EP2303769A2 - Verkapselung, mems sowie verfahren zum selektiven verkapseln - Google Patents

Verkapselung, mems sowie verfahren zum selektiven verkapseln

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EP2303769A2
EP2303769A2 EP09779956A EP09779956A EP2303769A2 EP 2303769 A2 EP2303769 A2 EP 2303769A2 EP 09779956 A EP09779956 A EP 09779956A EP 09779956 A EP09779956 A EP 09779956A EP 2303769 A2 EP2303769 A2 EP 2303769A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
encapsulation
encapsulation according
semiconductor substrate
component structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09779956A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Rothacher
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2303769A2 publication Critical patent/EP2303769A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
    • G01P1/023—Housings for acceleration measuring devices
    • H10W74/121—
    • H10W74/124—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0109—Bonding an individual cap on the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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    • B81C2203/0172—Seals
    • B81C2203/019—Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders or supports
    • H03H9/10—Mounting in enclosures
    • H03H9/1057—Mounting in enclosures for microelectro-mechanical devices

Definitions

  • the invention relates to an encapsulation according to the preamble of claim 1, a micro-electro-mechanical system (MEMS) according to claim 18 and a method for encapsulating a sensitive component structure on a semiconductor substrate according to claim 19.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • Delicate mostly mechanical device structures of MEMS must be encapsulated to protect against damage.
  • Inertial sensors such as acceleration sensors or rotation rate sensors, are currently being capped with KOH-etched silicon caps, the caps being connected by means of a seal-glass connection to the semiconductor substrate having the sensitive component structure.
  • Another established method for encapsulating sensitive device structures on semiconductor substrates is anodic bonding of three-dimensionally patterned glass wafers.
  • structured silicon wafers are fixed as encapsulation with different bonding methods on semiconductor substrates. All the aforementioned methods have in common that a cost-intensive, three-dimensionally structured cap made of silicon or glass is used.
  • the known encapsulation comprises a frame structure enclosing the component structure of a hardened reaction resin and a flat, the frame structure covering and forming a cavity cap, consisting of a flat (two-dimensional) plastic film and a curing reaction resin layer arranged above.
  • a disadvantage of the known encapsulation is its complex manufacturing process using an auxiliary film to be applied first and then to be removed again.
  • the invention has for its object to provide an alternative, simple and inexpensive encapsulation for a device structure on a semiconductor substrate. Furthermore, the object is to provide a MEMS with at least one such encapsulation and a manufacturing method for producing an encapsulated component structure.
  • the invention is based on the idea not to cover the cavity surrounding the component structure with a two-dimensional film as in the prior art, but to protect the component structure from external influences, use a film provided with at least one cavity for covering the component structure.
  • the cavity forms the cavity protecting the component structure.
  • the film can either be directly connected to the semiconductor substrate or to a coating provided on the semiconductor substrate, in particular a metallization, to be bonded.
  • the core idea of the invention is therefore to use a three-dimensionally structured or shaped film with which the component structure is covered and thus protected.
  • the three-dimensionally structured, preferably having a plurality of cavities, film is already used in the wafer stage in the production of MEMS, thus a plurality of sensitive, preferably mechanical component structures of a plurality of MEMS simultaneously to encapsulate.
  • the component structure is a mechanical component structure, preferably an inertial sensor, a microphone (oscillation membrane) or a pressure sensor (pressure membrane). Due to the significantly reduced production costs, the proposed encapsulation is optimally suited for consumer inertial sensors for use in handheld devices, so-called handhelds, such as mobile telephones, pocket PCs, etc.
  • an encapsulation designed according to the concept of the invention has great potential with regard to a thickness and size reduction in comparison with the known from the prior art encapsulations.
  • the film As a single-layer polymer film, that is, from a single material layer.
  • the film may be formed as a multilayer film, ie as a composite film with at least two identical or different layers.
  • Particularly preferred is an embodiment in which at least one layer of the multiple layer film is formed as a polymer layer.
  • several identical or different polymer layers can be provided.
  • the monolayer polymer film or the at least one polymer layer of the film can either be bonded directly to the semiconductor substrate, for example by forming a polymer bond or with a coating provided on the semiconductor substrate, in particular a plastic coating or a thin film, which chemically encapsulates the MEMS substrate connects, be formed.
  • the monolayer polymer film or the at least one polymer layer of the multilayer film preferably the entire film, has a dimensional stability at the temperatures occurring during the bonding of the film.
