EP1419102A2 - Verfahren zur herstellung von mikro-elektromechanischen bauelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von mikro-elektromechanischen bauelementen

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Publication number
EP1419102A2
EP1419102A2 EP02798641A EP02798641A EP1419102A2 EP 1419102 A2 EP1419102 A2 EP 1419102A2 EP 02798641 A EP02798641 A EP 02798641A EP 02798641 A EP02798641 A EP 02798641A EP 1419102 A2 EP1419102 A2 EP 1419102A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
support
producing
component
conductive channel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02798641A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen LEIB
Florian Bieck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Carl Zeiss AG
Schott Glaswerke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2001141571 external-priority patent/DE10141571B8/de
Priority claimed from DE10222959A external-priority patent/DE10222959B4/de
Application filed by Schott AG, Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Schott AG
Publication of EP1419102A2 publication Critical patent/EP1419102A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00301—Connecting electric signal lines from the MEMS device with external electrical signal lines, e.g. through vias
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/047—Optical MEMS not provided for in B81B2201/042 - B81B2201/045
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/09—Packages
    • B81B2207/091—Arrangements for connecting external electrical signals to mechanical structures inside the package
    • B81B2207/094—Feed-through, via
    • B81B2207/096—Feed-through, via through the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing micro-electromechanical components and to a housed micro-electromechanical component.
  • the invention relates to a method for producing housed micro-electromechanical components in a group with a structured support, and to a housed micro-electromechanical component with a structured support.
  • Micro-electromechanics is one of today's key technologies.
  • MEMS micro-electromechanical systems
  • sensor technology optics and communication technology.
  • MEMS components have been used as acceleration sensors for airbags in the automotive industry for several years.
  • NEXUS European marketing organization for MEMS products
  • annual growth rates of the MEMS industry are expected to be 20%.
  • MEMS modules there is often the problem that the contacts in their spatial arrangement are disruptive to the function of the mechanical components of the MEMS module.
  • the micromechanical structures are on the same side of one
  • connection In particular in the case of MEMS modules with optical functions, however, the connections have to be placed on a side which is opposite the side with the micromechanical elements, so that the micromechanical elements, for example, in the
  • the invention is therefore based on the object, the abovementioned disadvantages in MEMS devices, as well as to alleviate at "their production to eliminate or at least.
  • a micro-electromechanical component is made from a substrate having a first side and a second side substantially opposite the first side, at least the first side being at least one Has micro-electromechanical element, produced by inserting at least one conductive channel in the substrate, which connects the first side to the second side.
  • the inventive method creates an electrically conductive connection between the first and second sides of the substrate. The contacting of the micro-electromechanical elements can thus be moved to the side of the substrate opposite the elements in a particularly space-saving manner.
  • the method preferably further comprises the step of attaching at least one support on the first side of the substrate.
  • the order of the processing steps of attaching the pad and inserting the conductive channel is not fixed.
  • the support can be attached before or after the insertion of the channel.
  • the channel can also be inserted in several steps.
  • the support can also be attached between two process steps of insertion.
  • At least one of the steps of attaching the support or inserting at least one conductive channel in the wafer assembly is carried out. This allows a particularly economical production of MEMS modules. By attaching the support, at least partial packaging of the components in the wafer assembly is achieved, corresponding to "wafer level packaging".
  • the conductive channel in particular an electrical via for the electrical connection of the micromechanical components of the opposite side of the substrate.
  • the electrically conductive channel can be inserted in various ways, the various processing options also being able to be selected depending on the material of the substrate.
  • the step of inserting the conductive channel may include the step of forming a recess by removing substrate material.
  • the depressions can be produced using various methods.
  • such depressions can be produced using a dry etching process.
  • anisotropic _ is particularly suitable for silicon semiconductor substrates.
  • Dry etching processes such as the “ASE process , ⁇ based on SF S radicals.
  • various wet etching process suitable for such semiconductor substrates "such as the anisotropic etching with KOH-liquor, which lends itself for Si wafers in (100) orientation.
  • Can also aschallschwingläppen grinding or Ult be applied for the production of wells.
  • the method can also advantageously include the step of inserting the conductive channel and the step of filling the channel with an electrically conductive material.
  • a conductive epoxy can be used as the material. Filling with such an epoxy represents an easy-to-carry out variant of the method.
  • the conductive material comprises a metal which is electrodeposited in the recess.
  • Electrically conductive connections can also be produced by means of doping or ion implantation, so that removal of the substrate material is unnecessary, at least for the doped regions.
  • the method additionally comprises the step of producing at least one electrical contact surface.
  • the electrically conductive channel can be in direct contact with the contact surface or connected to it via an electrical connection, such as a conductor track.
  • the contact surface is preferably generated on the first side of the substrate.
  • the substrate can also advantageously be thinned out. This ensures, among other things, that the required depth of the conductive channel can be reduced. It is particularly advantageous if the substrate is thinned out after the support has been attached. In this way, since the support connected to the substrate gives the substrate additional strength, the substrate can continue to expand be thinned out without mechanically overloading and thus destroying the substrate than would be possible without a fixed support.
  • the substrate is glued to the support, for example a thin glass pane, on the first side. This protects the micromechanical elements on the substrate and the arrangement gains additional stability.
  • a suitable epoxy resin can generally be used as the adhesive.
  • the back of the substrate can then be mechanically thinned out by a grinding process, the mechanical stability being further guaranteed by the support.
  • Electrically conductive channels can be produced with the aid of thin grinding of the substrate, among other things, by photolithographically structuring the first side of the optical chip and introducing depressions in the form of etching pits.
  • the conductive channels are preferably located next to the contact areas or bond pads for connecting the micro, electromechanical elements.
  • the etching pits are then filled with a conductor and a conductor track is applied from the etching pit to the bond pad.
  • the transparent cover can then be applied and the wafer is then thinned out on the back until the conductive fillings of the etching pits emerge on the second side.
  • the substrate can comprise a variety of suitable materials. In addition to those commonly used for MEMS modules
  • the substrate can also include glasses, metals, ceramics, piezoelectric materials, plastics or composite materials.
  • the method can also advantageously be refined further by producing a structured support.
  • the structuring can take place either wholly or in part in the state already joined to the substrate, or separately from it.
  • the structuring of the support can advantageously include the insertion of at least one structure forming a cavity and / or a through opening.
  • the cavity can serve, for example, to hold fluids, or can also enclose protruding parts of the micro-electromechanical elements on the substrate.
  • a through opening for example, a connection of the micro-electromechanical elements to the surroundings can be created, so that light can hit the micromechanical components unhindered.
  • the pad can also be structured to include at least one trench, particularly a V-groove, the trench preferably extending in one direction along the surface of the pad.
  • Such trenches can be used, among other things, to receive optical fibers.
  • An element inserted into the fit can thus be inserted with precise alignment with the substrate or the micromechanical elements.
  • Such a fit is particularly suitable for optical elements such as waveguides, optical lenses or prisms.
  • the optical elements can not only be connected to the support by mechanical fits. Rather, the support itself can also be structured so that it has optical components.
  • Such integrated optical elements can include lenses or gratings.
  • the step of structuring the support comprises the step of producing a spacer, in particular for at least one optical element and / or at least one further support.
  • Spacers can be used, for example, to increase the focal length of lenses and thus to reduce their image errors.
  • a spacer can also be useful for other components and other purposes.
  • the spacer can, for example, also create a defined distance from another micromechanical component.
