Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen einer Schutzabdeckung für ein Bauelement
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzabdeckung für ein Bauelement, und insbesondere auf die Erzeugung einer Schutzabdeckung für Bauelemente, die Bereiche enthalten, deren Funktion durch Spritz- guss-Gehäuse beeinträchtigt würde, wie beispielsweise BAW- Filter (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) , Resonatoren, Sensoren und/oder Aktoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen einer solchen Schutzabdeckung für die Bauelemente auf Wafer- Ebene .
Herkömmlicherweise werden Bauelemente auf und/oder in einem Substrat erzeugt, wobei nach der Fertigstellung des Bauelements das Substrat, welches das Bauelement umfasst, in einem Spritzguss-Gehäuse geschützt angeordnet wird. Bei dieser Anordnung, ist das Substrat und das Bauelement zumindest im Bereich des Bauelements vollständig in das Material des Spritz- guss-Gehäuses eingebettet. Diese Vorgehensweise ist für Bauelemente nachteilhaft, deren Funktion durch dieses Material beeinträchtigt wird, die also für eine ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit einen Freiraum benötigen, wie dies beispielsweise bei den oben erwähnten BAW-Filtern, Resonatoren, Sensoren und Aktoren erforderlich ist.
Ein Ansatz, der im Stand der Technik bekannt ist, um diese Problematik mit Spritzguss-Gehäusen zu lösen, besteht darin, ein „Gegensubstrat" vorzusehen, in das eine entsprechende Öffnung eingebracht ist, so dass beim Zusammenfügen des Bauelementsubstrats und des Gehäusesubstrats der Hohlraum im Be- reich des Bauelements in dem Bauelementsubstrat angeordnet ist, so dass hier keine Beeinträchtigung der Funktionalität des Bauelements mehr auftritt. Auf Wafer-Ebene wird entspre-
chend ein Wafer mit den entsprechenden Strukturen für die Bauelemente erzeugt (Systemwafer) , der mit einem zweiten Wafer (Deckelwafer) , der entsprechende Gruben und Löcher aufweist, die beispielsweise durch Ätzen desselben hergestellt wurden, verbunden wird, beispielsweise durch einen Bond- Vorgang. Auf diese Art und Weise werden die Gruben des zweiten Wafers Hohlräume über den empfindlichen Strukturen des ersten Wafers bilden, wobei durch die Löcher im zweiten Wafer die Anschlussstellen (Kontaktpads) des ersten Wafers zugäng- lieh sind. Hierdurch werden die empfindlichen Strukturen geschützt.
Alternativ zu den gerade beschriebenen Vorgehensweisen kann auch ein Keramikgehäuse verwendet werden.
Der Nachteil der oben beschriebenen, bekannten Lösungen zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Bauelemente besteht darin, dass hier stets ein zweites Substrat bzw. ein zweiter Wafer zu strukturieren ist, was eine von dem ersten Wafer ge- trennte Prozessierung und Bearbeitung erforderlich macht. Dies führt zu einer sehr aufwendigen Gesamtherstellung und erhöht ferner die Anforderungen hinsichtlich der erforderlichen Prozessgenauigkeit.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zum Erzeugen einer Schutzabdeckung für Bauelemente zu schaffen, welches auf einfache Art und Weise die Erzeugung einer Schutzabdeckung ermöglicht, ohne dass eine getrennte Prozes- sierung weiterer Wafer und/oder Substrate erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzabdeckung für ein Bauelement, wobei ein Substrat
vorgesehen ist, welches das Bauelement umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
(a) Erzeugen zumindest einer Opferstruktur auf dem Substrat, wobei die Opferstruktur zumindest einen Bereich des Substrats bedeckt, welcher das Bauelement umfasst;
(b) Abscheiden einer Polymerschicht, die zumindest eine Opferstruktur umschließt;
(c) Bilden zumindest einer Öffnung in der Polymerschicht, um einen Abschnitt der Opferstruktur freizulegen;
(d) Entfernen der Opferstruktur; und
(e) Verschließen der in der Polymerschicht gebildeten Öffnung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf die im Stand der Technik bekannte aufwendige Art und Weise der Erzeugung von Schutzabdeckungen für Bauelemente verzichtet werden kann, indem die Erzeugung der Schutzabdeckung in den „laufenden" Herstellungsprozess für die Bauelemente einbezogen wird. Der Hohlraum über einem empfindlichen Bereich eines Bauelements wird unter Verwendung eines Opferschichtprozesses und eines Verschlussprozesses mit verschiedenen Polymermaterialien erzeugt. Die Endfestigkeit dieses „on-chip" Deckels ist ausreichend groß, um eine weitere Verarbeitung in Standard Packaging-Verfahren, also Verfahren bei denen die Chips in Gehäuse eingebracht werden, zu verwenden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird das erfindungsgemäße Verfahren auf Wafer- Ebene angewandt, um so auf einfache Art und Weise die Erzeu- gung einer Schutzabdeckung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Vielzahl von in dem Wafer gebildeten Bauelementen zu ermöglichen.