  • the heat distortion temperature at temperatures above 230 ° C should still be guaranteed.
  • the monolayer polymer film or the polymer layer should be largely dimensionally stable.
  • the monolayer polymer film or the at least one polymer layer of the film has the lowest possible coefficient of expansion in order to prevent impermissible deformation of the encapsulation and thus of the MEMS in the subsequent use of the MEMS equipped with a corresponding encapsulation, even in the case of strong temperature fluctuations to avoid.
  • the expansion coefficient is less than 20 ppm / K, most preferably less than 10 ppm / K.
  • the monolayer polymer film or the polymer layer of the multilayer film very particularly preferably the entire film, behaves isotropically with respect to its coefficient of expansion in the x and y directions.
  • the monolayer polymer film or the polymer layer, very particularly preferably the entire film can be biaxially stretched.
  • Polymer films in particular for the formation of the polymer layer, with the properties mentioned are sold, for example, under the name “Vectra 54Oi” by Ticona or under “Zenite 6330 NC” by Dupont.
  • the biaxially oriented films of the Vectra type (manufacturer Kuraray) are even available with in the x and y direction isotropic expansion coefficient of less than 5 ppm / K.
  • the monolayer polymer film or the at least one polymer layer consists of liquid crystal polymer (LCP liquid polymer) or at least comprises this compound.
  • Liquid-crystalline polymer has liquid-crystalline properties in the melt (thermophobic) or dissolved (Iy-otropic).
  • LCP is extremely temperature-stable (dimensionally stable) and has a very low expansion coefficient.
  • Another advantage of LCP is that it is much denser than a reaction resin, as used in prior art encapsulations.
  • Polyetheretherketone is characterized in particular by the fact that it is resistant to almost all organic and inorganic chemicals. It is also possible to form the single-layer polymer film or the polymer layer from the following chemical polymer compounds: polyamide-imide (PAI) or polybenzimidazole (PBI), or polyvenylene sulfide (PPS) or polyarylsulfone (PAS).
  • PAI polyamide-imide
  • PBI polybenzimidazole
  • PPS polyvenylene sulfide
  • PAS polyarylsulfone
  • the thickness of the film is less than 200 ⁇ m, preferably less than 150 ⁇ m. It is very particularly preferred if the film thickness is about 100 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, or less.
  • the at least one polymer layer comprises at least one metal layer.
  • the metal layer allows a facilitated bonding of the film to the semiconductor substrate or preferably to a coating provided on the semiconductor substrate, in particular a metallization, preferably via a solder bonding process, a solid-liquid Inter-diffusion soldering process (SLID) or a thermocompression bonding process.
  • SLID solid-liquid Inter-diffusion soldering process
  • thermocompression bonding process On the basis of a SLID bonding process, the bonding frame (metallization) provided on the semiconductor substrate can be made very small.
  • the SLID bonding technique is characterized by the fact that a layer of low-melting metal, for example tin, between an upper and a lower layer of higher-melting metal, while For example, copper, applied and melted at low temperature.
  • the higher melting metal now diffuses into the upper and lower layers, forming and solidifying a higher melting alloy. With further bonding / soldering processes, a re-melting of the connection is thus reliably prevented.
  • the hermeticity of the encapsulation can be further improved if the film has at least two, preferably only two, metal layers, wherein it is particularly preferred if the two metal layers form the two outermost layers of the film. Most preferably, the two metal layers sandwich a polymer layer.
  • the metal layer of the multilayer film has a high ductility (elongation at break). Furthermore, the metal layer should have a low coefficient of expansion, preferably less than 17 ppm / K and / or a melting point of, in particular, significantly greater than 240 ° C, preferably greater than 300 ° C.
  • the metal layer which preferably has all the above-mentioned properties, can be formed from a large number of metals, in particular from ductile copper, nickel, aluminum or stainless steel, etc.
  • the at least one cavity can be introduced by injection molding, embossing, in particular injection-compression molding, thermoforming, deep-drawing or casting, wherein a punching process can also be integrated into the abovementioned processes in order to produce recesses for bonding pads in the encapsulation.
  • a punching process can also be integrated into the abovementioned processes in order to produce recesses for bonding pads in the encapsulation.
  • These recesses can also be produced by means of downstream punching processes, laser cutting or etching processes coupled with lithographic processes (wet-chemical, plasma or in combination).
  • the film polymer is poured into a mold and then hardened thermally or by UV irradiation.
