WO2008155297A2 - Mems bauelement und verfahren zur herstellung - Google Patents

Abstract

Zur Vermeidung störender Reflexionen und akustischer Volumenwellen wird bei einem MEMS-Bauelement, welches einen die Bauelementstruktur tragenden Chip umfasst, auf der den Bauelementstrukturen entgegengesetzten Rückseite des Chips eine Metallstruktur zur Streuung von akustischen Volumenwellen vorgesehen. Die Metallstrukturen umfassen ein akustisch an das Material des Chips angepasstes Metall.

Description

Beschreibung

MEMS Bauelement und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement (Micro-Electro Me- chanical System) , bei dem störende akustische Volumenwellen auftreten können.

Akustische Volumenwellen treten insbesondere als Leckwellen eines mit Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements - SAW

(Surface Acoustic Wave) -Bauelement - auf, das auf einem Leckwellen begünstigenden Substrat aufgebaut ist. Diese von den Bauelementstrukturen mit erzeugten Volumenwellen können durch Reflexion an der Rückseite des Chips, auf dem das Bauelement aufgebaut ist, in die akustisch aktiven Bauelementstrukturen zurückreflektiert werden, wo sie Störsignale erzeugen können. Dieses Problem verstärkt sich im Zuge der Miniaturisierung, bei der zu dünneren Chips und damit geringerer Bauelementhöhe übergegangen wird bzw. wenn Chips in einem späten Fertigungs- Stadium von der Rückseite her abgeschliffen und damit gedünnt werden. Mit geringer werdender Chipdicke wird ein höherer Anteil an Volumenwellen in die Bauelementstrukturen zurück reflektiert.

Zur Vermeidung der Rückseitenreflexion von Volumenwellen werden bislang die Chiprückseiten aufgeraut oder gezielt durch Einsägen, Schleifen oder Ätzen mit Strukturen versehen, die eine einheitliche Reflexion der Volumenwelle verhindern und vorzugsweise die Volumenwelle streuen. Solche Strukturen er- höhen jedoch die Bruchempfindlichkeit, die zusätzlich mit abnehmender Chipdicke steigt, sodass z.B. ab bei einer Chipdicke von nur noch ca. 200 μm nur noch glatte Rückseiten ein- gesetzt werden können, um bei der Herstellung des Bauelements einen zu hohen Ausschuss zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Bauele- ment anzugeben, bei dem die Reflexion von Volumenwellen an der Chiprückseite reduziert ist und welches auch bei Bauelementen eingesetzt werden kann, die eine durch Dünnen des Chips minimierte Schichtdicke aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein MEMS-Bauelement vorgeschlagen, welches einen auf einer Vorderseite Bauelementstrukturen tragenden Chip aufweist, der eine glatte Rückseite mit einer geringen Rauigkeit besitzt. Diese kann weniger als ein Zehntel der Wellenlänge betragen, die der Mittenfrequenz einer im Bauelement aus- breitungsfähigen akustischen Welle entspricht. Auf dieser Rückseite sind nun Strukturen zur Streuung von akustischen Volumenwellen vorgesehen. Insbesondere sind die Strukturen aus einem Material gefertigt, welches akustisch an das Material des Chips angepasst ist.

Mit Hilfe geeigneter und wegen der einfacheren Herstellung insbesondere metallischer Strukturen gelingt es, die Reflexion von akustischen Volumenwellen an der glatten Rückseite des Chips zu vermindern bzw. zu vermeiden. Die Strukturen können auch andere und z.B. auch elektrisch nichtleitende Materialien umfassen. Die glatte Chiprückseite hat den Vorteil, dass die Chips während der Herstellung der Bauelemente ohne erhöhte Bruchgefahr auf eine minimale Schichtdicke gedünnt werden können. Dies erlaubt die Herstellung von Bauelementen mit minimaler Bauhö- he.

Die Verwendung akustisch wechselseitig aneinander angepasster Materialien für die metallischen Strukturen und den Chip, welcher üblicherweise ein piezoelektrischer Kristall ist, mi- nimiert den akustischen Impedanzunterschied und erleichtert den Übertritt der akustischen Volumenwelle aus dem Material des Chips in die metallische Struktur.

Unter akustischer Anpassung wird im Sinne der Erfindung eine Materialauswahl verstanden, die dahingehend optimiert ist, dass beide Materialien möglichst nahe beieinander liegende oder gar identische akustische Impedanzen aufweisen. Eine weitere akustische Anpassung und damit weiter verbesserte Eigenschaften werden erhalten, wenn die Ausbreitungsgeschwin- digkeit der akustischen Volumenwellen in beiden Materialien einander angenähert und möglichst gleich ist. Je besser die akustische Anpassung ist, desto einfacher gelingt die Ein- kupplung der akustischen Volumenwelle in die metallischen Strukturen, in denen sie entweder gedämpft oder gestreut wer- den kann.

Eine geeignete metallische Struktur mit hohem Streuvermögen wird mit einer Metallstruktur mit einem zufälligen und daher unregelmäßigem Muster erhalten. Unregelmäßige Muster haben den Vorteil, dass auch bei streuender Reflexion der akustischen Volumenwelle das Entstehen von konstruktiven Interferenzen und damit von schädlichen reflektierten Volumenwellenanteilen weitestgehend vermieden wird. - A -

Eine Möglichkeit zur Gestaltung eines Musters besteht in einer geeigneten Verteilung von Metallstrukturen auf der Rückseite des Chips, auf welcher sich dann mit Metall belegte O- berflächenbereiche und von Metallstrukturen freie Ober- flächenbereiche in unregelmäßiger Reihenfolge abwechseln.

