DE10331322A1

DE10331322A1 - Elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10331322A1
Application number: DE2003131322
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Diekmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2005006432A3; WO2005006432A2

Abstract

Die Erfindung schlägt vor, vertikale elektrische Durchkontaktierungen in einem Trägersubstrat auszubilden, auf dessen Oberfläche Bauelementstrukturen befestigt sind, wobei die Bauelementstrukturen mit Kontaktflächen verbunden sind, die über den Durchkontaktierungen angeordnet sind. Die Bauelementstrukturen und die Kontaktflächen sind in Hohlräumen angeordnet, welche bei der Direct Wafer Bonding des Trägersubstrats mit einer entsprechende Aushöhlungen aufweisenden Deckplatte gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, welches auf der Oberseite eines Trägersubstrats angeordnete empfindliche Bauelementstrukturen aufweist, sowie Verfahren zu dessen Herstellung.

Solche empfindlichen Bauelementstrukturen können z. B. elektroakustische Wandler oder Dünnschicht-Resonatoren sein, welche eines (z. B. durch ein entsprechendes Gehäuse gewährleisteten) Schutzes gegen Umwelteinflüsse bedürfen.

Es besteht die Möglichkeit, das Trägersubstrat mit auf seiner Oberseite ausgebildeten Bauelementstrukturen in einer Vertiefung eines Gehäuses zu plazieren und diese Vertiefung von oben dicht abzuschließen. Die elektrische Verbindung der Bauelementstrukturen mit auf der Unterseite des Gehäuses vorgesehenen Anschlußflächen des Bauelements erfolgt z. B. durch Bonddrähte und vertikale elektrische Verbindungen (Durchkontaktierungen) im Gehäuse.

Eine vorteilhafte Häusungstechnik (Wafer Level Package) besteht darin, das Trägersubstrat mit einer Deckplatte z. B. durch ein Waferbond-Verfahren zu verbinden, wobei in der Deckplatte Aushöhlungen vorgesehen sind, die zusammen mit der Oberseite des Trägersubstrats Hohlräume bilden, in denen empfindliche Bauelementstrukturen angeordnet sind. Dabei sind die nach außen führenden vertikalen elektrischen Verbindungen bereits vorher in der Deckplatte ausgebildet, siehe z. B. die Druckschrift EP 1071126 A2 . Kontaktflächen des Trägersubstrats und Anschlußflächen der Deckplatte werden durch eine Lötverbindung elektrisch miteinander verbunden und müssen daher genau aufeinander ausgerichtet sein (was einen hohen Aufwand bedeutet), da andernfalls elektrische Eigenschaften des Bauelements beeinträchtigt werden können.

In der Druckschrift EP 1070677 A2 ist eine alternative Lösung zur Kontaktierung der Bauelementstrukturen vorgeschlagen, wobei die auf dem Trägersubstrat vorgesehenen, mit den Bauelementstrukturen elektrisch verbundenen Kontaktflächen nach dem Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte durch die Deckplatte hindurch freigelegt werden. Diese Kontaktflächen können dann z. B. über Bonddrähte kontaktiert werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die Kontaktflächen schwer zugänglich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das in Wafer Level Package Technik ausgeführt und einfach aufgebaut ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Bauelement nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 100 gelöst.

Die Erfindung gibt ein elektronisches Bauelement an, das ein Trägersubstrat aufweist, auf dessen Oberseite elektroakustische, elektromechanische und/oder weitere zu schützende aktive Bauelementstrukturen ausgebildet sind, die elektrisch und mechanisch fest mit dem Trägersubstrat verbunden sind. Auf der Unterseite des Trägersubstrats ist eine erste Metallisierungsebene und auf seiner Oberseite eine zweite Metallisierungsebene vorgesehen. In der ersten Metallisierungsebene sind Anschlußflächen ausgebildet, die als Außenkontakte des Bauelements vorgesehen sind. In der zweiten Metallisierungsebene sind Kontaktflächen ausgebildet, die mit den Bauelementstrukturen elektrisch verbunden sind.

Auf dem Trägersubstrat ist eine Kappe (vorzugsweise eine Deckplatte) angeordnet, die zum Trägersubstrat hin eine Aushöhlung aufweist und zusammen mit dem Trägersubstrat (TS) einen allseitig dicht umschlossenen Hohlraum bildet, in welchem die Bauelementstrukturen angeordnet sind. Die als Deckplatte gewählte Kappe kann mit dem Trägersubstrat durch ein Direct Wafer Bonding Verfahren mechanisch verbunden werden, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, Kaltschweißen, Löten oder anodisches Waferbonden.

Erfindungsgemäß sind im Trägersubstrat vertikale elektrisch leitende Verbindungen – Durchkontaktierungen – ausgebildet, welche die Kontaktflächen der zweiten Metallisierungsebene mit den Anschlußflächen der ersten Metallisierungsebene elektrisch leitend verbinden.

