auf Meereshöhe etwa 1013,25 hPa, also ungefähr 1 bar.
Beispielsweise kann in der Hohlraumstruktur 14 ein Vakuum herrschen, zumindest soweit ein Vakuum im Rahmen des technisch Machbaren herstellbar ist. Dabei wird es sich in der Realität meist nicht um ein absolutes bzw. hundertprozentiges Vakuum handeln können. Unter dem Begriff des Vakuums wird für die vorliegende Offenbarung daher die in der Technik gängige Definition genutzt, nämlich, dass es sich hierbei um einen nahezu vollständig luftleeren Raum handelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Druck in der Hohlraumstruktur weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks betragen. In der Hohlraumstruktur 14 herrscht also ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck. So beträgt beispielsweise bei dem oben genannten Standard-Luftdruck auf Meereshöhe der Unterdruck in der Hohlraumstruktur 14 weniger als etwa 101,33 hPa, also ungefähr 0,1 bar, oder weniger als etwa 10,13 hPa, also ungefähr 0,01 bar.
Sinkt der Druck in der Hohlraumstruktur 14 unter 0,3 bar bzw. 300 mbar und werden weiter und weiter Moleküle aus der Hohlraumstruktur 14 entfernt, so erhält man Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und zuletzt Ultrahochvakuum (wie im Weltraum). In diesem technischen Sinne kann ein Unterdruck mit den in der vorliegenden Offenbarung angegebenen niedrigen Drücken mit dem Oberbegriff Vakuum bezeichnet.
Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen weitere Beispiele einer Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung und veranschaulichen denkbare relative Lagen der ersten Schaltungsanordnung 11, der zweiten Schaltungsanordnung 12 und der Hohlraumstruktur 14 relativ zueinander.
Beispielsweise zeigt 2A ein Ausführungsbeispiel, gemäß dem sich die Hohlraumstruktur 14 zwischen den beiden Schaltungsanordnungen 11, 12 in einer lateralen Richtung X₁ erstreckt und zumindest die erste Schaltungsanordnung 11 oder die zweite Schaltungsanordnung 12 vollständig innerhalb einer Projektion P der Hohlraumstruktur 14 senkrecht zu dieser lateralen Erstreckungsrichtung X₁ angeordnet ist.
Diese Projektion P soll mit Bezug auf 2D näher erläutert werden. Hierbei handelt es sich um eine Draufsicht auf die Vorrichtung 10. Es sind die lateralen Dimensionen der Substratanordnung 13, der ersten Schaltungsanordnung 11, der zweiten Schaltungsanordnung 12 und der Hohlraumstruktur 14 zu sehen.
Wie eingangs erwähnt, erstreckt sich die Hohlraumstruktur 14 in einer lateralen Erstreckungsrichtung X₁ . Wie in 2D erkennbar ist, kann sich die Hohlraumstruktur 14 außerdem in einer hier erkennbaren zweiten lateralen Erstreckungsrichtung Y₁ erstrecken. Die in 2D abgebildete Draufsicht zeigt somit die Projektion P der Hohlraumstruktur 14 senkrecht zu den lateralen Erstreckungsrichtungen X₁ , Y₁ .
Wie ferner zu erkennen ist, können hier die erste Schaltungsanordnung 11 und die zweite Schaltungsanordnung 12 vollständig innerhalb dieser Projektion P der Hohlraumstruktur 14 liegen.
In 1 beispielsweise liegt nur die zweite Schaltungsanordnung 12 vollständig innerhalb der Projektion P der Hohlraumstruktur 14 und die erste Schaltungsanordnung 11 liegt nur abschnittsweise innerhalb der Projektion P der Hohlraumstruktur 14. Es ist aber ebenso anders herum denkbar.
In 2B können sowohl die erste als auch die zweite Schaltungsanordnung 11, 12 abschnittsweise innerhalb der Projektion P der Hohlraumstruktur 14 liegen.
2C zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Hohlraumstrukturen 14a, 14b, wobei sowohl die erste als auch die zweite Schaltungsanordnung 11, 12 jeweils abschnittsweise innerhalb der Projektion P_a , P_b von zumindest einer der beiden Hohlraumstrukturen 14a, 14b liegen können. Selbiges gilt bezüglich der Überschneidungsbereiche natürlich ebenso, wenn nur eine der beiden abgebildeten Hohlraumstrukturen 14a, 14b vorhanden wäre.
Die 3A bis 3L zeigen einzelne Prozessschritte, die in der abgebildeten oder auch in einer davon abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden können, um eine oben erwähnte Vorrichtung 10 zu erhalten. Ein oder mehrere der in den 3A bis 3K abgebildeten Verfahrensschritte können optional sein.
In 3A wird ein erstes Substrat 31 bereitgestellt. Das Substrat 31 kann ein Wafer-Substrat sein, das nach erfolgter Prozessierung in einzelne Chips vereinzelt wird. Bei dem Substrat bzw. Wafer-Substrat 31 kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat handeln.
Auf der in 3A abgebildeten obenliegenden bzw. ersten Oberfläche 30A des Wafer-Substrats 31 wird eine erste Schicht 32, zum Beispiel eine Passivierungs- und/oder Ätzstoppschicht, z.B. eine Oxidschicht 32, abgeschieden. Auf der Oxidschicht 32 wird eine weitere Schicht 33 abgeschieden, die ausgebildet ist, um Wärme bzw. Wärmestrahlung zu verteilen. Bei dieser Schicht 33 kann es sich beispielsweise um eine Polysiliziumschicht handeln.
Auf den beiden Schichten 32, 33 wird eine weitere Schicht 34 abgeschieden. Hierbei kann es sich um eine Nitridschicht handeln. Die Nitridschicht 34 kann ausgebildet sein, um eine schwingfähige Membran zu bilden, wie es später näher beschrieben wird.
Wie in 3B gezeigt ist, kann dann ein Heizelement 35 strukturiert werden. Das Heizelement 35 kann Metall, vorzugsweise mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten, wie zum Beispiel Platin, aufweisen. Das Heizelement 35 kann sich an der ersten Seite bzw. Oberfläche 30A des Wafer-Substrats 31 entlang, zum Beispiel mäanderförmig, erstrecken.
Das Heizelement 35 kann mit einer weiteren Schicht 36, zum Beispiel einer weiteren Nitridschicht 36, bedeckt werden. Außerdem kann eine weitere Passivierungs- und/oder Ätzstoppschicht 37, zum Beispiel eine weitere Oxidschicht 37, auf dem strukturierten Wafer-Substrat 31 abgeschieden werden.
Wie in 3C gezeigt ist, kann dann ein Oxidentfernungsprozess genutzt werden, um die Oxidschichten 32, 37 zumindest im Bereich der Heizelemente 35 und der dazwischen angeordneten Abschnitte der Nitrid- und Polysiliziumschichten 33, 34 zu entfernen. Hierfür können gängige trocken- oder nasschemische Ätzverfahren eingesetzt werden.
Die erste, sich im Betrieb erwärmende, Schaltungsanordnung 11 weist zumindest die zuvor erwähnten Heizelemente 35 auf. Die Heizelemente 35 können, wie später näher beschrieben wird, elektrisch kontaktiert werden, sodass sich die Heizelemente 35 in Folge dessen aufheizen. Die dabei entstehende Wärme kann beispielsweise in Form von Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) abgegeben werden.