  • the step of producing a structured support also includes the step of producing a receptacle, in particular for fluids and / or optical elements and / or piezoelectric elements and / or micromechanical ones Includes elements and / or electronic components. This refinement of the manufacturing process creates the possibility of integrating diverse functions in parallel in a MEMS component.
  • MEMS elements can also be located on opposite sides of the substrate.
  • the method can therefore also include the step of inserting further channels which establish a functional connection between the structures.
  • light-conducting, fluid-conducting or heat-conducting channels are particularly suitable for this.
  • the at least one conductive channel is inserted from the first side of the substrate and the support is fixed after the at least one conductive channel has been inserted.
  • the at least one conductive channel is inserted from the second side of the substrate.
  • the cover can be attached before or after inserting the channel.
  • the method can also include the step of applying a solder bump to the at least one conductive channel.
  • a solder bump is produced on the second side of the substrate in this way.
  • the through-contact created by means of the conductive channel inserted into the substrate also results in the particularly advantageous possibility of adding further substrates.
  • the substrates can be integrated semiconductor circuit arrangements or substrates with others Include MEMS elements. The method according to the invention thus enables the production of three-dimensional MEMS systems or three-dimensional MEMS modules.
  • the microelectromechanical component having a substrate with a first side and a second side substantially opposite the first side and wherein the first side of the micro-electromechanical component comprises at least one micromechanical element.
  • the substrate additionally has at least one electrically conductive channel which connects the first and the second side.
  • the component has a support which is connected to the first side of the substrate.
  • the pad protects the micro-electromechanical elements from harmful environmental influences, such as, for example, from the risk of mechanical damage.
  • the cover of the component can be at least one optical
  • the support can also have at least one cavity and / or a through opening, for example in order to be able to receive or conduct fluids.
  • the support can advantageously also have at least one fit.
  • a fit permits the exact alignment of the elements contained therein.
  • the fit can be adapted to accommodate an optical element, in particular a lens and / or a waveguide and / or a grating and / or a prism.
  • the edition can also include at least one receptacle.
  • a circuit arrangement and / or a piezoelectric component and / or an active or passive electronic element can be accommodated in the receptacle.
  • additional functions can be integrated into the component.
  • an electronic circuit can be accommodated there, which provides the voltages for controlling the micro-electromechanical elements.
  • active or passive electronic filter elements can also be accommodated, which can serve, for example, to stabilize the control voltages of a micro-electromechanical element.
  • the support can be connected to the substrate by an adhesive bond, in particular by means of epoxy resin.
  • the overlay can also have several layers. Among other things, these can serve to increase the strength. Can also be combined several layers combine different functional structures on and within the overlay. For example, a multi-element optic can be integrated into the support.
  • a component By means of the plated-through hole produced by the conductive channels, in particular a component can be produced which has a plurality of substrates stacked on top of one another.
  • substrates with integrated electronic circuits can also be combined with the first substrate, for example.
  • the individual substrates can also comprise different materials.
  • such a multilayer component comprises at least two substrates arranged one above the other, the further substrate having at least one connection contact and wherein there is an electrical contact between the at least one electrically conductive channel of the substrate and the connection surface of the at least one further substrate.
  • FIG. 1A to IE the method steps for producing a microelectromechanical component according to a first embodiment of the method according to the invention
  • 2A to 2B a variant of the method steps shown with reference to FIGS. 1D and IE
  • FIG. 2C a cross-sectional view through a MEMS module separated from the wafer
  • FIGS. 3A to 3D the method steps for producing a micro-electromechanical component according to another
  • Embodiment of the method according to the invention on the basis of cross-sectional views through a wafer, and FIG. 4 a MEMS module with a multilayer, structured support and substrates stacked on top of one another.
  • FIGS. 1A to IE which, based on cross-sectional views of a section of a substrate wafer 1, represent the method steps for producing a micro-electromechanical component according to a first embodiment of the method according to the invention.
  • the method steps shown below are carried out in this embodiment in the wafer assembly.
  • the wafer 1 was provided with micro-electromechanical structures 5 up to the processing phase shown in FIG. 1A.
  • a plurality of dies 11, 12, 13 are located on the wafer 1, of which the die designated by 11 is shown in full.
  • the individual microelectromechanical components are obtained after the dies 11, 12, 13 in the wafer assembly.
  • the micro-electromechanical elements 5 are for the Power supply connected to contact surfaces 3.
  • Contact surfaces and micro-electromechanical structures are located on the first side 2 of the substrate 6 of the wafer 1. The aim now is to establish electrical contact on the second side 4 of the substrate 6 in order to arrange the elements of a MEMS component and the possibility of stacking with other substrates.
  • FIG. 1B shows a further processing step.
  • Wells 7 are inserted into the substrate 6. These can be inserted into the substrate, for example, using a suitable etching procedure.
  • Anisotropic etching of a Si (100) substrate with KOH is suitable for the production of the etching pits, in which case etching pits with an opening angle of approximately 70 ° are formed.
  • the insertion of the depressions is independent of the manufacture of the micro-electromechanical elements and the contact areas. The order of these processing steps is therefore not mandatory.
  • electrical connections 9 are then made between the depressions 7 and the contact surfaces 3.
  • the etching pits 7 and regions of the first side 2 between the etching pits 7 can be coated with a metal.
  • a metal layer is formed as an electrical connection 9, which is located on the walls of the etching pits and on areas between the etching pits, the layer at least partially covering the contact areas in order to produce reliable contacting.
  • Aluminum for example, is suitable as the contacting metal.
  • the metal-coated depressions 7 are then filled with a conductive material, as shown with reference to FIG. 1D, so that fillings 15 are located in the depressions 7.
  • the depressions 7 do not extend through the substrate 6 in this exemplary embodiment. In the processing phase shown in FIG. 1D, they therefore do not yet form any conductive channels which connect the first side 8th 2 to the second side 4. In order to produce these channels, the wafer 1 can be ground thinly from the second side 4 in a further processing step, which is shown in FIG. IE, until the conductive material of the fillings becomes apparent on the second side 4 and forms contact surfaces 17. The depression 7 filled with the filling 9 thus forms an electrically conductive channel which connects the first side 2 of the substrate 6 to the second side 4.
  • FIGS. 2A and 2B show a variant of the processing steps shown with reference to FIGS. 1D and IE.
  • the method differs in that a support -19 is attached to the first side 2 of the substrate 6.
  • the support 19 for optical MEMS applications can comprise a transparent wafer, so that light can fall on the MEMS elements 5.
  • the support 19 also has a structure which forms a cavity 21 when the wafer 1 is assembled. The cavity creates a hermetic seal for the MEMS elements 5, for example, without restricting their mobility.
  • the cavity 21 can also be designed to receive and conduct fluids.
  • the support can be glued to the substrate 6, for example, so that there is an adhesive bond 20 between the support 19 and the first side 2 of the substrate 6.
  • the pad 19 also gives the overall structure additional mechanical strength.
  • the wafer 1 is mechanically supported by the support. It is thereby achieved that the wafer 1 can be ground thinner than is the case with a self-supporting wafer as in FIG. IE.
  • the thinning processing step is shown in Fig. 2B. Fastening the support offers the additional advantage here that the sensitive MEMS elements 5 are protected from damage during processing.
  • solder bumps 23 are applied to the contact surfaces 17 of the conductive channels 8 in order to be able to establish an electrical connection, for example to a circuit board or another module.