Die Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß die zu schützenden empfindlichen Bauelementstrukturen auf demselben Substrat angeordnet sind, in dem auch die vertikalen elektrischen Verbindungen zu den Außenkontakten ausgebildet sind, wodurch sich das besonders genaue Ausrichten der Deckplatte auf dem Trägersubstrat erübrigt. Dabei entfällt auch der Lötprozeß, der eine elektrische Verbindung zwischen den ursprünglich in der Deckplatte angeordneten Durchkontaktierungen und auf der Oberfläche des Trägersubstrats ausgebildeten Bauelementstrukturen herstellen soll.

Die Bauelementstrukturen sind z. B. als mit akustischen Volumenwellen arbeitende Dünnschicht-Resonatoren oder mit akustischen Oberflächenwellen oder Grenzschichtwellen arbeitende Wandler und Reflektoren ausgebildet. Die Resonatoren oder Wandler sind elektrisch miteinander verbunden und bilden zusammen vorzugsweise eine Filterschaltung.

Die Bauelementstrukturen können darüber hinaus ein MEMS-Element (MEMS = micro electromechanical system) realisieren. Möglich ist es auch, daß die Bauelementstrukturen zumindest ein aktives (Halbleiter-) Element umfassen, z. B. einen Transistor, oder eine aus aktiven Elementen aufgebaute Schaltung, die z. B. einen Oszillator, einen Verstärker oder einen Diodenschalter realisiert.

Die Deckplatte ist vorzugsweise aus Siliziumoxid, Glas oder Quarz ausgeführt. Die Deckplatte weist zumindest eine dielektrische Schicht auf. Zur elektrischen Abschirmung kann außerdem in der Kappe – vorzugsweise auf der vom Trägersubstrat abgewandten Seite der Kappe – eine elektrisch leitende Schicht vorgesehen sein.

Das Trägersubstrat kann eine oder mehrere dielektrische und/oder Halbleiterschichten aufweisen. Bei einem zumindest eine Halbleiterschicht aufweisenden Trägersubstrat sind die Durchkontaktierungen vom Trägersubstrat durch eine elektrisch isolierende Schicht isoliert.

Das Trägersubstrat und die Deckplatte können bei der Herstellung des Bauelements jeweils als Wafer vorhanden sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind im Trägersubstrat zumindest zwei Halbleiterschichten vorgesehen, zwischen denen eine isolierende Schicht angeordnet ist.

In vorteilhafter Variante der Erfindung ist zwischen dem Trägersubstrat und der Deckplatte eine Verbindungsschicht vorgesehen, z. B. eine Klebeschicht oder SiO₂-Schicht. Die vorzugsweise als SiO₂-Schicht ausgeführte Verbindungsschicht kann z. B. großflächig die Oberseite des Trägersubstrats mit darauf angeordneten Bauelementstrukturen bedecken und die Bauelementstrukturen dicht umschließen und dabei die Rolle einer Trimmschicht zur Einstellung der Resonanzfrequenz einzelner Resonatoren übernehmen.

In einer anderen Variante der Erfindung kann die Verbindungsschicht auf die zum Trägersubstrat hin weisende Oberfläche der Deckplatte aufgetragen sein. Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise hermetisch dicht. In einer vorteilhaften Variante ist die Verbindungsschicht großflächig auf die die Aushöhlungen aufweisende Seite der Deckplatte aufgetragen. Möglich ist aber auch, die Verbindungsschicht nur auf die Bereiche der entsprechenden Oberfläche der Deckplatte aufzutragen, die direkt mit der Oberseite des Trägersubstrats verbunden werden.

Unter Löten zweier Substrate wird bei der Erfindung eine Verbindung verstanden, die durch das Schmelzen einer zwischen den beiden Substraten angeordneten Verbindungsschicht und anschließendem Erstarren zustande kommt, wobei die Temperatur vorzugsweise 400°C nicht übersteigt.

Unter Kaltschweißen versteht man eine Verbindung zweier Substrate, bei der unter erhöhtem Druck (ohne thermische Einwirkung) an der Grenzfläche der beiden Substrate das Material eines Substrats in das Material des jeweils anderen Substrats hineindiffundiert.

Die Anschlußflächen können in SMD Technik (SMD = Surface Mounted Device) mit einer Basisplatte, z. B. der Leiterplatte eines Endgeräts, verbunden werden.

Eine vertikale elektrische Verbindung zwischen einer Kontaktfläche und einer Anschlußfläche kann durch mehrere, jeweils durch das Trägersubstrat hindurch geführte Durchkontaktierungen (Kontaktlöcher) realisiert sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Trägersubstrat und der zweiten Metallisierungsebene eine piezoelektrische Schicht angeordnet, wobei in der zweiten Metallisierungsebene mit Oberflächenwellen arbeitende Bauelementstrukturen ausgebildet sind.