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind in den Unteransprüchen definiert.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Darstellung eines Bauelements mit Schutzdeckel, welches gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 2A - 2H die einzelnen Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel; und
Fig. 3A - 3C die Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten, ähnlichen Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Anhand der Fig. 1 ist ein Element 100 gezeigt, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Sub- strat 102 vorgesehen, welches einen Bauelementbereich 104 umfasst. In dem Bauelementbereich 104 des Substrats 102 ist das Bauelement gebildet, für welches eine Schutzabdeckung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzeugen ist. Bei dem Bauelement kann es sich um ein vollständig innerhalb des Sub- strats 102 angeordnetes Bauelement handeln, oder um ein Bauelement, welches teilweise an einer Oberfläche des Substrats 102 freiliegt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
ist der Begriff Substrat so zu verstehen, dass dieser bereits die fertig prozessierten Bauelemente enthält, und zur Vereinfachung der Darstellung ist in den Figuren lediglich schematisch ein Bauelementbereich angedeutet, ohne auf die genauere Struktur der einzelnen Bauelemente einzugehen. Bei den genannten Bauelementen handelt es sich beispielsweise um BAW- Filter, Resonatoren, Sensoren und/oder Aktoren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine, in Fig. 1 nicht mehr zu sehende Opferstruktur auf dem Substrat 102 aufgebracht, die zumindest den empfindlichen Bereich des Bauelementbereichs 104 bedeckt hat. Erfindungsgemäß wurde anschließend eine Polymerschicht 106 erzeugt, die die Opferstruktur zumindest umschließt. In der Polymerschicht 106 wur- de eine Öffnung 108 gebildet, um einen Abschnitt der Opferstruktur freizulegen. Anschließend wurde die Opferstruktur entfernt, so dass sich der in Fig. 1 gezeigte Hohlraum 110 über dem Bauelementbereich 104 ergeben hat. Abschließend wurde die Öffnung 108 verschlossen, bei dem in Fig. 1 darge- stellten Ausführungsbeispiel durch Aufbringen einer weiteren Polymerschicht 112 auf der ersten Polymerschicht 106.
Erfindungsgemäß werden die im Stand der Technik auftretenden Probleme dadurch gelöst, dass auf die Verwendung eines weite- ren Substrats bzw. eines weiteren Wafers verzichtet wird.
Stattdessen wird eine Opferschicht, beispielsweise ein photo- strukturierbarer Resist, auf dem Substrat/dem Wafer 102 aufgetragen und anschließend strukturiert, so dass die Opferschicht lediglich in den Bereichen, die später durch die Schutzabdeckung geschützt werden sollen, zurückbleibt. Die Opferschicht wird dann mit der Polymerschicht 106 überzogen, so dass die Opferschicht vollständig damit bedeckt ist. Hierbei ist darauf zu achten, dass ein gegebenenfalls für eine Strukturierung der Polymerschicht eingesetztes Lösungsmittel die Opferschicht nicht an- oder auflöst. Ferner ist die erste Polymerschicht 106 mit einer Dicke aufzubringen, welche eine große Endfestigkeit und Härte aufweist. Als Material für die
Polymerschicht kommt beispielsweise SU-8 der Firma MicroChem, USA in Betracht. Vorzugsweise beträgt die Dicke der aufgebrachten ersten Polymerschicht 106 weniger als 20 μ . Die Polymerschicht wird dann strukturiert und über der Opferschicht mit einigen Löchern 108 versehen, so dass durch diese Löcher hindurch die Opferschicht aufgelöst werden kann. Im Zusammenhang mit der Auflösung der Opferschicht ist jedoch sicherzustellen, dass das hier verwendete Lösungsmittel das Material der Polymerschicht weder anlöst noch ganz auflöst.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden anschließend die sich ergebenden Strukturen, welche den dicken Schutzlack (Polymerschicht) aufweisen, getrocknet. Sofern die entstandenen Hohlräume 110 empfindlich sind und beim Trockenvorgang dazu neigen, anzukleben (sti- cking) , so kann auch ein Trockenverfahren in einem Überkriti- schen-Punkt-Trockner gewählt werden (SCPD = Super Critical Point Dryer) .
Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dann die sich so ergebende Schutzstruktur mit der weiteren Polymerschicht 112 überzogen, und gegebenenfalls vollständig von derselben eingeschlossen. Die Materialien der ersten Polymerschicht und der weiteren Polymerschicht können gleich sein. Die weitere Polymerschicht sollte ebenso als dicke
Schicht aufgetragen werden, vorzugsweise mit einer Dicke von weniger als 20 μm. Dies stellt sicher, dass am Ende des Prozesses die Schichtfolge mit ausreichend großer Härte und Endfestigkeit vorliegt. Abschließend erfolgt gemäß einem weite- ren Ausführungsbeispiel eine Strukturierung der weiteren Polymerschicht (Verschlussschicht) , um Kontakt-Pads (Anschlussflächen) und, im Fall von Wafern, Sägelinien freizulegen.
Hinsichtlich der Opferschicht ist festzuhalten, dass diese im einfachsten Fall ein Photolack sein kann. Alternativ kann die Opferschicht jedoch auch aus Metall, z. B. Kupfer, Titan, A-
luminium, oder aus einem Oxid, beispielsweise Siliziumdioxid (Si02) , gebildet sein.
Alternativ zu der oben beschriebenen Verschlusstechnik der Löcher 108 (siehe Fig. 1) , kann anstelle der weiteren Polymerschicht 112 auch eine auflaminierte, photostrukturierbare Folie verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, kann der Verschluss der Öffnungen mittels Metallpaste, z. B. durch Siebdruck, erfolgen, was insbesondere in Kombination mit Flip-Chip-Bumps (Bumps = Kontakthöcker) vorteilhaft ist.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 ein erstes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, bei dem eine Mehrzahl von Bauelementen auf einem Wafer mit einer Schutzabdeckung versehen werden. Zur Vereinfachung der Darstellung werden in Fig. 2 lediglich die relevanten Schritte zur Erzeugung der Schutzabdeckung gezeigt, nicht jedoch die in dem Wafer gebildeten Bauelemente. Für die nachfolgende Beschreibung wird der Begriff „Wafer" unter anderem mit der Bedeutung verwendet, dass hier bereits alle erforderlichen Bauelemente fertig prozessiert sind.
In Fig. 2A ist der Wafer 114 gezeigt, der eine erste Oberfläche 114a und eine zweite Oberfläche 114b, die der ersten 0- berflache 114a gegenüberliegt, aufweist. Auf der ersten Oberfläche 114a des Wafers 114 ist eine Opferschicht 116 gebildet, beispielsweise aus einem Photolack, einem Metall oder einer Oxidschicht. In einem ersten Verfahrensschritt wird nun unter Verwendung einer Maske 118 die Opferschicht 116 belichtet, wie dies durch die in Fig. 2A gezeigten Pfeile angedeutet ist. Durch die Maske 118 werden diejenigen Bereich definiert, welche nachfolgend über den empfindlichen Bereichen des Wafers 114 verbleiben sollen. Nachfolgend zu der Belichtung wird die Opferschicht 116 strukturiert, beispielsweise durch Entwickeln der Opferschicht, so dass sich die in Fig.