  • the film has at least one end stop for protecting the encapsulated component structure.
  • an end stop is understood to be a small-area elevation projecting in the direction of the component structure, which prevents excessive leakage of the component structure or adhesion of the component structure to the cover.
  • the invention leads to a method for encapsulating a sensitive component structure on a semiconductor substrate with the steps: providing a film having at least one cavity, relatively positioning the cavity (relative) to the component structure to be encapsulated and bonding the film to the semiconductor substrate or a coating , preferably a bonding frame, in particular a metallization of the semiconductor substrate.
  • As an upstream step it is preferably provided to mold the cavity into the film. This can be done either directly in the production process of the film, for example by injection molding, or in a subsequent deformation step, in particular by deep drawing and / or thermoforming.
  • a film corresponding in its areal extent preferably at least approximately corresponding to the wafer surface extent, is positioned relative to the wafer, more precisely to the component structures provided on the wafer, whereupon the film is bonded to the wafer.
  • the separation (separation) of the wafer (with foil) preferably takes place into a plurality of separate MEMS, in particular inertial sensors, whereby it is possible to cut through the foil and the semiconductor substrate at the same time, for example by laser cutting, or the foil and the wafer in succession, for example by using a saw or a load Sers pre-cut and in a subsequent step, the exposed semiconductor substrate is severed.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of encapsulation with a rounded cavity
  • Fig. 2 an alternative, very schematically illustrated embodiment of an angularly shaped encapsulation
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of a complex molded encapsulation.
  • a MEMS 1 micro-electro-mechanical system
  • the MEMS 1 comprises a semiconductor substrate 2 having a sensitive mechanical component structure formed thereon and formed of semiconductor material.
  • the component structure 3 is provided with an encapsulation 4 against mechanical and other environmental influences, such as Temperature and humidity as well as gas protected.
  • the height h of the encapsulation 4 (measured perpendicular to the surface extent of the semiconductor substrate 2) in the exemplary embodiment is about 200 ⁇ m.
  • the encapsulation 4 is formed by means of a film 5 formed as a multilayer film. This comprises a polymer layer 6, here made of LCP, as well as an outer metal layer 7 facing the semiconductor substrate 2, here of ductile copper.
  • the film 5 is characterized by a three-dimensional structuring in the form of a cavity 8.
  • the cavity 8 forms a cavity 9 above the component structure 3.
  • the foil 5, which may alternatively comprise, in addition to the single metal layer 7 here, a further metal layer arranged on the side of the polymer layer 6 remote from the metal layer 7, having a coating 10 (bonding frame) formed as a metallization. of the semiconductor substrate 2 is bonded.
  • the SLID bonding method was used, a thin tin layer 11 being deposited between the coating formed of copper and the metal layer 7 of the film 5 consisting of copper. This can be realized, for example, galvanically, CVD (chemical vapor deposition) or by PVD (physical vapor deposition).
  • a thin tin layer 11 having a thickness of about 0.1 ⁇ m to about 5 ⁇ m for example, alternatively eutectic SnCu or SnAg can be deposited.
  • indium and gallium alloys can be used.
  • the foil 5 was pressed for bonding against the semiconductor substrate 2 (wafer) coated in the bonding area with the (copper) coating 10 and the temperature above the melting point of the tin raised.
  • the tin melted, forming a higher melting bronze alloy, which remains mechanically stable during subsequent soldering processes, in particular SMD soldering processes.
  • the cavity 8 has a rounded shape.
  • the layer thickness of the metal layer 7, here the copper layer in particular galvanically. It is thus possible to deposit other metals or sandwich layers, for example Cu-Ni-Cu.
  • polymer layers laminated with metal layers as multilayer films.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verkapselung (4) einer empfindliehen Bauelementstruktur (3) auf einem Halbleitersubstrat (2) mit einer die Bauelementstruktur (3) überdeckenden Folie (5). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Folie (5) eine Kavität (8) für die Bauelementstruktur (3) vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein MEMS (1) sowie ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur (3).

Description

Beschreibung
Titel
Verkapselung, MEMS sowie Verfahren zum selektiven Verkapseln
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verkapselung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Micro-Electro-Mechanical- System (MEMS) gemäß Anspruch 18 sowie ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 19.