Anstelle der piezoelektrischen Schicht oder zusätzlich zur piezoelektrischen Schicht können zwischen dem Trägersubstrat und der zweiten Metallisierungsebene weitere funktionale Schichten angeordnet werden, die zusammen z. B. ein funktionales Schichtsystem bilden. In diesem Fall werden die Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat und das funktionale Schichtsystem hindurch geführt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Bauelements umfaßt beispielsweise die folgenden Schritte:
Die Bauelementstrukturen werden auf der Oberseite eines Trägersubstrats angeordnet und elektrisch mit den Kontaktflächen verbunden. Es wird eine Deckplatte mit Aushöhlungen auf einer ihrer Hauptoberflächen bereitgestellt und mit dem Trägersubstrat so verbunden, daß die Bauelementstrukturen zwischen dem Trägersubstrat und der Deckplatte in einem durch die Aushöhlungen gebildeten Hohlraum eingeschlossen sind. Im Trägersubstrat werden Durchkontaktierungen erzeugt, welche die Kontaktflächen durch das Trägersubstrat hindurch elektrisch mit auf der Unterseite des Trägersubstrats ausgebildeten Anschlußflächen verbinden.

Das Trägersubstrat und die Deckplatte werden miteinander in einem Direct Wafer Bonding Verfahren, z. B. durch Kaltschweißen, anodisches Bondverfahren oder Grid Bonding verbunden.

Vorzugsweise werden mehrere Bauelemente in einem großflächigen Wafer ausgebildet und anschließend vereinzelt, wobei der großflächige Wafer durch das Trägersubstrat mit den Durchkontaktierungen, das mit der Deckplatte verbunden ist, gebildet ist.

Beim Erzeugen der Durchkontaktierungen werden im Trägersubstrat zunächst durchgehende vertikale Öffnungen hergestellt, die anschließend metallisiert oder mit elektrisch leitendem Material aufgefüllt werden.

In einer Variante der Erfindung werden die vertikalen Öffnungen erst nach dem Verbinden des Trägersubstrats und der Deckplatte z. B. durch Ätzen (vorzugsweise anisotropes Ätzen) durch das Trägersubstrat hindurch von der Unterseite des Trägersubstrats her in Richtung der gegenüberliegenden Kontaktfläche erzeugt. Dabei dient die jeweilige Kontaktfläche als Ätzstopp. Die so gebildeten Öffnungen werden anschließend von der Unterseite des Trägersubstrats her metallisiert, wobei vorzugsweise im gleichen Verfahrensschritt auch die Anschlußflächen des Bauelements erzeugt werden. Möglich ist aber auch, die vertikalen Öffnungen mit elektrisch leitendem Material aufzufüllen und (von unten gesehen) darüber eine Metallschicht aufzutragen, in der also direkt unter den so gebildeten Durchkontaktierungen entsprechende Anschlußflächen ausgebildet werden.

Es ist möglich, die Durchkontaktierungen im Trägersubstrat auch vor dem Verbinden des Trägersubstrats und der Deckplatte zu erzeugen. Die Durchkontaktierungen können vor oder nach dem Anordnen von Bauelementstrukturen auf dem Trägersubstrat erzeugt werden.

In einer Variante der Erfindung werden vorzugsweise vor dem Anordnen der Bauelementstrukturen von der Oberseite des Trägersubstrats her Sacklöcher erzeugt, die anschließend metallisiert oder mit elektrisch leitendem Material aufgefüllt werden, wobei über den aufgefüllten Sacklöchern oder in der Nähe der metallisierten Sacklöcher die Kontaktflächen gebildet werden. Auch die freiliegende Oberfläche eines mit Metall gefüllten Sacklochs kann als Kontaktfläche vorgesehen sein. In der bevorzugten Variante der Erfindung werden die Kontaktflächen in einer Metallschicht ausgebildet, die nach dem Metallisieren oder Auffüllen von Sacklöchern auf die Oberseite des Trägersubstrats aufgetragen wird.

Zum Freilegen der Metallisierung oder Metallfüllung der Sacklöcher auf der Unterseite des Trägersubstrats wird das Trägersubstrat von der Unterseite her gedünnt. Dabei entstehen die Durchkontaktierungen, welche vertikale elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktflächen auf der Oberseite des Trägersubstrats und den Anschlußflächen auf der Unterseite des Trägersubstrats darstellen.