Die von der ersten Schaltungsanordnung 11 bzw. den Heizelementen 35 erzeugte Wärme kann auf zumindest eine der mit den Heizelementen 35 thermisch gekoppelten Schichten 33, 34 übertragen werden.
Dabei kann die Polysiliziumschicht 33 beispielsweise als eine die Wärme ausbreitende (engl. heat spreader) Schicht ausgebildet sein. Somit kann diese Wärme ausbreitende Schicht 33 auch als ein Wärmeverteilelement 33 bezeichnet werden. Dieses Wärmeverteilelement 33 ist ausgebildet, um die von der ersten Schaltungsanordnung 11 erzeugte Wärme etwa gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Wärmeverteilvorrichtung 33 zu verteilen.
Die Heizelemente 35 können zusammen mit dem Wärmeverteilelement 33 einen IR-Emitter bilden. Somit weist die erste Schaltungsanordnung 11 einen IR-Emitter 33, 35 auf.
Die über dem Wärmeverteilelement 33 angeordnete Nitridschicht 34 kann als eine auf Luftschwingungen reagierende Membran ausgebildet sein, die beispielsweise als eine Mikrofonmembran verwendbar ist.
Mit den bisher beschriebenen optionalen Schritten kann man also eine Substratanordnung 31 mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden, Schaltungsanordnung 11 erhalten. Diese in 3C abgebildete Substratanordnung 31 kann auch als ein Emitter-Wafer bezeichnet werden.
In 3D wird ein zweites Substrat 38 beziehungsweise ein zweites Wafer-Substrat 38, zum Beispiel ein Siliziumwafer-Substrat 38, bereitgestellt. Auf der dem prozessierten ersten Wafer-Substrat 31 zugewandten Seite kann das zweite Wafer-Substrat 38 eine Beschichtung 39 aufweisen, die ausgebildet ist, um Licht einer bestimmten Wellenlänge zu filtern. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Schicht 39 handeln, die Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich (IR) passieren lässt.
Auf der IR-Filterschicht 39 kann eine weitere Beschichtung 40 angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine SOG-Schicht (engl. Spin On Glass) handeln, um die Oberfläche des zweiten Wafer-Substrats 38 zu planarisieren.
Wie in 3E zu sehen ist, können dann beide Wafer-Substrate 31, 38 miteinander gebondet werden. Hierfür wird die Oxidschicht 37 des ersten Wafer-Substrats 31 mit der SOG-Schicht 40 des zweiten Wafer-Substrats 38 verbunden. Hierbei bildet sich in einem Bereich zwischen den Heizelementen 35 eine Hohlraumstruktur 41 aus.
Zum Bonden der beiden Wafer-Substrate 31, 38 kann ein Vakuumbond-Verfahren eingesetzt werden, sodass sich in der Hohlraumstruktur 41 ein Vakuum ausbildet.
Somit erhält man eine aus zwei Substraten 31, 38 bestehende Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden, Schaltungsanordnung 11.
Wie in 3F gezeigt ist, kann das erste Wafer-Substrat 31 optional auf eine gewünschte Stärke bzw. Dicke D₁ , z.B. 50 µm oder weniger, ausgedünnt werden. Hierbei kann die zweite Seite 30B bzw. die Unterseite des Wafer-Substrats 31, z.B. mittels Polieren, Schleifen etc., ausgedünnt werden.
Wie in 3G gezeigt ist, kann auf der der ersten Schaltungsanordnung 11 abgewandten Unterseite 30B des ersten Wafer-Substrats 31 eine Kavität 42 in dem ersten Wafer-Substrat 31 ausgebildet werden. Diese Kavität 42 kann beispielsweise mittels gängiger Strukturierungsverfahren ausgebildet werden.
In der Kavität 42 kann optional eine Reflektionsanordnung 43 zum Reflektieren einer von der ersten Schaltungsanordnung 11 abgegebenen Wärmestrahlung vorgesehen werden. Diese Reflektionsanordnung 43 kann am Grund der Kavität 42, d.h. auf einem der ersten Schaltungsanordnung 11 zugewandten Oberflächenbereich der Kavität 42, angeordnet werden. Die Reflektionsanordnung 43 kann als eine Schicht, z.B. als eine Metallschicht, in der Kavität 42 abgeschieden und entsprechend strukturiert werden.
Es ist denkbar, dass die Reflektionsanordnung 43 etwa dieselben lateralen Dimensionen aufweist wie die erste Schaltungsanordnung 11 und/oder die zweite Schaltungsanordnung 12. Außerdem kann die Reflektionsanordnung 43 vollständig innerhalb einer Projektion der Kavität 42 bzw. vollständig innerhalb einer Projektion der ersten und/oder zweiten Schaltungsanordnung 11, 12 senkrecht zu (siehe 2D) der lateralen Erstreckungsrichtung der Kavität 42 bzw. Schaltungsanordnungen 11, 12 angeordnet sein.
Wie in 3H gezeigt ist, kann ein drittes Substrat bzw. Wafer-Substrat 44, z.B. ein Siliziumwafer-Substrat 44, bereitgestellt werden. In diesem dritten Wafer-Substrat 44 kann eine zweite Schaltungsanordnung 12 integriert sein. Bei dem hier abgebildeten Beispiel kann es sich bei der zweiten Schaltungsanordnung 12 um ein integriertes ASIC (engl. Application Specific Integrated Circuit) handeln. Dieses ASIC 12 kann rückwärtig an der zweiten Seite bzw. Unterseite 30B des ersten Wafer-Substrats 31 angeordnet werden. Das ASIC 12 kann somit auch als Flipped-ASIC bezeichnet werden.
Das die zweite Schaltungsanordnung 12 aufweisende dritte Wafer-Substrat 44 kann also auf einer der ersten Schaltungsanordnung 11 gegenüberliegenden Seite 30B des ersten Wafer-Substrats 31 angeordnet bzw. gebondet werden. Das ASIC 12 selbst kann auf der der Bondseite bzw. dem ersten Wafer-Substrat 31 gegenüberliegenden Seite 30C des dritten Wafer-Substrats 44 integriert bzw. strukturiert sein.
An ebendieser Seite 30C des dritten Wafer-Substrats 44 können optional auch elektrische Anschlusskontaktflächen 45, z.B. Bondpads 45, zum elektrischen Kontaktieren des ASICS 12 vorgesehen sein. Die gesamte Vorrichtung 10 kann somit später mittels Flip-Chip Montagetechnik auf z.B. einem PCB oder dergleichen montiert werden.
Das Ergebnis des Bondens des ersten Wafer-Substrats 31 mit dem dritten Wafer-Substrat 44 ist in 3I abgebildet.
In 3I ist zu erkennen, dass durch das Bonden des ersten Wafer-Substrats 31 mit dem dritten Wafer-Substrat 44 eine geschlossene Hohlraumstruktur 14 ausgebildet wird. Das erste Wafer-Substrat 31 und das dritte Wafer-Substrat 44 können unter Anwendung eines Vakuum-Bondverfahrens miteinander gebondet werden, sodass in der Hohlraumstruktur 14 ein Vakuum im Sinne der vorliegenden Offenbarung vorliegt.
Mit den bisher beschriebenen, teils optionalen, Schritten kann man also eine Vorrichtung 10 mit einer Substratanordnung 13 erhalten, wobei diese Substratanordnung 13 eine erste, sich im Betrieb erwärmende, Schaltungsanordnung 11 und eine zweite Schaltungsanordnung 12, die in einem Substratmaterial der Substratanordnung 13 integriert ist, aufweist.