Empfindliche, meist mechanische Bauelementstrukturen von MEMS müssen zum Schutz vor Beschädigung verkapselt werden. Ineratialsensoren, wie Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, werden derzeit mit KOH-geätzten Siliziumkappen gedeckelt, wobei die Kappen mit Hilfe einer Seal-Glas- Verbindung auf dem die empfindliche Bauelementstruktur aufweisenden Halbleitersubstrat verbunden werden. Ein weiteres etabliertes Verfahren zum Verkapseln von empfindlichen Bauelementstrukturen auf Halbleitersubstraten ist das anodische Bonden von dreidimensional-strukturierten Glas-Wafern. Daneben werden strukturierte Silizium-Wafer als Verkapselung mit unterschiedlichen Bondverfahren an Halbleitersubstraten fixiert. Allen vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, dass eine kostenintensive, dreidimensionalstrukturierte Kappe aus Silizium oder Glas zum Einsatz kommt .
Die DE 100 06 446 Al beschreibt ein Verfahren zum Verkapseln empfindlicher Bauelementstrukturen im Wafer-Stadium. Die bekannte Verkapselung umfasst eine die Bauelementstruktur umschließende Rahmenstruktur aus einem gehärteten Reaktionsharz sowie eine ebene, die Rahmenstruktur abdeckende und mit dieser einen Hohlraum ausbildende Kappe, bestehend aus einer flachen (zweidimensionalen) Kunststofffolie und einer darüber angeordneten gehärteten Reaktionsharzschicht. Nachteilig bei der bekannten Verkapselung ist deren aufwändiges Herstellungsverfahren unter Einsatz einer zunächst aufzubringenden und dann wieder zu entfernenden Hilfsfolie.
Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative, einfache und kostengünstige Verkapselung für eine Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat vorzuschlagen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein MEMS mit mindestens einer derartigen Verkapselung sowie ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer verkapselten Bauelementstruktur anzugeben.
Technische Lösung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den die Bauele- mentstruktur umgebenden Hohlraum nicht mit einer zweidimensionalen Folie wie im Stand der Technik abzudecken, sondern zum Schutz der Bauelementstruktur vor äußeren Einflüssen eine, mit mindestens einer Kavität zum Abdecken der Bauelementstruktur versehene Folie einzusetzen. Dabei bildet die Kavität den die Bauelementstruktur schützenden Hohlraum. Je nach Beschaffenheit der Folie kann die Folie entweder unmittelbar mit dem Halbleitersubstrat oder einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbesondere einer Metallisierung, gebondet werden. Der Kerngedanke der Erfindung besteht also darin, eine dreidimensionalstrukturierte bzw. geformte Folie einzusetzen, mit der die Bauelementstruktur überdeckt und damit geschützt wird. Be- sonders bevorzugt ist es dabei, wenn die dreidimensionalstrukturierte, vorzugsweise eine Vielzahl von Kavitäten aufweisende, Folie bereits im Wafer-Stadium bei der Herstellung von MEMS eingesetzt wird, um somit eine Vielzahl von empfindlichen, vorzugsweise mechanischen Bauelement- strukturen einer Vielzahl von MEMS gleichzeitig zu verkapseln. Von besonderem Vorteil ist dabei eine Ausführungsform der Verkapselung, bei der es sich bei der Bauelementstruktur um eine mechanische Bauelementstruktur, vorzugsweise eines Inertialsensors, eines Mikrophons (Schwingungsmemb- ran) oder eines Drucksensors (Druckmembran) handelt. Die vorgeschlagene Verkapselung eignet sich aufgrund der deutlich reduzierten Herstellungskosten optimal für Consumer- Inertialsensoren zum Einsatz in Handgeräten, so genannten Handhelds, wie Mobiltelefonen, Pocket-PCs etc. Darüber hin- aus hat eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verkapselung große Potentiale im Hinblick auf eine Dicken- und Größenreduzierung im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verkapselungen.
Im Hinblick auf die Ausbildung der dreidimensionalstrukturierten, also mit mindestens einer Kavität versehenen, Folie gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es denkbar, die Folie als Einschichtpolymerfolie auszubilden, also aus einer einzigen Materialschicht. Alternativ kann die Folie als Mehrschichtfolie, also als Verbundfolie mit mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen Schichten ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der zumindest eine Schicht der Mehr- schichtfolie als Polymerschicht ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Polymerschichten vorgesehen werden.