Das Dünnen des Trägersubstrats kann vor oder nach dem Verbinden des Trägersubstrats und der Deckplatte erfolgen. Das Dünnen des Trägersubstrats erst nach dem Verbinden mit der Deckplatte hat den Vorteil, daß der Wafer, der aus dem Trägersubstrat und der Deckplatte gebildet ist, aufgrund einer höheren Dicke im Hinblick auf die mechanische Weiterverarbeitung wie Dünnen stabiler ist als das Trägersubstrat allein. Das Bauelement kann nun auf die vorgegebene (geringe) Bauelementhöhe gedünnt werden.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die für spätere Durchkontaktierungen im Trägersubstrat vorgesehenen Öffnungen bzw. Sacklöcher zunächst mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgekleidet und anschließend metallisierst oder mit elektrisch leitendem Material ausgefüllt. Die Auskleidung aus der elektrisch isolierenden Schicht kann vorzugsweise aus thermischem Oxid z. B. durch Rapid Thermal Processing erzeugt werden. Diese Variante der Erfindung ist besonders vorteilhaft – im Hinblick auf die elektrische Isolation der Durchkontaktierungen voneinander – bei einem Trägersubstrat mit zumindest einer Halbleiterschicht, welche verschiedene Durchkontaktierungen sonst elektrisch leitend verbinden würde.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann auf der Oberseite des Trägersubstrats oder auf der zum Trägersubstrat gewandten Seite der Deckplatte eine dielektrische Schicht vorgesehen sein, welche eine gute Haftung bzw. eine hermetisch dichte Verbindung zwischen den aneinander grenzenden Bereichen des Trägersubstrats und der Deckplatte gewährleistet.

Eine als elektroakustischer Wandler ausgeführte Bauelementstruktur kann z. B. in folgenden Verfahrensschritten gebildet werden:
Auf der Oberseite des Trägersubstrats wird eine piezoelektrische Schicht aufgetragen. Die piezoelektrische Schicht kann auf dem Trägersubstrat z. B. epitaktisch aufgewachsen werden. Auf der piezoelektrischen Schicht wird – vorzugsweise nach dem Ausbilden der metallisierten oder aufgefüllten, durch die piezoelektrische Schicht hindurch gehenden Sacklöcher im Verbund aus dem Trägersubstrat und der piezoelektrischen Schicht – eine strukturierte Metallschicht angeordnet, in welcher die Kontaktflächen und zumindest ein Teil der Bauelementstrukturen ausgebildet werden. Die Durchkontaktierungen werden in dieser Variante der Erfindung durch das Trägersubstrat und die piezoelektrische Schicht hindurch gebildet.

Eine als Dünnschicht-Resonator ausgeführte Bauelementstruktur kann z. B. in folgenden Verfahrensschritten gebildet werden:
Zumindest ein Teil der Bauelementstrukturen auf der Oberseite des Trägersubstrats wird als Schichtsystem ausgebildet, dessen Schichten übereinander aufgetragen und zu elektrisch miteinander verbundenen Dünnschicht-Resonatoren strukturiert werden. Dabei wird zunächst zumindest eine untere Elektrodenschicht, dann eine piezoelektrische Schicht und darauf zumindest eine obere Elektrodenschicht aufgetragen, wobei in der oberen und der unteren Elektrodenschicht jeweils Elektroden ausgebildet werden.

Beim Aufbau des Schichtsystems auf dem Trägersubstrat werden in einer vorteilhaften Variante der Erfindung zunächst Schichten zur Herstellung eines akustischen Spiegels und erst dann die untere Elektrodenschicht und darauffolgende Schichten des Schichtsystems aufgetragen. Die Dünnschicht- Resonatoren können auch über einer im Trägersubstrat vorgesehenen Ausnehmung angeordnet sein.