Die Substratanordnung 13 weist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest den Emitter-Wafer, d.h. das zuvor beschriebene erste Wafer-Substrat 31, und den ASIC-Wafer, d.h. das zuvor beschriebene dritte Wafer-Substrat 44 auf. Die gesamte Vorrichtung 10 kann optional, wie hier in 3I abgebildet ist, neben dieser Substratanordnung 13 auch noch ein Filter-Substrat, d.h. das zuvor beschriebene zweite Wafer-Substrat 38, aufweisen.
Die in 3I abgebildete Substratanordnung 13 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei übereinander gestapelte Teilsubstratanordnungen S₁ , S₂ auf. Die erste Teilsubstratanordnung S₁ wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das oben beschriebene erste Wafer-Substrat 31 repräsentiert. Die erste Teilsubstratanordnung S₁ weist die erste Schaltungsanordnung 11 auf. Die zweite Teilsubstratanordnung S₂ wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das den ASIC 12 aufweisende dritte Wafer-Substrat 44 repräsentiert.
Die Vorrichtung 10 weist eine zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung 11, 12 angeordnete Hohlraumstruktur 14 auf, die in dem Substratmaterial der Substratanordnung 13 ausgebildet ist und einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Wie zuvor bereits erwähnt wurde, ist die Hohlraumstruktur 14 als eine verschlossene Ausnehmung in zumindest einem der beiden Teilsubstratanordnungen S₁ , S₂ ausgebildet. Bei dem oben beschriebenen Verfahren wurde diese Ausnehmung 14 durch die in dem ersten Wafer-Substrat 31 ausgebildete Kavität 42 gebildet. Es ist aber ebenso gut vorstellbar, dass eine solche Kavität 42 an entsprechender Stelle in dem dritten Wafer-Substrat 44, oder sowohl in dem ersten als auch in dem dritten Wafer-Substrat 31, 44 ausgebildet wird.
Wie bereits zuvor mit Bezug auf 3C beschrieben wurde, kann die erste Schaltungsanordnung 11 ein oder mehrere Heizelemente 35 aufweisen. Die Schicht 33 kann thermisch mit dem Heizelement 35 gekoppelt sein und als eine Wärme ausbreitende bzw. Wärme abstrahlende Schicht dienen, die zusammen mit den Heizelementen 35 einen IR-Emitter bilden kann.
Die von der ersten Schaltungsanordnung 11 abgestrahlte Wärme kann also beispielsweise in Form von elektromagnetischer Strahlung, und insbesondere in Form von Infrarotstrahlung, abgestrahlt werden. Die von der ersten Schaltungsanordnung 11 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung weist hierbei eine Hauptabstrahlrichtung 47 auf. Die Hauptabstrahlrichtung 47 kann, wie abgebildet, in Richtung des zweiten Wafer-Substrats 38 gerichtet sein, wobei die abgestrahlte Wärmestrahlung durch das zweite Wafer-Substrat 38 hindurch in die Umgebung auskoppelbar ist. In dieser Hauptabstrahlrichtung 47 kann ein Hauptanteil, d.h. über 50%, der abgestrahlten Wärmestrahlung abgestrahlt werden.
Die von der ersten Schaltungsanordnung 11 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung kann außerdem eine Nebenabstrahlrichtung 48 aufweisen. Diese Nebenabstrahlrichtung 48 ist von der Hauptabstrahlrichtung 47 unterschiedlich. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Nebenabstrahlrichtung 48 in Richtung der Hohlraumstruktur 14, und somit der Hauptabstrahlrichtung 47 entgegengesetzt, gerichtet.
Die in der Nebenabstrahlrichtung 48 ausgesandte elektromagnetische Strahlung kann an der zuvor beschriebenen Reflektionsanordnung 43 in die Hauptabstrahlrichtung 47 zurück reflektiert werden.
Wie bereits zuvor mit Bezug auf 3D beschrieben wurde, weist die Vorrichtung 10 ein optisches Filter 39 auf. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kann es sich dabei um die eingangs beschriebene Schicht 39 handeln, die beispielsweise als eine IR-Filterschicht ausgebildet sein kann.
Das optische Filter 39 kann in Hauptabstrahlrichtung 47 nach der ersten Schaltungsanordnung 11 angeordnet sein. Außerdem kann zwischen der ersten Schaltungsanordnung 11 und dem optischen Filter 39 die, zuvor mit Bezug auf 3E erwähnte, zweite Hohlraumstruktur 41 ausgebildet sein. Diese zweite Hohlraumstruktur 41 kann einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der in der zweiten Hohlraumstruktur 41 vorherrschende Druck weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks. Die zweite Hohlraumstruktur 41 kann ein Vakuum im Sinne der vorliegenden Offenbarung aufweisen.
Das optische Filter 39 kann gemäß denkbarer Ausführungsbeispiele monolithisch mit dem zweiten Wafer-Substrat 38 bzw. mit der dritten Teilsubstratanordnung S₃ , ausgebildet sein. Nochmals zur Erinnerung, die dritte Teilsubstratanordnung S₃ kann das zweite Wafer-Substrat 38 sowie gegebenenfalls weitere (hier zur Vereinfachung nicht dargestellte) Substrate aufweisen.
Gemäß dem in 3I abgebildeten Ausführungsbeispiel kann das optische Filter 39 an der dritten Teilsubstratanordnung S₃ angeordnet sein, wobei diese dritte Teilsubstratanordnung S₃ mit der die erste und die zweite Teilsubstratanordnungen S₁ , S₂ aufweisenden Substratanordnung 13 verbunden sein kann.
Die dritte Teilsubstratanordnung S₃ kann somit auch als ein Filter-Wafer bezeichnet werden.
Wie in 3I weiterhin gezeigt ist, kann die Substratanordnung 13 zumindest einen elektrischen Anschluss 51 zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung 11 und zumindest einen elektrischen Anschluss 52 zum Kontaktieren der zweiten Schaltungsanordnung 12 aufweisen.
Kontaktflächen 53 der elektrischen Anschlüsse 51, 52 können an einem die zweite Schaltungsanordnung 12 aufweisenden Abschnitt der Substratanordnung angeordnet sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kontaktflächen 53 der elektrischen Anschlüsse 51, 52 an der den ASIC 12 aufweisenden zweiten Teilsubstratanordnung S₂ angeordnet. Nochmals zur Erinnerung, die zweite Teilsubstratanordnung S₂ kann das dritte Wafer-Substrat 44 sowie gegebenenfalls weitere (hier zur Vereinfachung nicht dargestellte) Substrate aufweisen.
Die Kontaktflächen 53 sind bei dem in 3I gezeigten Schritt von einer Passivierungsschicht 49, z.B. einer Oxidschicht, bedeckt.
Die 3J zeigt einen weiteren denkbaren Prozessschritt. Hier ist eine Passivierungsschicht 50, z.B. eine Nitridschicht, auf der Oxidschicht 49 abgeschieden und die Kontaktflächen 53 der elektrischen Anschlüsse 51, 52 für die erste und die zweite Schaltungsanordnung 11, 12 wurden, z.B. mittels Plasmaätzen oder unter Anwendung anderer geeigneter Verfahren, freigelegt.