Die Einschichtpolymerfolie oder die mindestens eine Polymerschicht der Folie kann entweder unmittelbar mit dem Halbleitersubstrat, beispielsweise durch Herstellen einer Polymerbondverbindung, oder mit einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbesondere einer Kunststoffbeschichtung oder einem dünnen Film, der die Ver- kapselung chemisch mit dem MEMS-Substrat verbindet, gebon- det werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht der Mehrschichtfolie, vorzugsweise die gesamte Folie, eine Formbeständigkeit bei den beim Bonden der Folie auftretenden Temperaturen hat. Bevorzugt soll die Warmformbeständigkeit bei Temperaturen von über 230 °C noch gewährleistet sein. Bei kurzfristiger Temperaturbelastung bis beispielsweise 230°C sollte die Einschichtpolymerfolie oder die Polymerschicht weitgehend formbeständig sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht der Folie einen möglichst niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um eine unzulässige Verformung der Verkapselung und damit des MEMS im späteren Einsatz des mit einer entsprechenden Verkapselung ausgestatteten MEMS auch bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden. Bevorzugt beträgt der Ausdehnungskoeffizient weniger als 20 ppm/K, ganz besonders bevorzugt weniger als 10 ppm/K. Idealerweise verhält sich die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht der Mehrschichtfolie, ganz besonders bevorzugt die gesamte Folie, im Hinblick auf ihren Ausdehnungskoeffizienten in x- als auch in y-Richtung isotrop. Hierzu kann die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht, ganz besonders bevorzugt die gesamte Folie biaxial gereckt werden.
Polymerfolien, insbesondere zur Ausbildung der Polymer- Schicht, mit den genannten Eigenschaften werden beispielsweise unter der Bezeichnung „Vectra 54Oi" von der Firma Ticona oder unter „Zenite 6330 NC" von der Firma Dupont vertrieben. Darüber hinaus sind die biaxial gereckten Folien des Vectra-Typs (Hersteller Kuraray) sogar mit in x- und y- Richtung isotropen Ausdehnungskoeffizienten von unter 5 ppm/K erhältlich.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht aus Liquid- Crystal-Polymer (LCP-Flüssigkeitspolymer) besteht oder diese Verbindung zumindest umfasst. Flüssigkristallines Polymer weist in der Schmelze (thermophob) oder gelöst (Iy- otrop) flüssigkristalline Eigenschaften auf. LCP ist äußerst temperaturstabil (formbeständig) und weist einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf. Ein weiterer Vorteil von LCP besteht darin, dass dieses wesentlich dichter ist als ein Reaktionsharz, wie dieses bei Verkapselungen aus dem Stand der Technik zum Einsatz kommt. Ferner ist es möglich, die Einschichtpolymerfolie oder die mindestens ei- ne Polymerschicht aus einem Ormocer auszubilden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht aus Polyetheretherketon (PEEK) auszubilden. Dessen Schmelztemperatur beträgt 335°C. Polyetheretherketon zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es gegen fast alle organischen und anorganischen Chemikalien beständig ist. Auch ist es möglich, die Ein- schichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht aus folgenden chemischen Polymerverbindungen auszubilden: Polyamidimid (PAI) oder Polybenzimidazol (PBI), oder Polyvenylensulfid (PPS) oder Polyarylsulfon (PAS) .
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Dicke der Folie geringer als 200 μm, vorzugsweise geringer als 150 μm ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Foliendicke etwa 100 μm ± 10 μm, oder weniger beträgt.
Um die Verkapselung, insbesondere im Hinblick auf Gase und/oder Feuchtigkeit, zu hermetisieren ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die mindestens eine Polymerschicht, vorzugsweise ausschließlich eine Polymerschicht aufweisende Mehrschichtfolie mindestens eine Metallschicht umfasst. Wenn die Metallschicht auf der dem Halbleitersubstrat zugewandten Seite der Mehrschichtfolie vorgesehen ist erlaubt die Metallschicht ein erleichtertes Bonden der Folie mit dem Halbleitersubstrat bzw. bevorzugt mit einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbeson- dere einer Metallisierung, vorzugsweise über ein Lötbondverfahren, ein Solid-Liquid-Inter-Diffusion-Lötverfahren (SLID) oder ein Thermokompressionsbondverfahren . Bei Zugrundelegung eines SLID-Bondprozesses kann der auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Bondrahmen (Metallisierung) sehr klein ausgestaltet werden. Die SLID-Bondtechnik zeichnet sich dadurch aus, dass eine Schicht niedrig schmelzendes Metall, beispielsweise Zinn, zwischen einer oberen und einer unteren Schicht aus höher schmelzendem Metall, bei- spielsweise Kupfer, aufgebracht und bei niedriger Temperatur aufgeschmolzen wird. Das höher schmelzendere Metall diffundiert nun in die obere und die untere Schicht, wobei sich eine höher schmelzende Legierung bildet und erstarrt. Bei weiteren Bond-/Lötprozessen wird somit ein Wiederaufschmelzen der Verbindung sicher verhindert.