Vor dem Auftragen der jeweiligen Elektrodenschicht werden durch die bisher aufgebrachten Schichten des Schichtsystems hindurch über einigen der Kontaktflächen Öffnungen gebildet und auf diese Weise die Kontaktflächen von oben freigelegt, wobei die jeweilige Elektrodenschicht derart aufgetragen und strukturiert wird, daß die Öffnungen des Schichtsystems kantenbedeckend mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet werden und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen und den Elektroden der jeweiligen (insbesondere oberen) Elektrodenschicht hergestellt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen
1 schematisch ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Durchkontaktierungen in einem Substrat.
2 schematisch Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren.
3a die Ansicht von unten auf die großflächig ausgebildete Deckplatte, die mit einem Trägersubstrat zu verbinden ist.
3b die Ansicht von oben auf das großflächig ausgebildete Trägersubstrat, das mit der in 3a schematisch dargestellten Deckplatte verbunden ist.
4 schematisch Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements.
5 eine Variante der Erfindung, in der die Durchkontaktierungen im Trägersubstrat vor dem Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte erzeugt werden.
6 eine vorteilhafte Variante der Erfindung, in der auf die Oberseite des Trägersubstrats mit Bauelementstrukturen eine Verbindungsschicht aufgetragen wird, die beim Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte als Haftschicht dient.
7 eine Weiterbildung der Erfindung, in der die Verbindungsschicht auf die Unterseite der Deckplatte aufgetragen wird.
8 ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Bauelement mit vorteilhafter Ausbildung der Durchkontaktierungen.
1 zeigt ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen in einem Substrat SU. Im Substrat SU wird im Verfahrensschritt a) ein Sackloch DE zum Beispiel durch Ätzen erzeugt. Das Sackloch wird im Verfahrensschritt b) (insbesondere bei einem halbleitenden Substrat SU) vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgekleidet. Im darauf folgenden Verfahrensschritt c) wird auf die Oberseite des Substrats SU ein elektrisch leitendes Material FM aufgetragen, das auch die Sacklöcher DE ausfüllt. Im Verfahrensschritt d) wird das elektrisch leitende Material FM von der Oberseite des Substrats SU abgetragen, wobei das elektrisch leitende Material FM in den Sacklöchern verbleibt. Im Verfahrensschritt e) wird direkt über dem gefüllten Sackloch eine Kontaktfläche KF2 in einer Metallisierungsebene ME2 ausgebildet. Das Substrat SU wird von der Unterseite her zum Beispiel durch Dünnung der Scheiben durch Grinding und anschließendes Chemical Mechanical Polishing gedünnt, bis die Metallisierung des Sacklochs freigelegt wird. Im Verfahrensschritt f) wird direkt unterhalb der so gebildeten Durchkontaktierung DK eine Anschlußfläche KF1 in einer Metallisierungsebene ME1 ausgebildet.
In 2 ist die erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Die ersten, hier nicht dargestellten Verfahrensschritte entsprechen den Verfahrensschritten a) bis d) des in 1 schon erläuterten Verfahrens. Im nächsten Verfahrensschritt (siehe Schritt a) in 2) werden auf der Oberseite des Trägersubstrats TS nacheinander die Schichten eines akustischen Spiegels AK aufgetragen. Im Verfahrensschritt b) werden die Schichten des akustischen Spiegels AK zum Beispiel durch Ätzen derart strukturiert, daß zumindest Bereiche der Kontaktflächen KF2 freigelegt werden. Auch die zum Verbinden mit der Deckplatte vorgesehenen Bereiche der Oberseite des Trägersubstrats werden vorzugsweise freigelegt.
Im Verfahrensschritt c) wird zunächst eine untere Elektrodenschicht UE aufgebracht beziehungsweise strukturiert, so daß über dem akustischen Spiegel AK jeweils eine Elektrode gebildet wird, welche elektrisch mit der Kontaktfläche KF2 verbunden ist. Über der unteren Elektrode wird eine strukturierte piezoelektrische Schicht PS aufgebracht. Auf der piezoelektrischen Schicht PS wird eine obere Elektrodenschicht OE aufgebracht, in der über der unteren Elektrode eine obere Elektrode ausgebildet wird, die mit einer in dieser Figur nicht dargestellten Kontaktfläche elektrisch verbunden ist.