  • the solder balls form a "ball grid array" on the wafer 1.
  • FIG. 2C shows a MEMS module 27 in cross-sectional view, which is obtained from a wafer composite as shown in FIG. 2B after further processing steps.
  • the module is produced by dicing or separating the die 11 from the wafer 1.
  • the module is additionally provided with an encapsulation 25.
  • the encapsulation can be made, for example, from an epoxy resin.
  • the encapsulation can be partially ground again on the side of the module on which the solder bumps 23 are located, so that the solder bumps partially be exposed. This enables subsequent soldering to another component by melting the partially ground solder balls.
  • FIGS. 3A to 3E show the processing steps for the production of a MEMS module in accordance with a further embodiment of the invention. In this embodiment of the method, too, the processing steps are carried out in the wafer assembly.
  • the processing state of the wafer shown in FIG. 3A essentially corresponds to that of the wafer shown in FIG. 1A.
  • An electromechanically adjustable mirror arrangement is shown as an example in FIG. 3A as the micro-electromechanical element 5. Also in this one
  • the micro-electromechanical elements 5 of the dies are connected to one or more contact surfaces 3 for the electrical supply.
  • FIG 3B shows the wafer composite after the wafer 1 has been connected to a structured support 19.
  • the support 19 in this case has a through opening 29.
  • the support 19 additionally includes a mechanical fit 31.
  • the mechanical fit is adapted to accommodate a lens 33.
  • the lens focuses
  • 3D shows the wafer composite after the insertion of fillings 15 made of conductive material into the recesses 7.
  • the conductive fillings which are in electrical contact with the contact surfaces 3, create a conductive channel 8 which connects the first side 2 with the second Side 4 of the substrate 6 connects.
  • contact surfaces 17 are created again by inserting the fillings 15. These can be provided with soldering beads 23 again for the electrical connection of the MEMS structures 5.
  • the wafer 1 was again provided with an encapsulation 26 on the second side 4, so that extensive packaging is produced in the wafer composite.
  • the encapsulation can consist, for example, of a plastic material, such as an epoxy resin.
  • the encapsulation can be partially ground off before the dies are separated from the wafer 1, or from the wafer composite comprising wafer 1 and pad 19, until the solder bumps are partially exposed on the surface.
  • FIG. 4 is a MEMS module with a multilayer, structured support and shows stacked substrates in cross-sectional view.
  • the MEMS component comprises a substrate 6, which was processed in accordance with the method steps shown with reference to FIGS. 3A to 3D.
  • the embodiment shown in FIG. 4 comprises a multilayered support 19.
  • the support 19 is composed of the layers 191, 192, 193 and 194.
  • the layers 191 and 193 each have a through opening 29.
  • a layer 192 is inserted between these layers and is structured in such a way that it has an optical element, in this exemplary embodiment an integrated optical lens 37.
  • the layers 191 and 193 serve as spacers for the lens 37 and for the layer 194, which has mechanical fits 31 for waveguides 39.
  • a further substrate 35 was also attached to the substrate 6.
  • the further substrate 35 comprises an active layer 37 with integrated semiconductor circuits. These can be used, for example, to control the MEMS elements 5 . serve. Alternatively, the stack with one or more MEMS modules is also possible in this way.
  • the further substrate 35 likewise has contact areas 3 like substrate 6.
  • the contacting of the MEMS elements 5 takes place via the through-plating by means of the conductive channels 8 of the substrate 6 and the soldering beads 23 attached to the channels 8, which are soldered to the contact surfaces 3 of the further substrate 35.
  • the contact surfaces 3 of the further substrate 35 are in turn connected in the same way as described above via electrically conductive channels 8 to the opposite side of the further substrate 35.
  • the Contacts for supplying the active layer 37 are laid on the opposite side of the substrate 35. In this way, all the electrical contacts of the stacked component are on the side opposite the waveguides.
  • the side of the component 27 from which the waveguides are fed thus remains completely free of interfering bonding wires or other contacts on the component.
  • Solder beads are again applied to the conductive channels 8 of the further substrate.
  • Packing of the parts 6, 35 and 191 to 194 joined together in the wafer composite can take place in the same way as explained with reference to FIG. 2C, in that an encapsulation layer 26 is applied to the side of the substrate 35 with the soldering beads and this is then ground again until the

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Abstract

Um eine platzsparende Kontaktierung von mikro-elektromechanischen Bauelementen zu schaffen, sieht die Erfindung vor, ein mikro-elektromechanisches Bauelement (27) aus einem Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), wobei zumindest die erste Seite (2) wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element (5) aufweist, herzustellen, indem in das Substrat (6) zumindest ein leitender Kanal (8) eingefügt wird, welcher die erste Seite (2) mit der zweiten Seite (4) verbindet.

Description

Verfahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Bauelementen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Bauelementen, sowie ein gehäustes mikro-elektromechanisches Bauelement. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung gehäuster mikro- elektromechanischer Bauelemente im aferverband mit einer strukturierten Auflage, sowie ein gehäustes mikro- elektromechanisches Bauelement mit einer strukturierten Auflage .
Die Mikro-Elektromechanik gilt als eine der heutigen Schlüsseltechnologien. Für mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) gibt es zahlreiche potentielle und bereits existierende Anwendungen, in der Sensortechnik, Optik und Kommunikationstechnik. So finden MEMS-Bauelemente bereits seit einigen Jahren Anwendungen als Beschleunigungssensoren für Airbags in der Automobilindustrie. Nach einer Marktforschungsstudie aus dem Jahr 2002 durch die Europäische Marketingorganisation für MEMS-Produkte NEXUS ist mit jährlichen Wachstumsraten der MEMS-Industrie von 20% auszugehen. Bei MEMS-Bausteinen ergibt sich jedoch häufig das Problem, daß die Kontaktierungen in ihrer räumlichen Anordnung störend für die Funktion der mechanischen Komponenten des MEMS- Bausteins sind. In der Regel befinden sich die mikromechanischen Strukturen auf derselben Seite eines
Bausteins, wie dessen elektrische Anschlüsse. Insbesondere bei MEMS-Bausteinen mit optischen Funktionen müssen die Anschlüsse jedoch auf eine Seite gelegt werden, die der Seite mit den mikromechanischen Elementen gegenüberliegt, so daß die mikromechanischen Elemente beispielsweise bei der
Befestigung auf einer Platine nicht verdeckt werden. Die Kontakte werden hierzu im allgemeinen in der Gehäusung des Bausteins seitlich um das mikro-elektromechanische Bauelement herum geführt. Nachteilig ist hierbei insbesondere, daß diese Art der Kontaktierung sehr platzraubend ist und somit eine
Miniaturisierung entgegensteht. Eine derartige Kontaktierung erfordert zudem, daß die Bauelemente vereinzelt wurden, um das Herumführen von Kontakten zu ermöglichen. Dementsprechend ist diese Methode auch nicht geeignet, um im Waferverbund durchgeführt zu werden.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die oben genannten Nachteile bei MEMS-Bauelementen, sowie bei" deren Herstellung zu beseitigen oder zumindest zu mildern.
Diese Aufgabe wird bereits in überraschend einfacher Weise durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie ein MEMS- Bauelement gemäß Anspruch 29 gelöst.