2B dargestellte Struktur bestehend aus dem Wafer 114 und bestehend aus zwei oberhalb der empfindlichen Bereiche der Bauelemente in dem Wafer angeordneten Opferstrukturen 116a und 116b ergibt. Anschließend wird die so strukturierte Opfer- Schicht 116 mit einer ersten Polymerschicht 106 überzogen, indem diese auf die erste Oberfläche 114a sowie auf die Opferstrukturen 116a und 116b aufgebracht wird, wie dies in Fig. 2C gezeigt ist. Vorzugsweise wird die erste Polymerschicht 106 mit einer Dicke von weniger als 20 μm auf dem Wa- fer 114 abgeschieden.
In einem nachfolgenden Schritt (siehe Fig. 2D) wird unter Verwendung einer weiteren Maske 120 die Polymerschicht 106 belichtet. Die Maske 120 definiert Bereiche, in denen später Öffnungen in der ersten Polymerschicht 106 zu den Opferstrukturen 116a und 116b gebildet werden, und ferner werden durch die Maske 120 zusätzlich Anschlussflächenbereiche sowie Sägelinien für eine spätere Vereinzelung des Wafers in Einzelelemente definiert. Die durch die Maske 120 definierten, frei- liegenden Bereiche der Polymerschicht 106 werden durch die Belichtung vernetzt. Die nicht-vernetzten Bereiche der Polymerschicht 106 werden in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt entfernt, so dass sich die in Fig. 2E gezeigte Struktur ergibt. Wie zu erkennen ist, wurde die erste Polymer- Schicht 106 strukturiert, so dass nun die Öffnungen 108a gebildet sind, die einen Teil der Opferstruktur 116a freilegen. Ebenso wurden die Öffnungen 108b erzeugt, welche einen Teil der Opferstruktur 116b freilegen. Zusätzlich wurde eine Sägelinie 122 ebenso wie ein Anschlussbereich 124 auf dem Wafer 114 freigelegt. Über den Anschlussbereich 124 erfolgt später eine Kontaktierung der in dem Wafer erzeugten Bauelemente.
Über die in der Polymerschicht 106 erzeugten Löcher 108a und 108b wird die darunterliegende Opferstruktur 116a bzw. 116b herausgelöst, und so die in Fig. 2F dargestellten Hohlräume 110a, 110b erzeugt.
Um die Öffnungen 108a und 108b zu verschließen, wird auf die in Fig. 2F dargestellte Struktur bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine weitere Polymerschicht 112 abgeschieden, wie dies in Fig. 2G gezeigt ist. Die weitere Polymer- schicht 112 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material hergestellt wie die erste Polymerschicht 106, kann jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen auch durch ein anderes Material gebildet sein. Wie zu erkennen ist, wird durch das Aufbringen der weiteren Polymerschicht 112 ein Ver- schluss der Öffnungen 108a und 108b erreicht. In einem anschließenden Schritt wird unter Verwendung einer dritten Maske 126 die weitere Polymerschicht 112 strukturiert, wobei die dritte Maske 126 die bereits der anhand der Fig. 2E beschriebenen Anschlussbereiche 124 und Sägelinie 122 definiert. Die belichteten Bereiche der weiteren Polymerschicht 112 werden vernetzt, und die nicht-vernetzten Bereiche werden in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt entfernt, so dass sich die in Fig. 2H dargestellte abschließende Struktur des Wafers ergibt.
In einem weiteren, nicht dargestellten Verfahrensschritt kann der Wafer 114 dann auch noch vereinzelt werden, um so die Einzelelemente zu erzeugen. Diese Einzelelemente werden dann kontaktiert und in entsprechenden Gehäusen angeordnet.