Die auf das Trägersubstrat TS übereinander aufgetragenen Schichten bilden die Schichten eines Schichtsystems SS. Die untere Elektrode, die piezoelektrische Schicht und die obere Elektrode bilden einen Dünnschicht-Resonator RE. Der Resonator RE und der akustische Spiegel AK bilden zusammen eine Bauelementstruktur BS.
Die Oberseite des Trägersubstrats mit darauf angeordneten Dünnschicht-Resonatoren wird in einer Variante der Erfindung vorzugsweise großflächig mit einer Trimmschicht TR z. B. aus Siliziumoxid überzogen, wobei die Trimmschicht die Bauelementstrukturen BS umgibt und mit dem Trägersubstrat TS dicht abschließt. Die Trimmschicht TR dient zum Beispiel zur Frequenzabstimmung des Bauelements und hier auch als Verbindungsschicht beziehungsweise Haftschicht beim Verbinden des Trägersubstrats TS mit der Deckplatte CAP.
In der bevorzugten Variante der Erfindung wird zunächst das Trägersubstrat TS mit der Deckplatte verbunden und erst dann von unten zur Ausbildung von Durchkontaktierungen gedünnt.
Die Deckplatte CAP weist eine Aushöhlung AH auf, die zum Trägersubstrat TS hin gewandt ist und beim Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte die Bauelementstrukturen BS (Verfahrensschritt d) gemäß 2) aufnimmt und über diese Bauelementstrukturen einen Hohlraum HR bildet.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird das Trägersubstrat TS von seiner Unterseite her noch vor dem Verbinden mit der Deckplatte gedünnt. Dabei werden die Sacklöcher DE in die entsprechenden Durchkontaktierungen DK umgewandelt.
Im Verfahrensschritt d) wird auf der Unterseite des Trägersubstrats TS eine Metallisierungsebene ME1 aufgetragen, in der als Außenkontakte des Bauelements vorgesehene Anschlußflächen KF1 ausgebildet sind. Die Anschlußflächen KF1 sind direkt unter den Durchkontaktierungen DK angeordnet.
In einer Variante der Erfindung kann die freigelegte Unterseite einer Durchkontaktierung selbst als Anschlußfläche benutzt werden.
3a zeigt in schematischer Ansicht von unten eine großflächige Deckplatte CAP, in der mehrere Aushöhlungen AH beispielsweise durch Pressen oder Ätzen ausgebildet sind und zu einer späteren Aufnahme der Bauelementstrukturen BS dienen.
Die Aushöhlungen AH werden vorzugsweise durch Phototechnik in einem Naßätzprozeß erzeugt.
In 3b ist eine schematische Draufsicht auf einen Wafer gezeigt, der durch das Verbinden des großflächig ausgebildeten Trägersubstrats TS und der großflächig ausgebildeten Deckplatte CAP entstanden ist. Die von außen nicht sichtbaren, die Bauelementstrukturen BS aufnehmenden Hohlräume HR sind mit gestrichelten Linien angedeutet. Die weiteren Linien TL geben die (gedachten) Trennlinien an, entlang derer die parallel auf dem Trägersubstrat erzeugten Bauelemente vereinzelt werden.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement. Im Verfahrensschritt a) wird auf das Trägersubstrat TS eine piezoelektrische Schicht PS aufgetragen. Im Verfahrensschritt b) werden im Verbund aus dem Trägersubstrat TS und der piezoelektrischen Schicht PS die Sacklöcher DE erzeugt, wobei das jeweilige Sackloch DE durch die piezoelektrische Schicht PS ganz hindurch geht.
Im Verfahrensschritt c) wird das Sackloch DE vorzugsweise mit einer elektrisch und/oder thermisch isolierenden Schicht IS ausgekleidet und mit einem elektrisch leitenden Material FM gefüllt. Das elektrisch leitende Material FM kann z. B. thermisch abgeschiedenes Wolfram oder eine elektrisch leitende Paste mit Rakel sein.
In allen Varianten der Erfindung ist es möglich, anstelle des vollständigen Auffüllens des Sacklochs DE nur die Oberfläche des Sachlochs DE zu metallisieren. Dabei ist es möglich, im gleichen Verfahrensschritt die mit dieser Metallisierung elektrisch verbundenen Kontaktflächen auszubilden.