Erfindungsgemäß wird dabei ein mikro-elektromechanisches Bauelement aus einem Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite im wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei zumindest die erste Seite wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element aufweist, hergestellt, indem in das Substrat zumindest ein leitender Kanal eingefügt wird, welcher die erste Seite mit der zweiten Seite verbindet . Durch das erfindungsgemäße Verf hren wird auf diese Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Seite des Substrats geschaffen. Somit kann in besonders platzsparender Weise die Kontaktierung der mikro-elektromechanischen Elemente auf die den Elementen gegenüberliegende Seite des Substrats verlegt werden.
Bevorzugt umfaßt das Verfahren weiterhin den Schritt des Befestigens zumindest eine Auflage auf der ersten Seite des Substrats. Dabei ist die Reihenfolge der Verarbeitungsschritte des Befestigens der Auflage und des Einfügens des leitenden Kanals nicht festgelegt.
Beispielsweise kann das Befestigen der Auflage vor oder nach dem Einfügen des Kanals vorgenommen werden. Ebenso kann das Einfügen des Kanals auch in mehreren Schritten erfolgen. In diesem Fall kann die Auflage auch zwischen zwei Prozeßschritten des Einfügens befestigt werden.
Besonders bevorzugt wird dabei zumindest einer der Schritte des Befestigens der Auflage oder des Einfügens von zumindest einem leitenden Kanal im Waferverband durchgeführt. Dies erlaubt eine besonders ökonomische Herstellung von MEMS- Bausteinen. Durch das Befestigen der Auflage wird außerdem eine zumindest teilweise Verpackung der Bausteine im Waferverband, entsprechend einem "Wafer- evel-Packaging" erreicht .
Mittels des leitenden Kanals kann in vorteilhafter Weise insbesondere eine elektrische Durchkontaktierung zum elektrischen Anschluß der mikromechanischen Komponenten von der gegenüberliegenden Seite des Substrats her geschaffen werden. Auf diese Weise können auf der Seite des Substrats, welche die mikromechanischen Komponenten aufweist, platzraubende und die Funktion des Bauteils störende Kontaktierungen vermieden werden.
Das Einfügen des elektrisch leitenden Kanals kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen, wobei die verschiedenen Bearbeitungsmöglichkeiten auch abhängig vom Material des Substrats gewählt werden können.
Insbesondere kann der Schritt des Einfügens des leitenden Kanals den Schritt des Hersteilens einer Vertiefung durch Abtragen von Substratmaterial umfassen.
Die Vertiefungen können abhängig vom Substratmaterial mit verschiedenen Verfahren erzeugt werden. Beispielsweise sind solche Vertiefungen mittels eines Trockenätzverfahrens herstellbar. Geeignet ist beispielsweise für Silizium- Halbleitersubstrate insbesondere ein anisotropes _
Trockenätzverfahren wie zum Beispiel der auf SFS-Radikalen basierende „ASE-Prozeß,λ . Auch verschiedenen Naßätzverfahren sind für solche Halbleitersubstrate geeignet , "wie etwa das anisotrope Ätzen mit KOH-Lauge, welche sich bei Si-Wafern in (100) -Orientierung anbietet. Auch Schleifen oder Ult aschallschwingläppen kann zur Herstellung von Vertiefungen angewendet werden.
Vorteilhaft kann das Verfahren außerdem der Schritt des Einfügens des leitenden Kanals den Schritt des Auffüllens des Kanals mit einem elektrisch leitenden Material umfassen. Als Material kann unter anderem ein leitendes Epoxid verwendet werden. Das Auffüllen mit einem solchen Epoxid stellt dabei eine einfach durchzuführende Variante des Verfahrens dar. Um einen leitenden Kanal mit besonders niedrigem elektrischen Widerstand erreichen zu können, ist es von Vorteil, wenn das leitende Material ein Metall umfaßt, welches galvanisch in der Vertiefung abgeschieden wird.
Elektrisch leitende Verbindungen können ebenso auch mittels Dotierung oder Ionenimplantation hergestellt werden, so daß zumindest für die dotierten Bereiche ein Abtrag des Substratmaterials entbehrlich ist.
Insbesondere um eine Verbindung des mikro-elekromechanisehen Elements zu dem elektrisch leitenden Kanal für die
Durchkontaktierung elektrischer Verbindungen zu schaffen, ist es von Vorteil, wenn das Verfahren zusätzlich den Schritt des Herstellens zumindest einer elektrischen Kontaktfläche umfaßt . Der elektrisch leitende Kanal kann dabei in direktem Kontakt mit der Kontaktfläche stehen oder an diese über eine elektrische Verbindung, wie etwa eine Leiterbahn angeschlossen sein.
Bevorzugt wird dabei die Kontaktfläche auf der ersten Seite des Substrats erzeugt.
Das Substrat kann weiterhin mit Vorteil ausgedünnt werden. Dadurch wird unter anderem erreicht, daß die erforderliche Tiefe des leitenden Kanals reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn das Ausdünnen des Substrats nach dem Befestigen der Auflage erfolgt. Da die mit dem Substrat verbundene Auflage dem Substrat zusätzliche Festigkeit verleiht, kann auf diese Weise das Substrat weiter ausgedünnt werden, ohne das Substrat mechanisch zu überlasten und somit zu zerstören, als dies ohne befestigte Auflage möglich wäre. Beispielsweise wird gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens das Substrat auf der ersten Seite mit der Auflage, etwa einer dünnen Glasscheibe verklebt. Die mikromechanischen Elemente auf dem Substrat werden dadurch geschützt und die Anordnung gewinnt zusätzliche Stabilität. Als Kleber kann allgemein ein geeignetes Epoxidharz verwendet werden. Das Substrat kann danach auf der Rückseite mechanisch durch einen Schleifprozeß ausgedünnt werden, wobei die mechanische Stabilität weiterhin durch die Auflage gewährleistet wird.
Elektrisch leitende Kanäle können unter anderem unter Zuhilfenahme des Dünnschleifens des Substrats hergestellt werden, indem die erste Seite des optischen Chips photolithographisch strukturiert und Vertiefungen in der Form von Ätzgruben eingebracht werden. Die leitenden Kanäle befinden sich in dieser Variante bevorzugt neben den Kontaktflächen oder Bondpads zum Anschluß der.mikro-, elektromechanischen Elemente. Die Ätzgruben werden danach mit einem Leiter aufgefüllt und eine Leiterbahn von der Ätzgrube zum Bondpad aufgebracht . Danach kann die transparente Abdeckung aufgebracht werden und der Wafer wird daraufhin auf der Rückseite solange ausgedünnt, bis die leitenden Auffüllungen der Ätzgruben auf der zweiten Seite hervortreten.
Das Substrat kann eine Vielzahl von geeigneten Materialien umfassen. Neben den für MEMS-Bausteine gebräuchlichen
Halbleitermaterialien kann das Substrat ebenso auch Gläser, Metalle, Keramiken, piezoelektrische Materialien, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe umfassen. Das Verfahren kann außerdem vorteilhaft weiter verfeinert werden, indem eine strukturierte Auflage hergestellt wird. Das Strukturieren kann dabei sowohl ganz oder teilweise im bereits mit dem Substrat zusammengefügten Zustand, als auch getrennt von diesem erfolgen.