Der elektrische Anschluss 51 der ersten Schaltungsanordnung 11 ist hier beispielhaft in einer TSV-Durchkontaktierung 55 (engl. Through Silicon Via) ausgebildet, die sich durch die Substratanordnung 13 hindurch erstreckt.
Hierfür kann beispielsweise eine solche TSV-Durchkontaktierung 55 von der der Hohlraumstruktur 14 abgewandten Rückseite 30C der zweiten Teilsubstratanordnung S₂ ausgehend in Richtung der ersten Schaltungsanordnung 11 geätzt werden, und zwar bis zu der hier als Ätzstopp wirkenden Oxidschicht 32. Anschließend wird die TSV-Durchkontaktierung 55 in Form eines Oxidspacers prozessiert, und die TSV-Durchkontaktierung 55 kann mit einer Sperrschicht und mit einem thermisch und/oder elektrisch leitfähigen Material gefüllt werden. Zum Füllen der TSV-Durchkontaktierung 55 kann beispielsweise Kupfer verwendet werden.
Gemäß denkbarer Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 10 eine (hier nicht explizit abgebildete) Vielzahl von lateral um die Hohlraumstruktur 14 herum angeordneten, mit einem thermisch und/oder elektrisch leitfähigem Material gefüllten, TSV-Durchkontaktierungen 55 aufweisen.
Hierbei können die mehreren TSV-Durchkontaktierungen 55 einen Abstand D₁ zu der Hohlraumstruktur 14 aufweisen, der geringer ist als ein Abstand D₂ zu einer lateralen bzw. seitlichen Außenseite der Substratanordnung. Die TSV-Durchkontaktierungen 55 können somit also möglichst nahe an der Hohlraumstruktur 14 angeordnet sein.
Die oben beschriebenen Prozessschritte können an einem einzelnen Chip oder, zur Einsparung von Kosten, auf Wafer-Level ausgeführt werden. Im Letzteren Fall liegt am Ende ein Waferstack mit einer Vielzahl von den bisher beschriebenen Vorrichtungen 10 vor.
Dieser Waferstack kann, wie in 3K gezeigt ist, vereinzelt werden. Dabei erhält man eine Vielzahl von einzelnen Packages 10 bzw. einzelnen Vorrichtungen 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Optional kann vor dem Vereinzeln der Packages 10 ein sogenannter RDL (engl. Redistribution Layer) implementiert werden, um die TSV-Durchkontaktierung 55 mit dem letzten Metall des ASICs 12 zu kontaktieren.
In 3L ist ein vereinzeltes Package 10 bzw. eine vereinzelte Vorrichtung 10 abgebildet, die auf einem Substrat 61 angeordnet ist. Dieses Substrat 61 kann beispielsweise eine bedruckte Leiterplatte PCB (engl. Printed Circuit Board) oder ein Laminat bekannter Bauart sein. Die Vorrichtung 10 kann dabei beispielsweise in sogenannter Bump-Technologie, mittels Micropillar-Technologie oder mittels RDLs in einem eWLB (engl. embedded Wafer Level Ball Grid Array) befestigt werden. Hierfür können sogenannte Bumps oder Pillars 62 verwendet werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Vorrichtung 10 mehrere Teilsubstratanordnungen S₁ , S₂ , S₃ aufweisen, die wiederum ein oder mehrere einzelne Substrate 31, 38, 44 aufweisen können. Die erste Teilsubstratanordnung S₁ kann eine Dicke W₁ aufweisen, die etwa 50 µm beträgt. Die zweite Teilsubstratanordnung S₂ kann eine Dicke W₂ aufweisen, die etwa 65 µm beträgt. Die dritte Teilsubstratanordnung S₃ eine Dicke W₃ aufweisen, die etwa 35 µm beträgt. Das erste und das zweite Substrat 31, 44 können zusammen eine Dicke W₄ von etwa 110 µm aufweisen.
4 zeigt zusammenfassend ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung.
In Block 401 wird eine Substratanordnung 13 mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung 11 und einer zweiten Schaltungsanordnung 12, die in einem Substratmaterial der Substratanordnung 13 integriert ist, bereitgestellt.
In Block 402 wird eine zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung 11, 12 angeordnete Hohlraumstruktur 14 in dem Substratmaterial ausgebildet, wobei die Hohlraumstruktur 14 einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
5 zeigt zusammenfassend ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung.
In Block 501 wird ein erstes Wafersubstrat 31 mit einer ersten Seite 30A und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 30B bereitgestellt, wobei auf der ersten Seite 30A eine Wärmeverteilschicht 33 angeordnet ist.
In Block 502 wird ein Heizelement 35 auf der Wärmeverteilschicht 33 strukturiert.
In Block 503 wird eine Kavität 42 in die zweite Seite 30B des ersten Wafersubstrats 31 geätzt und eine Wärmereflektionsschicht 43 wird am Grund der Kavität 42 angeordnet.
In Block 504 wird ein zweites Wafersubstrat 44 mit einer integrierten Schaltung 12 bereitgestellt.
In Block 505 werden das erste und das zweite Wafersubstrat 31, 44 gebondet, wobei die Kavität 42 einen geschlossenen Hohlraum 14 bildet, der zwischen der integrierten Schaltung 12 und der Wärmeverteilschicht 33 angeordnet ist und einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Nachdem die strukturellen Merkmale beschrieben wurden, soll die Funktionsweise unter Bezugnahme auf 3L beschrieben werden.
Die hier offenbarte Vorrichtung 10 kann beispielsweise als ein photoakustischer Sensor genutzt werden. Die erste Schaltungsanordnung 11 kann ein Heizelement 35 zum Abstrahlen von Wärmestrahlung aufweisen. Die zweite Schaltungsanordnung 12 kann ein ASIC zum Steuern des Heizelements 35 sein.
Das Heizelement 35 kann im Betrieb Temperaturen von 300°C bis 800°C erzeugen. Der darunterliegende ASIC 12 sollte sich allerdings nur um wenige 10°C erhitzen. Beispielsweise sollte sich der ASIC auf nicht mehr als 65°C erhitzen. Der Abstand zwischen dem Heizelement 35 und dem ASIC 12 innerhalb der Vorrichtung 10 beträgt allerdings nur wenige Mikrometer. Somit steht man vor der Herausforderung, den ASIC 12 von dem Heizelement 35 weitestgehend thermisch zu entkoppeln.
Dies wird in der Vorrichtung 10 unter anderem durch die Hohlraumstruktur 14 bewerkstelligt, wobei sich in der Hohlraumstruktur 14 ein Unterdruck, und insbesondere ein Vakuum, befindet. Da das Vakuum zwischen dem Heizelement 35 und dem ASIC 12 die von dem Heizelement 35 abgegebene Wärme schlecht leitet, wird hier wenig Verlustwärme erzeugt. Das heißt, innerhalb der Hohlraumstruktur 14 wird nur sehr wenig von der abgestrahlten Wärme in umgebende Strukturen geleitet. Die Wärmestrahlung ist hier gegenüber der Wärmeleitung der dominierende Effekt.
Eine in der Hohlraumstruktur 14 optional vorhandene Reflektionsanordnung 43 kann die Wärmestrahlung zusätzlich von dem ASIC 12 fernhalten. Die Reflektionsanordnung 43 ist hierfür zwischen dem ASIC 12 und dem Heizelement 35 angeordnet. Allgemeiner ausgedrückt ist die Reflektionsanordnung 43 zwischen der ersten Schaltungsanordnung 11 und der zweiten Schaltungsanordnung 12 angeordnet.