Hinsichtlich der oben beschriebenen Strukturierungsschritte ist darauf hinzuweisen, dass beim Strukturieren der ersten Polymerschicht 106 das dort eingesetzte Lösungsmittel so gewählt sein sollte, dass es zu keiner An- bzw. Auflösung des Materials der Opferschicht kommt. Ebenso ist beim Entfernen der Opferschicht sicherzustellen, dass das dort eingesetzte Lösungsmittel das Polymermaterial der ersten Polymerschicht 106 nicht an- oder auflöst.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Herstellung einer Schutzabdeckung für ein Bauelement auf einem Sub-
strat näher erläutert. In Fig. 3A ist eine Struktur gezeigt, die sich nach dem Öffnen der ersten Polymerschicht ergibt. In Fig. 3A ist ein Substrat 102 gezeigt, in dem schematisch ein aktiver Bereich 104 eines darin angeordneten Bauelements ge- zeigt ist. Die Opferschicht 116 ist hier z.B. aus Kupfer hergestellt und auf einer ersten Oberfläche 102a des Substrats angeordnet, und überdeckt den aktiven Bereich 104 des in dem Substrat umfassten Bauelements. Ferner ist eine Anschlussmetallisierung 126 auf der ersten Oberfläche 102a des Substrats 102 gebildet, die hier vorzugsweise aus dem gleichen Material, nämlich Kupfer (Cu) , wie die Opferschicht/Opferstruktur 116 gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch das Abscheiden und Strukturieren eine Kupferschicht gleichzeitig die Opferstruktur 116 und die Metallisierung 126 gebildet werden. Auf der Anschlussmetallisierung 126 ist eine erste
UBM 128a (UBM = Under Bump Metallisierung = Untermetallisierung für das Lotmaterial), z.B. aus Gold (Au), gebildet. Ferner ist auf einem Abschnitt der Opferschicht 116 eine zweite UBM 128b, z.B. aus Gold (Au), gebildet. Die zweite UMB 128b erstreckt sich, wie in Fig. 3A gezeigt ist, von einer dem
Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Opferschicht 116 auf die erste Oberfläche 102a des Substrats 102. Um ein späteres Entfernen der Opferschicht 116 zu ermöglichen, weist die zweite UBM 128b eine Öffnung 130 auf, welche die Opferschicht 116 freilegt. Wie ferner zu erkennen ist, umfasst die erste Polymerschicht 106 im Bereich der UBMs 128a und 128b Öffnungen 108a und 108b.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die Opfer- Schicht 116 durch Anwenden eines Lösungsmittels auf dieselbe entfernt, wobei lediglich die Opferschicht 116 aufgrund der Öffnung 130 entfernt wird, nicht jedoch die Metallisierung 126, welche durch die erste UBM 128a geschützt ist. Die Öffnungen 108a und 108b werden bei dem in Fig. 3 gezeigten Aus- führungsbeispiel durch eine Lötpaste 132a, 132b verschlossen, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, in der auch der sich erge-
bende Hohlraum 110 oberhalb des aktiven Bereichs 104 des Bauelements des Substrats 102 gezeigt ist.
Fig. 3C zeigt eine Aufsicht der in Fig. 3B gezeigten Struktur und verdeutlich nochmals die durch die Opferschicht 116 freigelegten Bereiche. Genauer gesagt ist in Fig. 3C der gestrichelt gezeigte Bereich derjenige, der durch die Opferschicht 116 freigelegt wird.
Über die Anschlüsse 128a und 128b erfolgt eine entsprechende Kontaktierung des Bauelements in dem Substrat nach außen. Die Lötpaste kann beispielsweise durch das bekannte Reflow- Verfahren aufgebracht werden, nachdem die Opferschicht freigeätzt wurde.
Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert wurden, ist die vorliegende Erfindung natürlich nicht hierauf beschränkt.
Anstelle der beschriebenen Polymermaterialien können auch andere geeignete Materialien wie beispielsweise abgeschiedene Schichten aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Metalle, Metallverbindungen.
Die Dicke der aufgebrachten Polymermaterialschichten liegt vorzugsweise zwischen 1 μm und 100 μm. Weiterhin vorzugsweise liegt die Dicke der aufgebrachten Polymermaterialschichten zwischen 1 μm und 20 μm.
Bezugs zeichenliste
100 Element
102 Substrat
104 Bauelementbereich
106 Polymerschicht
108, 108a, 108b Öffnung
110, 110a, 110b Hohlraum
112 weitere Polymerschicht
114 Wafer
114a erste Oberfläche des Wafers
114b zweite Oberfläche des Wafers
116 Opferschicht
116a, 116b OpferStruktur
118, 120 Maske
122 Sägelinie
124 Anschlussbereich
126 Anschlussmetallisierung
128a, 128b UBM
130 Öffnung
132a, 132b Lötpaste