Das Strukturieren der Auflage kann mit Vorteil das Einfügen zumindest einer eine Kavität und/oder einer Durchgangsöffnung bildenden Struktur umfassen. Die Kavität kann beispielsweise zur Aufnahme von Fluiden dienen, oder auch hervorstehende Teile der mikro-elektromechanischen Elemente auf dem Substrat umschließen. Mit einer Durchgangsöffnung kann beispielsweise eine Verbindung der mikro-elektromechanischen Elemente zur Umgebung geschaffen werden, so daß etwa Licht ungehindert auf die mikromechanischen Komponenten treffen kann.
Die Auflage kann außerdem so strukturiert werden, daß sie zumindest einen Graben, insbesondere einer V-Nut umfaßt, wobei der Graben sich vorzugsweise in einer Richtung entlang der Oberfläche der Auflage erstreckt. Solche Gräben können unter anderem dazu verwendet werden, optische Fasern aufzunehmen.
Allgemein kann mittels des Strukturierens eine mechanische
Passung in oder auf der Auflage geschaffen werden. Damit kann ein in die Passung eingefügtes Element unter genauer Ausrichtung zum Substrat, beziehungsweise den mikromechanischen Elementen eingefügt werden. Eine solche Passung ist insbesondere für optische Elemente, wie beispielsweise Wellenleiter, optische Linsen oder Prismen geeignet. Die optischen Elemente können mit der Auflage jedoch nicht nur durch mechanische Passungen verbunden werden. Vielmehr kann die Auflage auch selbst so strukturiert werden, daß sie optische Komponenten aufweist. Solche integrierten optischen Elemente können etwa Linsen oder Gitter umfassen.
Vorteilhaft für bestimmte MEMS-Anwendungen kann es auch sein, wenn der Schritt des Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens eines Abstandhalters, insbesondere für zumindest ein optisches Element und/oder zumindest eine weitere Auflage umfaßt. Mit Abstandhaltern kann beispielsweise die Brennweite von Linsen erhöht und damit deren Bildfehler erniedrigt werden. Ein Abstandhalter kann jedoch auch für andere Komponenten und andere Zwecke nützlich sein. Der Abstandhalter kann beispielsweise auch einen definierten Abstand zu einer weiteren mikromechanischen Komponente schaffen.
MEMS-Bausteine für komplexere Anwendungen lassen, §ich erfindungsgemäß unter anderem mit Vorteil herstellen, indem außerdem der Schritt des Herstellens einer strukturierten Auflage den Schritt des Herstellens einer Aufnahme, insbesondere für Fluide und/oder optische Elemente und/oder piezoelektrische Elemente und/oder mikromechanische Elemente und/oder elektronische Bauelemente umfaßt. Mit dieser Verfeinerung des Herstellungsverfahrens wird die Möglichkeit geschaffen, vielfältige Funktionen parallel in ein MEMS- Bauelement zu integrieren.
Für bestimmte Anwendungen können MEMS-Elemente sich auch auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden. Für derartige Strukturen kann es besonders von Vorteil sein, wenn zwischen den Strukturen auf gegenüberliegenden Seiten eine Verbindung geschaffen wird. Das Verfahren kann daher außerdem den Schritt des Einfügens weiterer Kanäle umfassen, welche eine funktioneile Verbindung zwischen den Strukturen herstellen. Besonders geeignet dafür sind beispielsweise lichtleitende, fluidleitende oder wärmeleitende Kanäle.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumindest eine leitende Kanal von der ersten Seite des Substrats her eingefügt und die Auflage nach dem Einfügen des zumindest einen leitenden Kanals befestigt .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform wird der zumindest eine leitende Kanal von der zweiten Seite des Substrats her eingefügt. Dabei kann die Abdeckung vor oder nach dem Einfügen des Kanals befestigt werden.
Um den MEMS-Baustein entweder auf einer Platine oder auf einem weiteren Substrat zu befestigen und die erforderliche elektrische Kontaktierung des Bausteins herzustellen, kann das Verfahren außerdem den Schritt des Aufbringens einer Lötperle auf den zumindest einen leitenden Kanal umfassen. Bei einer Vielzahl von elektrischen Anschlüssen mit entsprechenden zugeordneten leitenden Kanälen zur Durchkontaktierung durch das Substrat wird auf diese Weise ein "Ball Grid Array" auf der zweiten Seite des Substrats erzeugt .
Durch die mittels des in das Substrat eingefügten leitenden Kanals geschaffene Durchkontaktierung ergibt sich außerdem die besonders vorteilhafte Möglichkeit, weitere Substrate anzufügen. Beispielsweise können die Substrate integrierte Halbleiter-Schaltungsanordnungen oder Substrate mit weiteren MEMS-Elementen umfassen. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung dreidimensionaler MEMS-Systeme, beziehungsweise dreidimensionaler MEMS- Bausteine ermöglicht .
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, ein mikro- elektromechanischen Bauelement anzugeben, welches insbesondere mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei das mikro-elektromechanische Bauelement ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite im wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite, aufweist und wobei die erste Seite des mikro- elektromechanischen Bauelements wenigstens ein mikromechanisches Element umfaßt. Dabei weist das Substrat zusätzlich zumindest einen elektrisch leitenden Kanal auf, welcher die erste und die zweite Seite verbindet.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des Bauelements weist dieses eine Auflage auf, welche mit der ersten Seite des Substrats verbunden ist. Die, Auflage schützt die mikro-elektromechanischen Elemente vor schädliche Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise vor der Gefahr mechanischer Beschädigungen.
Die Abdeckung des Bauelements kann zumindest ein optisches
Element, insbesondere ein Prisma und/oder ein Gitter und/oder eine Linse und/oder einen optischen Filter aufweisen. Damit können für optische Anwendungen vorteilhaft bestimmte optische Funktionen bereits in das Bauelement integriert werden, wodurch sich etwa auch ein Gesamtaufbau eines optische Systems mit MEMS-Bauelement in kompakterer Bauweise realisieren läßt. Die Auflage kann außerdem zumindest eine Kavität und/oder eine Durchgangsöffnung aufweisen, beispielsweise um Fluide aufnehmen oder leiten zu können.
Die Auflage kann vorteilhaft auch zumindest eine Passung aufweisen. Eine solche Passung gestattet die exakte Ausrichtung darin aufgenommener Elemente. Beispielsweise kann die Passung zur Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere einer Linse und/oder eines Wellenleiters und/oder eines Gitters und/oder eines Prismas angepaßt sein.
Neben solchen Passungen kann die Auflage auch zumindest eine Aufnahme umfassen. In der Aufnahme können unter anderem eine Schaltungsanordnung und/oder eine piezoelektrische Komponente und/oder ein aktives oder passives elektronisches Element untergebracht sein. Auf diese Weise lassen sich zusätzliche Funktionen in das Bauelement integrieren. Beispielsweise kann dort eine elektronische Schaltung aufgenommen sein, welche die Spannungen zur Ansteuerung der mikro-elektromechanischen Elemente bereitstellt. Es können auf diese Weise auch zum Beispiel aktive oder passive elektronische Filterelemente aufgenommen werden, welche etwa zur Stabilisierung der Steuerspannungen eines mikro-elektromechanischen Elements dienen können.
In besonders einfacher Weise kann die Auflage mit dem Substrat durch eine Verklebung, insbesondere mittels Epoxidharz verbunden sein.
Insbesondere kann die Auflage auch mehrere Schichten aufweisen. Diese können unter anderem zur Erhöhung der Festigkeit dienen. Auch lassen sich durch Kombination mehrerer Schichten verschiedene funktioneile Strukturen auf und innerhalb der Auflage miteinander kombinieren. Beispielsweise kann in die Auflage so eine mehrelementige Optik integriert werden.