Das Heizelement 35 und die mit dem Heizelement 35 thermisch gekoppelte Wärme abstrahlende Schicht 33 können zusammen ein Wärmeverteilelement 33, 35 bilden. Das Wärmeverteilelement kann beispielsweise ein IR-Emitter sein. Der IR-Emitter 33, 35 kann in zumindest eine von mindestens zwei Richtungen, d.h. in Richtung der Hohlraumstruktur 14 und in Richtung des IR-Filters 39, abstrahlen.
Der IR-Emitter 33, 35 kann sich in einer zweiten Hohlraumstruktur 41 befinden, in der ebenfalls Unterdruck bzw. ein Vakuum herrscht. Dieses Vakuum dient ebenfalls dem oben beschriebenen Zweck, wobei die Wärmestrahlung gegenüber der Wärmeleitung dominiert. Somit strahlt der IR-Emitter 33, 35 zwar genauso gut ab wie ohne Vakuum. Allerdings kann sich die Wärmestrahlung im Vakuum nahezu ungehindert ausbreiten. Das Vakuum vermeidet somit eine ungewollte Erwärmung der umgebenden Strukturen.
Das Resultat ist, dass bei einer Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein gewünschter photoakustischer Effekt gegenüber einem unerwünschten thermoakustischen Effekt deutlich dominiert.
Auch die mit thermisch leitfähigem Material gefüllten TSV-Durchkontaktierungen 55 dienen der Verbesserung des Schutzes des ASICs 12 vor übermäßiger Erhitzung. Wärme, die zum Beispiel über die Hohlraumstruktur 14 an das Emitter-Substrat 31 und/oder an das ASIC-Substrat 44 abgegeben wird, kann mittels der thermisch leitfähigen Füllung in den TSV-Durchkontaktierungen 55 aufgenommen und beispielsweise an ein PCB oder ähnliches abgeführt werden.
Je mehr TSV-Durchkontaktierungen 55 vorhanden sind, und je näher diese an der Hohlraumstruktur 14 angeordnet sind, desto mehr Wärme kann hierüber abgeführt werden.
Nachfolgend soll der Gedanke dieser Offenbarung nochmals in anderen Worten zusammengefasst werden.
Bei integrierten Schaltkreisen, wie z.B. bei MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems), spielen die Größe und die Höhe sowie die Verlustleistung eine große Rolle, insbesondere wenn der Chip in Mobilgeräten, wie z.B. in Smartphones, implementiert werden soll. Darüber hinaus sind die Kosten bei MEMS-Lösungen wichtig zu beachten.
In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung sollen beispielsweise ein IR-Emitter und ein IR-Filter in einem einzigen Package 10 implementiert werden, und zwar mit einem zusätzlichen ASIC 12 und einem Mikrofon-MEMS-Chip 11 mit geringstmöglicher Größe bzw. Höhe und Kosten.
Bekannte Lösungen hierfür sind jedoch zu groß und deshalb nicht für die Anwendung in Mobilgeräten geeignet.
Die vorliegende Offenbarung bietet eine Lösung zur Minimierung des kompletten IR-Emitter/Filter/ASIC Systems bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten. Außerdem wird gleichzeitig auch die Verlustleistung im Anwendungsfall gesenkt.
Bei bestehenden Konzepten sind der IR-Emitter, der Filter und der ASIC als separate Bauteile ausgebildet, die einzeln in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden müssen. In einigen speziellen Lösungen ist der Filter direkt auf dem Emitter angeordnet, was typischerweise Chip-on-Chip bewerkstelligt wird.
Bestehende Lösungen für z.B. einen photoakustischen Gassensor sehen beispielsweise vor, dass der IR-Chip mit einer dünnen Heizmembran, einer Kavität im Siliziumsubstrat und optional einem Belüftungsloch ausgebildet werden. Um eine zu große Aufheizung des Filterchips zu vermeiden, wird ein aus SU8 (Polymer) bestehender Abstandshalter (standoff layer) zwischen den beiden Chips angeordnet, was Chip by Chip auf Chip-Level ausgeführt wird.
Bei dieser Realisierung wird jedoch die Höhe der gesamten Anordnung aus Emitter und Filter sehr groß und kann sogar zu groß werden und/oder zu viel Hitze und Leistung abgeben um in mobilen Anwendungen Einsatz zu finden. In all diesen bekannten Anwendungen wird jedoch der ASIC separat unterhalb des Emitters angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung hingegen sieht vor, die Vorrichtung 10 und das Verfahren auf Wafer-Level auszuführen und Wafer-to-Wafer Bondprozesse einzusetzen, um sowohl die Baugröße und die damit verbundenen Kosten einzusparen. Dabei können der Emitter 33, 35, der Filter 39 und der ASIC 12 auf Wafer-Level übereinander gestapelt werden und als kompletter Chipstack 10 gefertigt werden.
Konkret können Ausführungsbeispiele vorsehen, dass eine Kavität 14 einschließlich einer Heizmembran 33, 34 und einem Filter 39 mittels eines hermetischen Versiegelungs-Bondprozesses prozessiert werden. Das Bonden kann im Vakuum ausgeführt werden, sodass das Heizelement 33, 34, 35 und der Filter 39 unter Vakuum stehen.
Zu einem späteren Zeitpunkt in diesem Prozess kann dieser so gebildete Waferstack hermetisch mit dem ASIC-Wafer 44 unter Vakuum gebondet werden, wobei eine Vakuum-Kavität 14 in dem Emitter-Wafer 31 eingeschlossen wird.
Aufgrund des Vakuums in dieser Kavität 14 zwischen dem Filter 39 und dem Emitter 33, 34, 35 kann die Verlustleistung erheblich reduziert werden, da die Wärmeleitung im Vakuum reduziert ist und Wärmestrahlung stattdessen zum einzig dominierenden Effekt wird.
Aufgrund des Vakuums zwischen dem Emitter-Wafer 31 und dem ASIC-Wafer 44 kann das Aufheizen des ASICs 12 durch den Emitter 33, 34, 35 reduziert werden. Eine elektrische Verbindung des Emitters 33, 34, 35 mit dem ASIC 12 kann beispielsweise mittels eines Through-Silicon-Via (TSV) 55 realisiert werden.
In diesem Beispiel sollten der ASIC-Chip 44 und der Emitter-Chip 31 in etwa dieselbe Größe aufweisen.
Einzelne Schritte eines möglichen Ausführungsbeispiels für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung sollen nachfolgend nochmals kurz und knapp, unter Bezugnahme auf die 3A bis 3L, zusammengefasst werden.
In 3A wird ein Siliziumsubstrat-Wafer 31 mit einer Oxidschicht 32 und einer Polysilizium-Hitzeverteiler-Schicht 33 vorprozessiert. Obenauf wird eine Nitridschicht 34 abgeschieden.
In 3B wird ein metallisches Heizelement 35 (z.B. Platin) strukturiert und mittels Nitrid 36 und Oxid 37 abgedeckt.
In 3C wird eine Oxid freisetzende Ätzung ausgeführt, und zwar im Bereich des Hitzeverteilers 33, 34 und des Heizelements 35.
In 3D wird ein zusätzlicher Wafer 38 mit einer IR-Filterschicht 39 und einer Spin-On-Glass Schicht 40 vorbereitet.