Im Verfahrensschritt d) wird auf die piezoelektrische Schicht PS eine Metallisierungsschicht aufgetragen, die als zweite Metallisierungsebene ME2 vorgesehen ist.
Im Verfahrensschritt e) wird diese Metallisierungsschicht derart strukturiert, daß über den Sacklöchern DE die Kontaktflächen KF2 ausgebildet werden, die elektrisch mit den auch in der zweiten Metallisierungsebene ME2 ausgebildeten Bauelementstrukturen (hier z. B. Wandler WA) verbunden sind. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements nach dem Verfahrensschritt e) ist im schematischen Querschnitt (oben) und in schematischer Draufsicht von oben (direkt darunter) gezeigt.
Im Verfahrensschritt f) wird zum Beispiel auf das Trägersubstrat TS in den mit der Deckplatte zu verbindenden Bereichen eine Verbindungsschicht VS aufgetragen. Möglich ist es auch, die Verbindungsschicht VS alternativ auf der Unterseite der Deckplatte CAP zumindest in den Bereichen auf der Unterseite der Deckplatte CAP aufzutragen, die später mit dem Trägersubstrat TS verbunden werden. Die Verbindungsschicht VS dient zur hermetischen Abdichtung des Hohlraumes HR. In den Verfahrensschritten f) und g) werden (vor oder nach dem Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte) die Durchkontaktierungen DK und die Anschlußflächen KF1 z. B. in einem Verfahren gemäß 1 erzeugt.
In der in 4 vorgestellten Variante der Erfindung wird das Dünnen des Trägersubstrats erst nach dem Verbinden mit der Deckplatte vorgenommen. Das nachträgliche Dünnen des Trägersubstrats hat verglichen mit der Variante der Erfindung, in der statt Sacklöcher gleich durchgehende Öffnungen erzeugt werden, den Vorteil, daß das Trägersubstrat am Anfang eine zum Prozessieren erforderliche (große) Dicke aufweist, die später zur Verringerung der Gesamthöhe des Bauelements reduziert werden kann.
Es ist möglich, wie in 4 und 5 angedeutet, die Verbindungsschicht VS auf der piezoelektrischen Schicht PS vorzugsweise in den Bereichen aufzutragen, welche mit der Deckplatte CAP direkt gebondet werden. In der 5 ist außerdem angedeutet, daß die Durchkontaktierungen DK im Trägersubstrat TS noch vor dem Verbinden des Trägersubstrats mit der Deckplatte gebildet werden.
In der in 6 gezeigten Variante der Erfindung ist das Trägersubstrat TS aus halbleitendem Material, z. B. aus Silizium. Zur elekrischen Isolierung der Bauelementstrukturen BS (oder auch Kontaktflächen KF2) voneinander ist zwischen der zweiten Metallisierungsebene und dem Trägersubstrat eine elektrisch und vorzugsweise auch thermisch isolierende Schicht IS1 angeordnet.
Anstelle der isolierenden Schicht IS1 kann (in Verbindung mit einem Trägersubstrat aus dielektrischem oder halbleitendem Material) auch eine andere funktionale Schicht oder ein funktionales Schichtsystem vorgesehen werden, das z. B. als Verbindungsschicht zwischen dem Trägersubstrat und der Deckplatte dient. Die funktionalen Schichten können auch zur Frequenzabstimmung des Bauelements oder zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats und der unteren Schichten der Bauelementstrukturen BS dienen.
Die 7 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, in der die Verbindungsschicht VS großflächig auf die zum Trägersubstrat TS gewandte Seite der Deckplatte CAP aufgetragen ist.
In 8 ist ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Bauelement vorgestellt, bei dem die Durchkontaktierung DK, welche die Kontaktfläche KF2 und die Anschlußfläche KF1 miteinander verbindet, aus mehreren nebeneinander angeordneten, vertikalen, elektrisch leitenden Verbindungen gebildet ist.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist. die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist möglich, elektroakustisch aktive Strukturen wie z. B. Wandler und Reflektoren in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustellen, um die Eigenschaften des Bauelements in einer gewünschten Weise zu verändern. Ein erfindungsgemäßes Bauelement ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der dargestellten Elemente oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.