Mittels der durch die leitenden Kanäle hergestellten Durchkontaktierung kann insbesondere auch ein Bauelement hergestellt werden, welches mehrere aufeinander gestapelte Substrate aufweist. Neben aufeinander gestapelten Substraten mit MEMS-Elementen können mit dem ersten Substrat auch beispielsweise Substrate mit integrierten elektronischen Schaltkreisen kombiniert werden. Entsprechend ihrer Funktion können die einzelnen Substrate auch unterschiedliche Materialien umfassen. Dazu umfaßt eine solches mehrschichtiges Bauelement zumindest zwei übereinander angeordnete Substrate, wobei das weitere Substrat zumindest einen Anschlußkontakt aufweist und wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem zumindest einen elektrisch leitenden Kanal des Substrats und der Anschlußfläche des zumindest einen weiteren Substrats besteht.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehen.
Es zeigen:
Figuren 1A bis IE : die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro- elektromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnittsansichten durch einen Wafer, Figuren 2A bis 2B: eine Variante der anhand der Figuren 1D und IE dargestellten Verfahrensschritte, Figur 2C: eine Querschnittsansicht durch einen vom Wafer abgetrennten MEMS-Baustein, Figuren 3A bis 3D die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro- elektromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren
Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnittsansichten durch einen Wafer, und Fig. 4 einen MEMS-Baustein mit mehrlagiger, strukturierter Auflage und aufeinander gestapelten Substraten.
Im folgenden wird zunächst Bezug auf die Figuren 1A bis IE genommen, welche anhand von Querschnittsansichten eines Ausschnitts eines Substratwafers 1 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Bauel me ts gemäß einer ersten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen.
Die im folgenden dargestellten Verfahrensschritte werden in diesem Ausführungsbeispiel im Waferverbund durchgeführt. Der Wafer 1 wurde bis zu der in Fig. 1A dargestellten Verarbeitungsphase mit mikro-elektromechanischen Strukturen 5 versehen. Auf dem Wafer 1 befinden sich eine Vielzahl von Dies 11, 12, 13, von denen der mit 11 bezeichnete Die vollständig gezeigt ist. Die einzelnen mikro- elektromechanischen Bauelemente werden nach den im Waferverbund durch Abtrennen der Dies 11, 12, 13 gewonnen. Die mikro-elektromechanischen Elemente 5 sind für die Spannungsversorgung mit Kontaktflächen 3 verbunden. Kontaktflächen und mikro-elektromechanische Strukturen befinden sich auf der ersten Seite 2 des Substrats 6 des Wafers 1. Ziel ist es nun, eine elektrische Kontaktierung an der zweiten Seite 4 des Substrats 6 herzustellen, um eine besonders platzsparende Anordnung der Elemente eines MEMS- Bauelements und die Möglichkeit des Stapeins mit weiteren Substraten zu realisieren.
Fig. 1B zeigt dazu einen weiteren Verarbeitungsschritt. In das Substrat 6 sind Vertiefungen 7 eingefügt. Diese können beispielsweise mittels einer geeigneten Ätzprozedur in das Substrat eingefügt werden. Für die Herstellung der Ätzgruben ist unter anderem anisotropes Ätzen eines Si (100) -Substrats mit KOH geeignet, wobei sich in diesem Fall Ätzgruben mit einem Öffnungswinkel von etwa 70° bilden. Das Einfügen der Vertiefungen ist unabhängig von der Herstellung der mikro- elektromechanischen Elemente und der Kontaktflächen. Somit ist die Reihenfolge dieser Verarbeitungsschritte nicht zwingend.
In einer nachfolgenden Verarbeitungsphase werden dann, wie in Fig. IC gezeigt, elektrische Verbindungen 9 zwischen- den Vertiefungen 7 und den Kontaktflächen 3 hergestellt. Zur Herstellung der Kontaktierungen können die Ätzgruben 7, sowie Bereiche der ersten Seite 2 zwischen den Ätzgruben 7 mit einem Metall beschichtet werden. Dadurch wird eine Metallschicht als elektrische Verbindung 9 ausgebildet, die sich auf den Wänden der Ätzgruben und auf Bereichen zwischen den Ätzgruben befindet, wobei die Schicht die Kontaktflächen zumindest teilweise überdeckt, um eine sichere Kontaktierung herzustellen. Als kontaktgebendes Metall ist dabei beispielsweise Aluminium geeignet. Anschließend werden die metallbeschichteten Vertiefungen 7, wie anhand von Fig. 1D gezeigt ist, mit einem leitenden Material aufgefüllt, so daß sich Füllungen 15 in den Vertiefungen 7 befinden.
Die Vertiefungen 7 reichen bei diesem Ausführungsbeispiel nicht durch das Substrat 6 hindurch. Sie bilden daher in der in Fig. 1D gezeigten Verarbeitungsphase noch keine leitenden Kanäle, welche die erste Sei 8te 2 mit der zweiten Seite 4 verbinden. Um diese Kanäle herzustellen, kann der Wafer 1 in einem weiteren Verarbeitungsschritt, der in Fig. IE dargestellt ist, von der zweiten Seite 4 her dünn geschliffen werden, bis das leitende Material der Füllungen an der zweiten Seite 4 zutage tritt und Kontaktflächen 17 bildet. Die mit der Füllung 9 aufgefüllte Vertiefung 7 bildet so einen elektrisch leitenden Kanal, der die erste Seite 2 des Substrats 6 mit der zweiten Seite 4 verbindet.
In den Figuren 2A und 2B ist eine Variante der anhand der Figuren 1D und IE gezeigten Verarbeitungsschritte gezeigt. Das Verfahren unterscheidet sich dahingehend, daß auf der ersten Seite 2 des Substrats 6 eine Auflage -19 befestigt wird. Beispielsweise kann die Auflage 19 für optische MEMS- Anwendungen einen transparenten Wafer umfassen, so daß Licht auf die MEMS-Elemente 5 fallen kann. Die Auflage 19 weist außerdem eine Strukturierung auf, welche im mit dem Wafer 1 zusammegefügten Zustand eine Kavität 21 bildet. Die Kavität schafft beispielsweise eine hermetische Abdichtung der MEMS- Elemente 5, ohne deren Beweglichkeit einzuschränken. Die Kavität 21 kann andererseits auch für die Aufnahme und Leitung von Fluiden ausgebildet sein. Die Auflage kann beispielsweise mit dem Substrat 6 verklebt sein, so daß sich zwischen Auflage 19 und erster Seite 2 des Substrats 6 eine Verklebung 20 befindet.
Die Auflage 19 verleiht außerdem dem Gesamtaufbau zusätzliche mechanische Festigkeit. Insbesondere wird der Wafer 1 mechanisch durch die Auflage unterstützt. Dadurch wird erreicht, daß der Wafer 1 dünner geschliffen werden kann, als dies bei einem freitragenden Wafer wie in Fig. IE der Fall ist. Der Verarbeitungsschritt des Ausdünnens ist in Fig. 2B dargestellt. Das Befestigen der Auflage biete hier zusätzlich den Vorteil, daß die empfindlichen MEMS-Elemente 5 während der Bearbeitung vor Beschädigungen geschützt sind.