In 3E werden beide Wafer 31, 38 hermetisch unter Vakuum gebondet.
In 3F wird der Emitter-Wafer 31 auf die Solldicke ausgedünnt, typischerweise etwa 50 µm.
In 3G wird in die Rückseite des Emitter-Wafers 31 eine Kavität 42 geätzt und eine reflektierende Metallabschirmung 43 wird in dieser Kavität 42 abgeschieden und strukturiert.
In 3H wird der ASIC-Wafer 44 mit Bondpads 45 versehen.
In 3I werden der Emitter/Filter-Wafer 31, 38 und der ASIC-Wafer 44 hermetisch unter Vakuum gebondet. Anschließend wird ein Oxid 49 abgeschieden und ein TSV 55 wird gebildet (z.B. mittels TSV-Ätzung mit einem Ätzstopp an dem Oxid 32 auf dem Emitter-Wafer 31). Ein Oxid Spacer wird gebildet und das TSV 55 wird mit einer Barriere und Kupfer aufgefüllt, und das Kupfer wird an der Rückseite des Wafers 44 strukturiert.
In 3J wird eine Passivierungs-Nitrid-Schicht 50 abgeschieden und die Bondpads 52 werden mittels Plasmaätzen freigelegt.
In 3K wird der Wafer-Stack 10 vereinzelt (dicing). Optional kann vor dem Vereinzeln ein sogenannter Redistribution-Layer (RDL) implementiert werden, um das TSV 55 mit der letzten Metallschicht des ASICs 12 zu verbinden (was Fläche einspart).
In 3L wird der Chip 10 auf einem Laminat/PCB/eWLB etc. platziert, z.B. mittels Bump-Technik, Mikropillars 62 oder RDL in eWLB (embedded Wafer Level Ball Grid Array).
Eine optional vorstellbare Lösung könnte vorsehen, den Filter 39 monolithisch in, an oder auf dem Emitter-Wafer 31 zu integrieren, und den Emitter-Wafer 31 und den ASIC-Wafer 44, wie beschrieben, unter Vakuum zu bonden. Ein Merkmal dieser Offenbarung ist es demnach, den Emitter-Wafer 31 und den ASIC-Wafer 44 auf Wafer-Level zu stapeln und ein Vakuum zwischen den beiden gestapelten Wafern/Chips zu ziehen.
Zusammenfassend bieten die Vorrichtung bzw. das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung folgende Vorteile:

• Strahlung im Vakuum reduziert Wärmeleitung
• ein Aufheizen des ASICs 12 durch den Emitter 33, 34, 35 wird reduziert aufgrund des Vakuums zwischen den beiden Wafern (Emitter-Wafer 31 und ASIC-Wafer 44)
• Reduzierung des gesamten Systemvolumens bezüglich Höhe und Fläche
• Integration von Filter 39, Heizsystem 33, 34, 35 und ASIC 12 auf Wafer-Level reduziert Kosten
• der Chipstapel 10 kann mittels Microbumps 62 und Micropillars auf einem PCB oder ähnlichem Substrat 61 unterhalb von weiteren Chips, wie z.B. einem MEMS-Mikrofon, angeordnet werden
• mit wärmeleitfähigem Material (z.B. Kupfer) gefüllte TSVs 55 können vom Emitter 33, 34, 35 abgegebene Wärme an dem ASIC 12 vorbei und z.B. in das PCB 61 oder ein ähnliches Substrat ableiten.

Die vorliegende Offenbarung kann die folgenden Aspekte aufweisen:

1. Vorrichtung (10) mit einer Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung (11) und einer zweiten Schaltungsanordnung (12), die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, und einer zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung (11, 12) angeordneten Hohlraumstruktur (14), die in dem Substratmaterial ausgebildet ist, und einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
2. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei der Druck in der Hohlraumstruktur (14) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
3. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei sich die Hohlraumstruktur (14) zwischen den beiden Schaltungsanordnungen (11, 12) in einer lateralen Richtung (X₁ , Y₁ ) erstreckt und zumindest die erste Schaltungsanordnung (11) oder die zweite Schaltungsanordnung (12) vollständig innerhalb einer Projektion der Hohlraumstruktur (14) senkrecht zu dieser lateralen Erstreckungsrichtung (X₁ , Y₁ ) angeordnet ist.
4. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei die Substratanordnung zwei übereinander gestapelte Teilsubstratanordnungen (S₁ , S₂ ) aufweist, wobei eine erste Teilsubstratanordnung (S₁ ) die erste Schaltungsanordnung (11) und eine zweite Teilsubstratanordnung (S₂ ) die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweist, und die Hohlraumstruktur (14) als eine verschlossene Ausnehmung in zumindest einer der beiden Teilsubstratanordnungen (S₁ , S₂ ) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei die Vorrichtung (10) ein mit der ersten Schaltungsanordnung (11) gekoppeltes Wärmeverteilelement (33) aufweist, das ausgebildet ist, um die von der ersten Schaltungsanordnung (11) erzeugte Wärme etwa gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Wärmeverteilelements (33) zu verteilen.
6. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei die erste Schaltungsanordnung (11) einen IR-Emitter (33, 35) aufweist.
7. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei die Vorrichtung (10) eine Reflektionsanordnung (43) zum Reflektieren einer von der ersten Schaltungsanordnung (11) abgegebenen Wärmestrahlung aufweist, wobei die Reflektionsanordnung (43) innerhalb der Hohlraumstruktur (14) an einem der ersten Schaltungsanordnung (11) zugewandten Oberflächenbereich der Hohlraumstruktur (14) angeordnet ist.
8. Vorrichtung (10) nach Aspekt 1, wobei die Vorrichtung (10) ein optisches Filter (39) aufweist, das ausgebildet ist, um eine von der ersten Schaltungsanordnung (11) ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu filtern, wobei das optische Filter (39) in einer Hauptabstrahlrichtung (47) der elektromagnetischen Strahlung nach der ersten Schaltungsanordnung (11) angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten Schaltungsanordnung (11) und dem Filter (39) eine zweite Hohlraumstruktur (41) ausgebildet ist, die einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
9. Vorrichtung (10) nach Aspekt 8, wobei der Druck in der zweiten Hohlraumstruktur (41) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
10. Vorrichtung (10) nach Aspekt 8, wobei das optische Filter (39) monolithisch mit der Substratanordnung ausgebildet ist.
11. Vorrichtung (10) nach Aspekt 8, wobei das optische Filter (39) an einer dritten Teilsubstratanordnung (S₃ ) angeordnet ist, und diese dritte Teilsubstratanordnung (S₃ ) mit der Substratanordnung verbunden ist.
12. Vorrichtung (10) Aspekt 1, wobei die Substratanordnung zumindest einen elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) und zumindest einen elektrischen Anschluss (52) zum Kontaktieren der zweiten Schaltungsanordnung (12) aufweist, wobei Kontaktflächen (53) der elektrischen Anschlüsse (51, 52) an einem die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweisenden Abschnitt der Substratanordnung angeordnet sind.
13. Vorrichtung (10) nach Aspekt 12, wobei durch die Substratanordnung hindurch eine Durchkontaktierung (55) ausgebildet ist, die eine Kontaktfläche (53) des zumindest einen elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) elektrisch leitend mit der ersten integrierten Schaltungsanordnung (11) verbindet, wobei diese Durchkontaktierung (55) mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist.