Die Hermitizität der Verkapselung kann noch weiter verbessert werden, wenn die Folie mindestens zwei, vorzugsweise ausschließlich zwei, Metallschichten aufweist, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die beiden Metallschichten die beiden äußersten Schichten der Folie bilden. Ganz besonders bevorzugt nehmen die beiden Metallschichten eine Polymerschicht sandwichartig zwischen auf.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Metallschicht der Mehrschichtfolie eine hohe Duktilität (Bruchdehnung) aufweist. Ferner sollte die Metallschicht einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise von weniger als 17 ppm/K und/oder einen Schmelzpunkt von, insbesondere deutlich, größer als 240°C, vorzugsweise von größer als 300°C aufweisen .
Die Metallschicht, die vorzugsweise sämtliche oben genann- ten Eigenschaften aufweist, kann aus einer Vielzahl von Metallen, insbesondere aus duktilem Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl, etc. gebildet werden.
Die oben genannten Eigenschaften werden beispielsweise von Kupfer-kaschierten LCP-Folien der Firma Rogers erfüllt. Diese Folien werden bisher für die Herstellung flexibler und mehrlagiger Leiterplatten bei der Firma Dyconnex verwendet . In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass nicht nur die Polymerschicht sondern die gesamte Folie zur Gewährleistung von in x- und y-Richtung isotropen Aus- dehnungskoeffizienten biaxial gereckt ist.
Im Hinblick auf die Ausformung der Kavität gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es denkbar, diese beispielsweise gekrümmt (gebogen, rundlich) auszuformen. Daneben sind eckige oder kombinierte rund-/eckige Formen realisierbar. Rundungen haben dabei eine erhöhte Stabilität und verhindern eine flächige Anlagerung und damit Anhaftung der aktiven Strukturen des MEMS.
Die mindestens eine Kavität kann durch Spritzgießen, Prägen, insbesondere Spritzprägen, Thermoformen, Tiefziehen oder Casting eingebracht werden, wobei in die vorgenannten Prozesse auch ein Stanzprozess integriert werden kann, um Aussparungen für Bondpads in der Verkapselung zu erzeugen. Diese Aussparungen lassen sich auch über nachgeschaltete Stanzprozesse, Laserschneiden oder mit lithographischen Prozessen gekoppelter Ätzverfahren (Nasschemisch, Plasma oder in Kombination) herstellen. Beim Casting wird das Folienpolymer in eine Form eingegossen und daraufhin ther- misch oder durch UV-Bestrahlung gehärtet.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Folie mindestens einen Endanschlag zum Schutz der verkapselten Bauelementstruktur aufweist. Unter einem Endanschlag ist dabei eine in Richtung Bauelementstruktur vorstehende, kleinflächige Erhebung zu verstehen, die ein zu großes Austreten der Bauelementstruktur oder ein Anhaften der Bauelementstruktur am Deckel verhindert. Ferner führt die Erfindung auf ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat mit den Schritten: Bereitstellen einer mindes- tens eine Kavität aufweisenden Folie, Relativpositionieren der Kavität (relativ) zu der zu verkapselnden Bauelementstruktur und Bonden der Folie mit dem Halbleitersubstrat oder einer Beschichtung, vorzugsweise einem Bondrahmen, insbesondere einer Metallisierung des Halbleitersubstrates. Als vorgelagerten Schritt ist vorzugsweise vorgesehen, die Kavität in die Folie einzuformen. Dies kann entweder unmittelbar bei dem Herstellungsprozess der Folie, beispielsweise im Spritzgussverfahren erfolgen, oder in einem nachgelagerten Verformungsschritt, insbesondere durch Tiefziehen und/oder Thermoformen .
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Verkapselung bereits im Wafer-Stadium von MEMS durchgeführt wird, so dass eine Vielzahl von empfindlichen, vorzugsweise mechanischen, Bauelementstrukturen gleichzeitig verkapselt werden können. Hierzu wird eine in ihrer Flächenerstreckung bevorzugt zumindest näherungsweise der Wafer-Flächenerstreckung entsprechende Folie relativ zu dem Wafer, genauer zu den auf dem Wafer vorgesehenen Bauelementstrukturen positioniert, woraufhin die Folie mit dem Wafer gebondet wird.