Zusätzlich sind in der in Fig. 2B gezeigten Verarbeitungsphase Lötperlen 23 auf die Kontaktflächen 17 der leitenden Kanäle 8 aufgebracht, um einen elektrischen Anschluß, etwa an eine Platine oder einen weiteren Baustein herstellen zu können. Die Lötperlen bilden dabei auf dem Wafer 1 einen "Ball Grid Array" .
In Fig. 2C ist ein MEMS-Baustein 27 in Querschnittsansicht gezeigt, welcher nach weiteren Verarbeitungsschritten aus einem wie in Fig. 2B gezeigten Waferverbund erhalten- wird. Der Baustein wird durch Dicen, beziehungsweise Abtrennen des Dies 11 vom Wafer 1 hergestellt.
Um eine den Baustein 27 vollständig umschließende Gehäusung zu erreichen, wird der Baustein zusätzlich mit einer Verkapselung 25 versehen. Die Verkapselung kann beispielsweise aus einem Epoxidharz hergestellt werden. Die Verkapselung kann auf der Seite des Bausteins, auf welcher sich die Lötperlen 23 befinden, wieder teilweise abgeschliffen werden, so daß die Lötperlen teilweise freigelegt werden. Dies ermöglicht eine anschließende Verlötung mit einer anderen Komponenten durch Aufschmelzen der teilweise abgeschliffenen Lötperlen.
Die Figuren 3A bis 3E zeigen die Verarbeitungsschritte für die Herstellung eines MEMS-Bausteins gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung. Auch in dieser Ausfuhrungsform des Verfahrens werden die Verarbeitungsschritte im Waferverbund durchgeführt.
Der Verarbeitungszustand des in Fig. 3A gezeigte Wafers entspricht dabei im wesentlichen dem des in Fig. 1A dargestellten Wafers. Als mikro-elektromechanisches Element 5 ist in Fig. 3A beispielhaft eine elektromechanisch verstellbare Spiegelanordnung dargestellt . Auch in dieser
Ausfuhrungsform sind die mikro-elektromechanischen Elemente 5 der Dies für die elektrische Versorgung an jeweils eine oder mehrere Kontaktflächen 3 angeschlossen.
Fig. 3B zeigt den Waferverbund nach der Verbindung des Wafers 1 mit einer strukturierten Auflage 19. Die Auflage 19 weist in diesem Fall eine Durchgangsöffnung 29 auf. Neben der Durchgangsöffnung umfaßt die Auflage 19 zusätzlich eine mechanischen Passung 31 auf. Die mechanische Passung ist für die Aufnahme einer Linse 33 angepaßt. Die Linse fokussiert
Licht auf den Spiegel des mikro-elektromechanischen Elements 5. Die gezeigte Strukturierung der Auflage, sowie die in die Passung eingefügte Linse sind nur beispielhaft . Vielmehr kann die Auflage auch auf viele andere Weisen zweckmäßig strukturiert sein. Die Strukturierung kann dabei sowohl vor dem Zusammenfügen, als auch teilweise oder vollständig im mit dem Substrat 6 zusammengefügten Zustand erfolgen. In Fig. 3C ist der Waferverbund nach dem Einfügen von Vertiefungen 7 gezeigt. Im Gegensatz zu den anhand der Figuren 1A bis IE und 2A bis 2C erläuterten Verfahren wird bei dieser Ausfuhrungsform des Verfahrens die leitenden Kanal von der zweiten Seite 4 des Substrats 6 her eingefügt werden. Dazu werden von der zweiten Seite 4 des Substrats, wie Fig. 2C zeigt, den Kontaktflächen auf der ersten Seite 2 gegenüberliegend Vertiefungen 7 eingefügt. Die Vertiefungen reichen dabei bis zu den Kontaktflächen 3.
Fig. 3D zeigt den Waferverbund nach dem Einfügen von Füllungen 15 aus leitendem Material in die Vertiefungen 7. Durch die leitenden Füllungen, welche in elektrischem Kontakt mit den Kontaktflächen 3 stehen, wird ein leitender Kanal 8 geschaffen, welcher die erste Seite 2 mit der zweiten Seite 4 des Substrats 6 verbindet. Auf der zweiten Seite 4 werden durch das Einfügen der Füllungen 15 wieder Kontaktflächen 17 geschaffen. Diese können für den elektrischen Anschluß der MEMS-Strukturen 5 wieder mit Lötperlen 23 versehen werden.
Außerdem wurde der Wafer 1 auf der zweiten Seite 4 wieder mit einer Verkapselung 26, versehen, so daß eine weitgehende Verpackung im Waferverbund hergestellt ist. -Die Verkapselung kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, wie etwa einem Epoxidharz bestehen. Um die Lötperlen für eine spätere Kontaktierung wieder zugänglich zu machen, kann vor dem Abtrennen der Dies vom Wafer 1, beziehungsweise vom Waferverbund aus Wafer 1 und Auflage 19 die Verkapselung teilweise abgeschliffen werden, bis die Lötperlen an der Oberfläche teilweise freigelegt sind.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen, welche einen MEMS-Baustein mit mehrlagiger, strukturierter Auflage und aufeinander gestapelten Substraten in Querschnittansicht zeigt. Das MEMS-Bauelement umfaßt ein Substrat 6, welches entsprechend der anhand der Figuren 3A bis 3D gezeigten Verfahrensschritte verarbeitet wurde. Im Unterschied umfaßt die in Fig. 4 gezeigte Ausfuhrungsform jedoch eine mehrlagige Auflage 19. Die Auflage 19 setzt sich aus den Lagen 191, 192, 193 und 194 zusammen. Die Lagen 191 und 193 weisen dabei jeweils eine Durchgangsöffnung 29 auf. Zwischen diesen Lagen ist eine Lage 192 eingefügt, die so strukturiert ist, daß sie ein optisches Element, in diesem Ausführungsbeispiel eine integrierte optische Linse 37 aufweist. Die Lagen 191 und 193 dienen dabei als Abstandhalter für die Linse 37, sowie für die Lage 194, welche mechanische Passungen 31 für Wellenleiter 39 aufweist.
Beim Herstellen der MEMS-Bauelemente im Waferverbund wurde außerdem ein weiteres Substrat 35 am Substrat 6 befestigt. Das weitere Substrat 35 umfaßt eine aktive Schicht 37 mit integrierten Halbleiter-Schaltungen. Diese können beispielsweise zur Ansteuerung der MEMS-Elemente 5. dienen. Alternativ ist auf diese Weise auch das Stapels mit einem oder mehreren MEMS-Bausteinen möglich.
Das weitere Substrat 35 weist ebenfalls wie Substrat 6 Kontaktflächen 3 auf. Die Kontaktierung der MEMS-Elemente 5 erfolgt in diesem Fall über die Durchkontaktierung mittels der leitenden Kanäle 8 des Substrats 6 und den auf den Kanälen 8 angebrachten Lötperlen 23, welche mit den Kontaktflächen 3 des weiteren Substrats 35 verlötet werden. Die Kontaktflächen 3 des weiteren Substrats 35 sind ihrerseits in gleicher Weise, wie oben beschrieben, über elektrisch leitende Kanäle 8 mit der gegenüberliegenden Seite des weiteren Substrats 35 verbunden. Ebenso können auch die Kontakte zur Versorgung der aktiven Schicht 37 auf die gegenüberliegende Seite des Substrats 35 verlegt werden. Auf diese Weise befinden sich alle elektrischen Kontakte des gestapelten Bauelements auf der den Wellenleitern gegenüberliegenden Seite. Die Seite des Bauelements 27, von der die Wellenleiter zugeführt werden, bleibt so völlig frei von störenden Bonding-Drähten oder anderen Kontaktierungen des Bauelements. Auf die leitenden Kanäle 8 des weiteren Substrats sind wieder Lδtperlen augebracht. Eine Verkapselung, beziehungsweise
Verpackung der im Waferverbund zusammengefügten Teile 6, 35 und 191 bis 194 kann in gleicher Weise wie anhand von Fig. 2C erläutert erfolgen, indem auf die Seite des Substrats 35 mit den Lötperlen eine Verkapselungsschicht 26 aufgebracht und diese anschließend wieder abgeschliffen wird, bis die
Lötperlen an der abgeschliffenen Oberfläche hervortreten.