14. Vorrichtung (10) nach Aspekt 13, wobei die Vorrichtung (10) eine Vielzahl von lateral um die Hohlraumstruktur (14) herum angeordneten, mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material gefüllten, Durchkontaktierungen (55) aufweist.
15. Vorrichtung (10) nach Aspekt 13, wobei ein Abstand (D₁ ) zwischen der Durchkontaktierung (55) und der Hohlraumstruktur (14) geringer ist als ein Abstand (D₂ ) zwischen der Durchkontaktierung (55) und einer Außenseite der Substratanordnung.
16. Waferstack mit einer Vielzahl an Vorrichtungen (10) gemäß Aspekt 1.
17. Verfahren mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung (11) und einer zweiten Schaltungsanordnung (12), die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, und
- Ausbilden einer zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung (11, 12) angeordneten Hohlraumstruktur (14) in dem Substratmaterial, wobei die Hohlraumstruktur (14) einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
18. Verfahren nach Aspekt 17, wobei der Schritt des Ausbildens der Hohlraumstruktur (14) beinhaltet, dass der Druck in der Hohlraumstruktur (14) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
19. Verfahren nach Aspekt 17, wobei der Schritt des Bereitstellens der Substratanordnung beinhaltet, dass zwei Teilsubstratanordnungen (S₁ , S₂ ) übereinander gestapelt werden, wobei eine erste Teilsubstratanordnung (S₁ ) die erste Schaltungsanordnung (11) aufweist und eine zweite Teilsubstratanordnung (S₂ ) die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweist, und wobei der Schritt des Ausbildens der Hohlraumstruktur (14) beinhaltet, dass die Hohlraumstruktur (14) als eine verschlossene Ausnehmung (42) in zumindest einer der beiden Teilsubstratanordnungen (S₁ , S₂ ) ausgebildet wird.
20. Verfahren nach Aspekt 19, wobei die erste Teilsubstratanordnung (S₁ ) und die zweite Teilsubstratanordnung (S₂ ) unter Anwendung eines Vakuum-Bond-Verfahrens miteinander verbunden werden.
21. Verfahren nach Aspekt 17, wobei eine Reflektionsanordnung (43) zum Reflektieren einer von der ersten Schaltungsanordnung (11) abgegebenen Wärmestrahlung bereitgestellt wird, wobei die Reflektionsanordnung (43) innerhalb der Hohlraumstruktur (14) an einem der ersten Schaltungsanordnung (11) zugewandten Oberflächenbereich der Hohlraumstruktur (14) angeordnet wird.
22. Verfahren nach Aspekt 17, aufweisend ein Bereitstellen eines optischen Filters (39), das ausgebildet ist, um eine von der ersten Schaltungsanordnung (11) ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu filtern, wobei das optische Filter (39) in einer Hauptabstrahlrichtung (47) der elektromagnetischen Strahlung nach der ersten Schaltungsanordnung (11) angeordnet wird, und Ausbilden einer zweiten Hohlraumstruktur (41) zwischen der ersten Schaltungsanordnung (11) und dem Filter (39), wobei die zweite Hohlraumstruktur (41) einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
23. Verfahren nach Aspekt 22, wobei der Schritt des Ausbildens der zweiten Hohlraumstruktur (41) beinhaltet, dass der Druck in der zweiten Hohlraumstruktur (41) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
24. Verfahren nach Aspekt 22, wobei das optische Filter (39) monolithisch mit der Substratanordnung ausgebildet wird.
25. Verfahren nach Aspekt 22, wobei das optische Filter (39) an einer dritten Teilsubstratanordnung (S₃ ) angeordnet wird, und diese dritte Teilsubstratanordnung (S₃ ) mit der Substratanordnung verbunden wird.
26. Verfahren nach Aspekt 17, aufweisend ein Bereitstellen von zumindest einem elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) und zumindest einem elektrischen Anschluss (52) zum Kontaktieren der zweiten Schaltungsanordnung (12), wobei Kontaktflächen (53) der elektrischen Anschlüsse (51, 52) an einem die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweisenden Abschnitt der Substratanordnung angeordnet werden.
27. Verfahren nach Aspekt 26, aufweisend ein Ausbilden von zumindest einer sich durch die Substratanordnung hindurch erstreckenden Durchkontaktierung (55), die eine Kontaktfläche (53) des zumindest einen elektrischen Anschlusses (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) elektrisch leitend mit der ersten Schaltungsanordnung (11) verbindet, und Füllen dieser Durchkontaktierung (55) mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material.
28. Verfahren nach Aspekt 27, ferner aufweisend ein Ausbilden einer Vielzahl von lateral um die Hohlraumstruktur (14) herum angeordneten, mit elektrisch und thermisch leitfähigem Material gefüllten, Durchkontaktierungen (55).
29. Verfahren nach Aspekt 27, wobei der Schritt des Ausbildens von zumindest einer Durchkontaktierung (55) beinhaltet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung (55) derart gegenüber dem Hohlraum (14) angeordnet wird, dass ein Abstand (D₁ ) zwischen der Durchkontaktierung (55) und der Hohlraumstruktur (14) geringer ist als ein Abstand (D₂ ) zwischen der Durchkontaktierung (55) und einer Außenseite der Substratanordnung.