Claims

Elektronisches Bauelement mit einem Trägersubstrat (TS), mit einer auf dem Trägersubstrat (TS) angeordneten und fest mit diesem verbundenen Deckplatte (CAP), die zusammen mit dem Trägersubstrat (TS) einen Hohlraum (HR) bildet, wobei auf der Unterseite des Trägersubstrats (TS) eine erste Metallisierungsebene (ME1) und auf seiner Oberseite eine zweite Metallisierungsebene (ME2) vorgesehen sind, wobei die erste Metallisierungsebene (ME1) Anschlußflächen (KF1) aufweist, wobei in der zweiten Metallisierungsebene (ME2) Kontaktflächen (KF2) ausgebildet sind, wobei auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) elektroakustische, elektromechanische oder aktive Bauelementstrukturen (BS) angeordnet sind, die fest mit dem Trägersubstrat verbunden sind, wobei die Bauelementstrukturen (BS) im Hohlraum (HR) angeordnet und elektrisch mit den Kontaktflächen (KF2) verbunden sind, wobei im Trägersubstrat (TS) Durchkontaktierungen (DK) ausgebildet sind, welche die Kontaktflächen (KF2) mit den Anschlußflächen (KF1) elektrisch leitend verbinden.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Deckplatte (CAP) zumindest eine dielektrische Schicht umfaßt.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Trägersubstrat (TS) zumindest zwei Halbleiterschichten aufweist, zwischen denen eine isolierende Schicht vorgesehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Bauelementstrukturen (BS) zumindest einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (RE) realisieren.
Bauelement nach Anspruch 4, bei dem zwischen dem Resonator (RE) und dem Trägersubstrat (TS) ein akustischer Spiegel (AK) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen der zweiten Metallisierungsebene (MS2) und dem Trägersubstrat (TS) eine piezoelektrische Schicht (PS) angeordnet ist, bei dem die Bauelementstrukturen (BS) in der zweiten Metallisierungsebene (MS2) ausgebildet sind und dabei zumindest einen mit akustischen Oberflächen- oder Grenzwellen arbeitenden Wandler realisieren.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwischen der zweiten Metallisierungsebene (ME2) und dem Trägersubstrat (TS) eine elektrisch isolierende Schicht (IS1) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Außenseite der Deckplatte (CAP) metallisiert ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Deckplatte (CAP) zumindest eine Schicht aus Glas oder Quarz umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit folgenden Schritten: – Anordnen von Bauelementstrukturen (BS) auf der Oberseite eines Trägersubstrats (TS), welches auf seiner Oberseite Kontaktflächen (KF2) aufweist, und elektrisches Verbinden der Bauelementstrukturen (BS) mit den Kontaktflächen (KF2), – Bereitstellen einer Deckplatte (CAP) mit Aushöhlungen (AH) auf einer ihrer Hauptoberflächen, – Verbinden des Trägersubstrats (TS) und der Deckplatte (CAP) so, daß die Bauelementstrukturen (BS) zwischen dem Trägersubstrat (TS) und der Deckplatte (CAP) in einem durch die Aushöhlungen (AH) gebildeten Hohlraum (HR) eingeschlossen sind, – Erzeugen von Durchkontaktierungen (DK) im Trägersubstrat (TS), – Erzeugen von Anschlußflächen (KF1) auf der Unterseite des Trägersubstrats (TS).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Trägersubstrat (TS) mit zumindest einer Halbleiterschicht ausgebildet wird, bei dem zum Erzeugen der Durchkontaktierungen (DK) Öffnungen im Trägersubstrat erzeugt und zunächst mit einer elektrisch isolierenden Schicht (IS) ausgekleidet und anschließend metallisiert oder mit elektrisch leitendem Material ausgefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, – bei dem vor Verbinden des Trägersubstrats (TS) und der Deckplatte (CAP), vor oder nach dem Anordnen von Bauelementstrukturen (BS) auf dem Trägersubstrat (TS) zunächst Sacklöcher (DE) in der Oberseite des Trägersubstrats (TS) ausgebildet werden, die anschließend metallisiert oder mit elektrisch leitendem Material aufgefüllt werden, wobei über den aufgefüllten Sacklöchern (DE) oder in der Nähe der metallisierten Sacklöcher (DE) die Kontaktflächen (KF2) gebildet werden, – bei dem vor oder nach dem Verbinden des Trägersubstrats (TS) und der Deckplatte (CAP) das Trägersubstrat (TS) von der Unterseite her gedünnt wird, bis dort das Füllmaterial oder die Metallisierung der Sacklöcher (DE) freigelegt wird und so die Durchkontaktierungen (DK) des Trägersubstrats (TS) gebildet werden, – Bereitstellen von Anschlußflächen (KF1) auf der Unterseite des Trägersubstrats (TS).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Trägersubstrat (TS) mit zumindest einer Halbleiterschicht ausgebildet wird, bei dem vor dem Ausfüllen der Sacklöcher (DE) mit elektrisch leitendem Material diese Sacklöcher (DE) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (IS) ausgekleidet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das Trägersubstrat (TS) und die Deckplatte (CAP) mittels Kaltschweißen, anodischem Bondverfahren, Grid Bonding oder Löten verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) oder auf der zum Trägersubstrat (TS) gewandten Seite der Deckplatte (CAP) eine dielektrische Schicht (VS) vorgesehen wird, welche eine Verbindung zwischen den aneinander grenzenden Bereichen des Trägersubstrats (TS) und der Deckplatte (CAP) gewährleistet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem zunächst eine piezoelektrische Schicht (PS) auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) angeordnet wird, bei dem anschließend auf der piezoelektrischen Schicht (PS) eine strukturierte Metallschicht angeordnet wird, welche die Kontaktflächen (KF2) und zumindest einen Teil der Bauelementstrukturen (BS) umfaßt, bei dem die Durchkontaktierungen (DK) durch das Trägersubstrat (TS) und die piezoelektrische Schicht (PS) hindurch gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem zumindest ein Teil der Bauelementstrukturen (BS) auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) als Schichtsystem ausgebildet werden, dessen Schichten übereinander aufgetragen und zu elektrisch miteinander verbundenen Dünnschicht-Resonatoren (RE) strukturiert werden, wobei zunächst zumindest eine untere Elektrodenschicht (UE), dann eine piezoelektrische Schicht (PS) und darauf zumindest eine obere Elektrodenschicht (OE) aufgetragen wird, und wobei in der oberen und der unteren Elektrodenschicht (OE, UE) jeweils Elektroden ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem beim Aufbau des Schichtsystems auf dem Trägersubstrat (TS) zunächst Schichten zur Herstellung eines akustischen Spiegels (AK) und erst dann die untere Elektrodenschicht (UE) und darauffolgende Schichten des Schichtsystems aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem vor dem Auftragen der jeweiligen Elektrodenschicht (UE, OE) durch die bisher aufgebrachten Schichten des Schichtsystems hindurch Öffnungen erzeugt, und darin die Kontaktflächen (KF2) freigelegt werden, bei dem die jeweilige Elektrodenschicht (UE, OE) derart aufgetragen und strukturiert wird, daß die Öffnungen des Schichtsystems kantenbedeckend mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet werden und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen (KF2) und den Elektroden der jeweiligen Elektrodenschicht (UE, OE) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem auf die Oberfläche der Bauelementstrukturen (BS) und des Trägersubstrats (TS) eine dünne Schicht abgeschieden wird, die als Trimmschicht und als Verbindungsschicht (VS) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, bei dem mehrere Bauelemente in oder auf einem großflächigen, als Trägersubstrat (TS) dienenden Wafer ausgebildet, mit einer großflächigen Deckplatte (CAP) verbunden und anschließend vereinzelt werden.