Bezugs zeichenliste

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung mikro-elektromechanischer Bauelemente (27) aus einem Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), wobei zumindest die erste Seite (2) wenigstens ein mikro- elektromechanisches Element (5) aufweist, gekennzeichnet durch das Einfügen von zumindest einem elektrisch leitenden Kanal (8) in das Substrat (6) , welcher die erste Seite (2) mit der zweiten Seite (4) verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 2 , gekennzeichnet durch den Schritt des Befestigens zumindest einer Auflage (19) auf der ersten Seite (2) des Substrats (6) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Schritte des Befestigens der Auflage (19) oder des Einfügens von zumindest einem elektrisch leitenden Kanal (8) im Waferverbund erfolgt .
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einfügens des leitenden Kanals (8) den Schritt des Herstellens einer Vertiefung (7) durch Abtragen von Substratmaterial umfasst .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abtragens von Substratmaterial den Schritt des Trockenätzens und/oder den Schritt des Naßätzens und oder den Schritt des Schleifens und/oder den Schritt des Ultraschallschwingläppens umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Auffüllens der Vertiefung mit einem leitenden Material (15) .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (15) ein leitendes Epoxid umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (15) ein Metall umfaßt, welches galvanisch in der Vertiefung abgeschieden wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Herstellens eines leitenden Kanals (8) den Schritt des Dotierens und/oder Ionenimplantierens umfaßt .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis, 9 ,_ _ gekennzeichnet durch den Schritt des Herstellens zumindest einer elektrischen Kontaktfläche (3, 17).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kontaktfläche (3, 17) auf der ersten Seite (2) des Substrats (6) hergestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausdünnens des Substratmaterials.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (6) ein Halbleitermaterial und/oder ein Glas und/oder ein Metall und/oder ein keramisches Material und/oder ein piezoelektrisches Material und oder einen Kunststoff und/oder einen Verbundwerkstoff umfasst .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Strukturierens der Auflage (19) .
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Strukturierens den Schritt des Einfügens zumindest einer eine Kavität (21) und/oder einer eine Durchgangsöffnung (29) bildenden Struktur umfaßt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des
Herstellens zumindest eines Grabens, insbesondere einer V-Nut umfaßt, wobei der Graben sich vorzugsweise in einer Richtung entlang der Oberfläche der Auflage erstreckt. , _ _
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens einer mechanischen Passung (31) umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mechanische
Passung (31) für die Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere eines Wellenleiters und/oder einer optischen Linse (33) und/oder eines Prismas geeignet ist .
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage (19) den Schritt des Herstellens einer Auflage umfaßt, welche optische Komponenten aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Herstellens einer Auflage (19), welche optische Komponenten aufweist, den Schritt des Herstellens von optischen Linsen und/oder Gittern umfaßt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der Schritt des Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens eines Abstandhalters, insbesondere für zumindest ein optisches Element und/oder zumindest eine weitere Auflage umfaßt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei der Schritt des Herstellens einer strukturierten Auflage den
Schritt des Herstellens einer Aufnahme, insbesondere für Fluide und/oder optische Elemente und/oder piezoelektrische Elemente und/oder mikromechanische Elemente und/oder elektronische Bauelemente umfaßt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch den Schritt des Einfügens zumindest eines lichtleitenden und/oder fluidleitenden und/oder wärmeleitenden Kanals in das Substrat.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine leitende Kanal (8) von der ersten Seite (2) des Substrats (6) her eingefügt wird und daß die Auflage (19) nach dem Einfügen des zumindest einen leitenden Kanals (8) befestigt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine leitende Kanal
(8) von der zweiten Seite (4) des Substrats (6) her eingefügt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, weiter gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens einer Lδtperle (23) auf den zumindest einen leitenden Kanal (8) .
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, weiter gekennzeichnet durch den Schritt des Befestigens zumindest eines weiteren Substrats an' dem Substrat (6), welches insbesondere integrierte Halbleiter- Schaltungsanordnungen und/oder MEMS-Elemente umfaßt.
28. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 27.
29. Mikro-elektromechanisches Bauelement (27) , nsbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 27, welches ein Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), aufweist und wobei zumindest die erste Seite wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element (5) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (6) zumindest einen elektrisch leitenden Kanal (8) aufweist, welcher die erste (2) und die zweite Seite (4) verbindet.
29. Bauelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zumindest eine Auflage (19) aufweist, welche mit der ersten Seite (2) des Substrats (6) verbunden ist.
30. Bauelement nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) zumindest ein optisches Element, insbesondere ein Prisma und/oder ein Gitter und/oder eine Linse (5) und/oder einen optischen Filter aufweist.
31. Bauelement nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) zumindest eine Kavität (21) und/oder eine Durchgangsöffnung (29) aufweist .
32. Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) zumindest eine
Passung (31) aufweist.
33. Bauelement nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Passung (31) zur Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere einer Linse (5) und/oder eines,
Wellenleiters und/oder eines Gitters und/oder eines Prismas geeignet ist.
34. Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei die Auflage eine Aufnahme aufweist.
35. Bauelement nach Anspruch 34, wobei die Aufnahme für eine Schaltungsanordnung und/oder eine piezoelektrische Komponente und/oder ein aktives oder passives elektronisches Element angepaßt ist.
36. Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) mit dem Substrat (6) verklebt ist, insbesondere mit einem Epoxidharz verklebt ist.
37. Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) mehrere Schichten
(191, 192, 193, 194) aufweist.
38. Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 36, welches zumindest ein weiteres Substrat (35) umfaßt, wobei das Substrat (6) und das zumindest eine weitere Substrat (35) übereinander angeordnet sind.
39. Bauelement nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine weitere Substrat (35) zumindest einen Anschlußkontakt (3) aufweist, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem leitenden Kanal (8) und dem Anschlußkontakt (3) besteht.
EP02798641A 2001-08-24 2002-08-23 Verfahren zur herstellung von mikro-elektromechanischen bauelementen Withdrawn EP1419102A2 (de)

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DE2001141571 DE10141571B8 (de) 2001-08-24 2001-08-24 Verfahren zum Zusammenbau eines Halbleiterbauelements und damit hergestellte integrierte Schaltungsanordnung, die für dreidimensionale, mehrschichtige Schaltungen geeignet ist
DE10222959 2002-05-23
DE10222959A DE10222959B4 (de) 2002-05-23 2002-05-23 Mikro-elektromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Bauelementen
PCT/EP2002/009449 WO2003024865A2 (de) 2001-08-24 2002-08-23 Verfahren zur herstellung von mikro-elektromechanischen bauelementen

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