30. Verfahren mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines ersten Wafersubstrats (31) mit einer ersten Seite (30A) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (30B), wobei auf der ersten Seite (30A) eine Wärmeverteilschicht (33) angeordnet ist,
- Strukturieren eines Heizelements (35) auf der Wärmeverteilschicht (33),
- Ätzen einer Kavität (14) in die zweite Seite (30B) des ersten Wafersubstrats (31) und Anordnen einer Wärmereflektionsschicht (43) am Grund der Kavität (14),
- Bereitstellen eines zweiten Wafersubstrats (44) mit einer integrierten Schaltung (12), und
- Bonden des ersten und des zweiten Wafersubstrats (31, 44), wobei die Kavität (14) einen geschlossenen Hohlraum bildet, der zwischen der integrierten Schaltung (12) und der Wärmeverteilschicht (33) angeordnet ist und einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Vorrichtung (10) mit einer Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung (11) und einer zweiten Schaltungsanordnung (12), die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, und einer zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung (11, 12) angeordneten Hohlraumstruktur (14), die in dem Substratmaterial ausgebildet ist, und einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist, wobei die Vorrichtung (10) ein optisches Filter (39) aufweist, das ausgebildet ist, um eine von der ersten Schaltungsanordnung (11) ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu filtern, wobei das optische Filter (39) in einer Hauptabstrahlrichtung (47) der elektromagnetischen Strahlung nach der ersten Schaltungsanordnung (11) angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten Schaltungsanordnung (11) und dem Filter (39) eine zweite Hohlraumstruktur (41) ausgebildet ist, die einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Druck in der Hohlraumstruktur (14) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Hohlraumstruktur (14) zwischen den beiden Schaltungsanordnungen (11, 12) in einer lateralen Richtung (X₁, Y₁) erstreckt und zumindest die erste Schaltungsanordnung (11) oder die zweite Schaltungsanordnung (12) vollständig innerhalb einer Projektion der Hohlraumstruktur (14) senkrecht zu dieser lateralen Erstreckungsrichtung (X₁, Y₁) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substratanordnung zwei übereinander gestapelte Teilsubstratanordnungen (S₁, S₂) aufweist, wobei eine erste Teilsubstratanordnung (S₁) die erste Schaltungsanordnung (11) und eine zweite Teilsubstratanordnung (S₂) die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweist, und die Hohlraumstruktur (14) als eine verschlossene Ausnehmung in zumindest einer der beiden Teilsubstratanordnungen (S₁, S₂) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ein mit der ersten Schaltungsanordnung (11) gekoppeltes Wärmeverteilelement (33) aufweist, das ausgebildet ist, um die von der ersten Schaltungsanordnung (11) erzeugte Wärme etwa gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Wärmeverteilelements (33) zu verteilen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schaltungsanordnung (11) einen IR-Emitter (33, 35) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Reflektionsanordnung (43) zum Reflektieren einer von der ersten Schaltungsanordnung (11) abgegebenen Wärmestrahlung aufweist, wobei die Reflektionsanordnung (43) innerhalb der Hohlraumstruktur (14) an einem der ersten Schaltungsanordnung (11) zugewandten Oberflächenbereich der Hohlraumstruktur (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck in der zweiten Hohlraumstruktur (41) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Filter (39) monolithisch mit der Substratanordnung ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Filter (39) an einer dritten Teilsubstratanordnung (S₃) angeordnet ist, und diese dritte Teilsubstratanordnung (S₃) mit der Substratanordnung verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substratanordnung zumindest einen elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) und zumindest einen elektrischen Anschluss (52) zum Kontaktieren der zweiten Schaltungsanordnung (12) aufweist, wobei Kontaktflächen (53) der elektrischen Anschlüsse (51, 52) an einem die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweisenden Abschnitt der Substratanordnung angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei durch die Substratanordnung hindurch eine Durchkontaktierung (55) ausgebildet ist, die eine Kontaktfläche (53) des zumindest einen elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) elektrisch leitend mit der ersten integrierten Schaltungsanordnung (11) verbindet, wobei diese Durchkontaktierung (55) mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung (10) eine Vielzahl von lateral um die Hohlraumstruktur (14) herum angeordneten, mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material gefüllten, Durchkontaktierungen (55) aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Abstand (D₁) zwischen der Durchkontaktierung (55) und der Hohlraumstruktur (14) geringer ist als ein Abstand (D₂) zwischen der Durchkontaktierung (55) und einer Außenseite der Substratanordnung.
Waferstack mit einer Vielzahl an Vorrichtungen (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Substratanordnung mit einer ersten, sich im Betrieb erwärmenden Schaltungsanordnung (11) und einer zweiten Schaltungsanordnung (12), die in einem Substratmaterial der Substratanordnung integriert ist, Ausbilden einer zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung (11, 12) angeordneten Hohlraumstruktur (14) in dem Substratmaterial, wobei die Hohlraumstruktur (14) einen gegenüber einem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist, und Bereitstellen eines optischen Filters (39), das ausgebildet ist, um eine von der ersten Schaltungsanordnung (11) ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu filtern, wobei das optische Filter (39) in einer Hauptabstrahlrichtung (47) der elektromagnetischen Strahlung nach der ersten Schaltungsanordnung (11) angeordnet wird, und Ausbilden einer zweiten Hohlraumstruktur (41) zwischen der ersten Schaltungsanordnung (11) und dem Filter (39), wobei die zweite Hohlraumstruktur (41) einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Ausbildens der Hohlraumstruktur (14) beinhaltet, dass der Druck in der Hohlraumstruktur (14) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei der Schritt des Bereitstellens der Substratanordnung beinhaltet, dass zwei Teilsubstratanordnungen (S₁, S₂) übereinander gestapelt werden, wobei eine erste Teilsubstratanordnung (S₁) die erste Schaltungsanordnung (11) aufweist und eine zweite Teilsubstratanordnung (S₂) die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweist, und wobei der Schritt des Ausbildens der Hohlraumstruktur (14) beinhaltet, dass die Hohlraumstruktur (14) als eine verschlossene Ausnehmung (42) in zumindest einer der beiden Teilsubstratanordnungen (S₁, S₂) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Teilsubstratanordnung (S₁) und die zweite Teilsubstratanordnung (S₂) unter Anwendung eines Vakuum-Bond-Verfahrens miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei eine Reflektionsanordnung (43) zum Reflektieren einer von der ersten Schaltungsanordnung (11) abgegebenen Wärmestrahlung bereitgestellt wird, wobei die Reflektionsanordnung (43) innerhalb der Hohlraumstruktur (14) an einem der ersten Schaltungsanordnung (11) zugewandten Oberflächenbereich der Hohlraumstruktur (14) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei der Schritt des Ausbildens der zweiten Hohlraumstruktur (41) beinhaltet, dass der Druck in der zweiten Hohlraumstruktur (41) weniger als 10% oder weniger als 1% des Umgebungsatmosphärendrucks beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das optische Filter (39) monolithisch mit der Substratanordnung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei das optische Filter (39) an einer dritten Teilsubstratanordnung (S₃) angeordnet wird, und diese dritte Teilsubstratanordnung (S₃) mit der Substratanordnung verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, aufweisend ein Bereitstellen von zumindest einem elektrischen Anschluss (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) und zumindest einem elektrischen Anschluss (52) zum Kontaktieren der zweiten Schaltungsanordnung (12), wobei Kontaktflächen (53) der elektrischen Anschlüsse (51, 52) an einem die zweite Schaltungsanordnung (12) aufweisenden Abschnitt der Substratanordnung angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 24, aufweisend ein Ausbilden von zumindest einer sich durch die Substratanordnung hindurch erstreckenden Durchkontaktierung (55), die eine Kontaktfläche (53) des zumindest einen elektrischen Anschlusses (51) zum Kontaktieren der ersten Schaltungsanordnung (11) elektrisch leitend mit der ersten Schaltungsanordnung (11) verbindet, und Füllen dieser Durchkontaktierung (55) mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner aufweisend ein Ausbilden einer Vielzahl von lateral um die Hohlraumstruktur (14) herum angeordneten, mit elektrisch und thermisch leitfähigem Material gefüllten, Durchkontaktierungen (55).
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei der Schritt des Ausbildens von zumindest einer Durchkontaktierung (55) beinhaltet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung (55) derart gegenüber dem Hohlraum (14) angeordnet wird, dass ein Abstand (D₁) zwischen der Durchkontaktierung (55) und der Hohlraumstruktur (14) geringer ist als ein Abstand (D₂) zwischen der Durchkontaktierung (55) und einer Außenseite der Substratanordnung.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten Wafersubstrats (31) mit einer ersten Seite (30A) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (30B), wobei auf der ersten Seite (30A) eine Wärmeverteilschicht (33) angeordnet ist, Strukturieren eines Heizelements (35) auf der Wärmeverteilschicht (33), Ätzen einer Kavität (14) in die zweite Seite (30B) des ersten Wafersubstrats (31) und Anordnen einer Wärmereflektionsschicht (43) am Grund der Kavität (14), Bereitstellen eines zweiten Wafersubstrats (44) mit einer integrierten Schaltung (12), und Bonden des ersten und des zweiten Wafersubstrats (31, 44), wobei die Kavität (14) einen geschlossenen Hohlraum bildet, der zwischen der integrierten Schaltung (12) und der Wärmeverteilschicht (33) angeordnet ist und einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Druck aufweist.