Nach dem Bondprozess erfolgt bevorzugt die Aufteilung (Separierung) des Wafers (mit Folie) in eine Vielzahl von separaten MEMS, insbesondere Inertialsensoren, wobei es rea- lisierbar ist, die Folie und das Halbleitersubstrat gleichzeitig, beispielsweise durch Laserschneiden zu durchtrennen, oder die Folie und den Wafer nacheinander, beispielsweise indem die Folie mit Hilfe einer Säge oder eines La- sers vorgeschnitten und in einem darauffolgenden Schritt das freigelegte Halbleitersubstrat durchtrennt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verkapse- lung mit einer gerundeten Kavität,
Fig. 2: ein alternatives, sehr schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel an einer eckig ausgeformten Verkapselung und
Fig. 3: ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer komplex ausgeformten Verkapselung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .
In Fig. 1 ist ein MEMS 1 (Micro-Electro-Mechanical-System) gezeigt. Das MEMS 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 mit einer darauf ausgebildeten, empfindlichen, mechanischen Bauelementstruktur, die aus Halbleitermaterial ausgebildet ist. Die Bauelementstruktur 3 ist mit einer Verkapselung 4 vor mechanischen und sonstigen Umgebungseinflüssen, wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie Gas geschützt. Die Höhe h der Verkapselung 4 (gemessen senkrecht zur Flächenerstreckung des Halbleitersubstrates 2) beträgt in dem Ausführungsbeispiel etwa 200 μm. Die Verkapselung 4 ist gebildet mit Hilfe einer als Mehrschichtfolie ausgebildeten Folie 5. Diese umfasst eine Polymerschicht 6, hier aus LCP, sowie eine äußere, dem Halbleitersubstrat 2 zugewandte Metallschicht 7, hier aus duktilem Kupfer. Die Folie 5 zeichnet sich durch eine dreidimensionale Strukturierung in der Form einer Kavität 8 aus. Die Kavität 8 bildet einen Hohlraum 9 oberhalb der Bauelementstruktur 3.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Folie 5, die alternativ zusätzlich zu der hier einzigen Metallschicht 7 eine weitere, auf der von der Metallschicht 7 abgewandten Seite der Polymerschicht 6 angeordnete, Metallschicht aufweisen kann, mit einer als Metallisierung ausgebildeten Be- schichtung 10 (Bondrahmen) des Halbleitersubstrates 2 ge- bondet. Zur Realisierung des gezeigten Ausführungsbeispiels wurde dabei das SLID-Bondverfahren angewendet, wobei zwischen die aus Kupfer ausgebildete Beschichtung und die aus Kupfer bestehende Metallschicht 7 der Folie 5 eine dünne Zinnschicht 11 abgeschieden wurde. Dies kann beispielsweise galvanisch, der CVD (chemische Gasphasenabscheidung) oder durch PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) realisiert werden. Alternativ zu einer dünnen Zinnschicht 11 mit einer Dicke von etwa 0,lμm bis etwa 5μm können beispielsweise alternativ eutektisches SnCu oder SnAg abgeschieden werden. Ebenso sind Indium- und Gallium-Legierungen einsetzbar. Nach dem Aufbringen der dünnen Zinnschicht 11 wurde die Folie 5 zum Bonden gegen das im Bondbereich mit der (Kupfer-) Beschichtung 10 beschichtete Halbleitersubstrat 2 (Wafer) gepresst und die Temperatur über den Schmelzpunkt des Zinns angehoben. Dabei schmolz das Zinn auf, wobei sich eine höher schmelzende Bronzelegierung ausbildete, die bei anschließenden Lötprozessen, insbesondere SMD-Lötprozessen mechanisch stabil bleibt.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, weist die Kavität 8 eine gerundete Form auf. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Verkapse- lung 4 ist es möglich, die Schichtdicke der Metallschicht 7, hier der Kupferschicht, insbesondere galvanisch, zu er- höhen. So ist es möglich, andere Metalle oder Sandwich- Schichten, beispielsweise Cu-Ni-Cu abzuscheiden. Alternativ ist es, wie bereits zuvor erläutert denkbar 2-seitig mit Metallschichten kaschierte Polymerschichten als Mehrschichtfolien einzusetzen.
Wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, sind nicht nur gerundete Kavitäten 8, sondern auch eckige und teilweise äußerst komplex geformte Kavitäten 8 realisierbar. Bei sämtlichen Kavitätsformen können die in Fig. 3 gezeigten Endanschläge 12 zum Schutz der verkapselten Bauelementstrukturen 3, hier Sensoren, realisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verkapselung einer empfindlichen Bauelementstruktur
(3) auf einem Halbleitersubstrat (2) mit einer die Bauelementstruktur (3) überdeckenden Folie (5) ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Folie (5) eine Kavität (8) für die Bauele- mentstruktur (3) vorgesehen ist.
2. Verkapselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) als Einschichtpolymerfolie oder als Mehrschichtfolie mit mindestens einer Polymerschicht (6) ausgebildet ist.
3. Verkapselung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht (6) mit dem Halbleitersubstrat (2) oder einer Beschichtung (10) auf dem Halbleitersubstrat (2) ge- bondet ist.
4. Verkapselung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht (6) eine Warmformbeständigkeit bei den beim Bonden der Folie (5) auftretenden Temperaturen, vor- zugsweise bei Temperaturen von um oder größer als 230°C aufweist.
5. Verkapselung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht (6) einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise von weniger als 20 ppm/K, bevorzugt von weniger als 17 ppm/K, aufweist.
6. Verkapselung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht (6), insbesondere im Hinblick auf den Ausdehnungskoeffizienten, in x-Richtung als auch in y- Richtung isotrop verhält.
7. Verkapselung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht (6) aus LCP, oder Ormoceren, oder PEEK, oder PAI, oder PBI, oder PPS oder PAS besteht oder zumin- dest eine der vorgenannten Verbindungen umfasst.
8. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Foliendicke geringer als 500μm, bevorzugt ge- ringer als 200μm, vorzugsweise geringer als 150μm ist, und/oder besonders bevorzugt etwa lOOμm beträgt oder geringer ist.
9. Verkapselung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrschichtfolie mindestens eine, vorzugsweise äußere, dem Halbleitersubstrat (2) zugewandte, Metallschicht (7) umfasst.
10. Verkapselung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) mit einer Beschichtung, (10) insbesondere einer Metallisierung, auf dem Halbleitersubstrat (2), insbesondere durch Lötbonden, oder Solid-Liquid-Inter-Diffusion-Bonding (SLID), oder Thermokompressionsbonden, gebondet ist.
11. Verkapselung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) eine hohe Duktilität, vorzugsweise von größer als 5%, vorzugsweise größer als 10%, aufweist.
12. Verkapselung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) einen Schmelzpunkt von größer 240°C, vorzugsweise von größer als 300°C, auf- weist.
13. Verkapselung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) aus einem Material der fol- genden Gruppe gebildet ist oder dieses Material um- fasst: Kupfer, Nickel, Aluminium, Edelstahl.
14. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) biaxial gereckt ist.
15. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (8) gerundet und/oder eckig ausge¬ formt ist.
16. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (8) durch Spritzgießen, Prägen, insbesondere Spritzprägen, Thermoformen, Tiefziehen oder Casting eingebracht ist.
17. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mindestens einen Endanschlag (12) zum Schutz der verkapselten Bauelementstruktur (3) aufweist und/oder, dass die Kavität gerundet ist, um ein Anhaften der Bauelementstruktur (3) zu verhindern.
18. MEMS, insbesondere Inertialsensor, Drucksensor, Mikro- spiegel oder Mikrophon, mit einer Verkapselung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
19. Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur (3) auf einem Halbleitersubstrat (2) mit den Schritten:
• Bereitstellen einer mindestens eine Kavität (8) aufweisenden Folie (5);
• Relativpositionieren der Kavität (8) relativ zu der Bauelementstruktur (3) ;
• Bonden der Folie (5) mit dem Halbleitersub¬ strat (2) oder einer Beschichtung (10), ins- besondere einer Metallisierung, des Halblei¬ tersubstrates (2).
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (5) mit einer Vielzahl von Kavitäten (8) bereitgestellt wird und mit dem als Wafer vorlie- genden Halbleitersubstrat (2) oder einer auf diesem vorgesehenen Beschichtung (10), insbesondere einer Metallisierung, gebondet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer nach dem Verkapseln in eine Vielzahl von separaten MEMS (1) unterteilt wird.
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