Vorteilhaft ist es, wenn die Metallstrukturen eine Dicke aufweisen, die einer akustischen „Entspiegelung" entspricht. Eine solche Entspiegelung wird erhalten, wenn von der Oberseite der Metallstrukturen reflektierte Anteile der Volumenwellen gegenüber den an der Phasengrenze von Chip zu Metallstrukturen reflektierten Volumenwellen einen Laufzeitunterschied von λ/2 aufweisen, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Volumenwelle im Chip ist. Ein solcher Laufzeit- unterschied wird mit Schichtdicken erhalten, deren Dicke λ/4 + n * λ/2 entspricht, n kann dabei eine ganze Zahl darstellen, die vorteilhaft zwischen 0 und 6 liegt. Möglich sind jedoch auch dickere Schichten, so dass für n auch gelten kann: 0 < n < 15.

Die Dicke λ/4 + n * λ/2 hat den Vorteil, dass alle akustischen Volumenwellen der Wellenlänge λ, die innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs auftreffen, durch auslöschende Interferenz kompensiert werden können.

Die Metallstruktur kann mittlere Strukturgrößen zwischen 0,2 und 5 λ aufweisen. Im unteren Bereich liegende Strukturgrößen haben den Vorteil, dass sich damit eine maximale Rauigkeit der Metallstruktur ausbilden lässt bzw. eine Oberfläche, bei der eine maximale Anzahl alternierender Strukturen pro Längen- oder Flächeneinheit erhalten werden kann. Es besteht die Möglichkeit, die mittleren Strukturgrößen zwischen 0,25 und 0,5 λ zu wählen. Dies hat den Vorteil, dass an den Strukturkanten der Metallstrukturen reflektierte Wellenanteile zu einer negativen Interferenz führen und weitere Wellenanteile auf diese Weise ausgelöscht werden können. Dies erhöht den Bereich möglicher Auftreffwinkel der akustischen Volumenwellen, innerhalb derer die Reflexion vermindert oder vermieden wird.

Allein unter dem Aspekt, eine maximale Rauigkeit der Oberfläche mit Hilfe der Metallstrukturen zu erzielen, ist eine metallische Oberflächenbelegung auf der Rückseite des Chips von 40 bis 60 % und insbesondere von 50 % von Vorteil. Bei exakt 50 % Oberflächenbelegung gelingt es, bei gegebenen mittleren Strukturgrößen eine maximale Anzahl von Strukturen pro Längen- oder Flächeneinheit zu realisieren.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn die nicht von Metall bedeckten Oberflächenbereiche auf der Rückseite des Chips von einer akustischen Dämpfungsmasse und insbesondere von einem akustisch angepassten Material bedeckt sind, insbesondere von einer Kunststoffmasse. Die kann durch einen Füllstoff akustisch angepasst sein. Die akustische Dämpfungsmasse kann die Zwischenräume zwischen den Metallstrukturen ausfüllen. Mög- lieh ist es jedoch auch, die akustische Dämpfungsmasse in höherer Schichtdicke aufzubringen, sodass diese sowohl die Zwischenräume ausfüllt als auch die Metallstrukturen überdeckt.

Mit dem vorgeschlagenen MEMS-Bauelement gelingt es, die Schichtdicke der Chips auf unter 200 μm, vorzugsweise auf unter 150 μm, zu reduzieren, dabei glatte Chiprückseiten zu verwenden, die die Bruchgefahr beim Dünnen des Chips bei der Verarbeitung des gedünnten Chips minimieren, ohne dass dabei ein erhöhter Anteil von der Rückseite reflektierter akustischer Volumenwellen in Kauf zu nehmen ist.

Ein akzeptabler Trade-Off zwischen erhöhter Bruchgefahr und damit höherem Ausschuss und minimaler Strukturhöhe des Bauelements kann auch noch bei einer Schichtdicke von 130 μm und weniger gefunden werden.

Die Bauelementstrukturen des Chips können ein SAW- oder ein BAW (BuIk Acoustic Wave) -Bauelement realisieren, welche beide störende, in den Chip oder das Substrat abtauchende Leckwellen erzeugen können. Möglich ist es jedoch auch, dass das MEMS-Bauelement andere Bauelementstrukturen aufweist, die e- benfalls durch akustische Volumenwellen gestört werden kön- nen. Anwendung findet die Erfindung daher auch bei Bauelementen, deren elektrische Bauelementeigenschaften wesentlich durch die räumliche Dimension definiert sind und die bei Dimensionsschwankungen, wie sie infolge von akustischen Volumenwellen auftreten können, die Bauelementspezifikationen un- zulässigerweise verändern.

Ein geeignet akustisch angepasstes Metall für die Metallstrukturen wird in Abhängigkeit von dem Material des Chips ausgewählt. Für ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bau- element weist beispielsweise Lithiumtantalat als geeignetes Material für den Chip eine akustische Impedanz Za2 von 26,46 kg/m²s auf, an das Metalle wie Kupfer (Za2 = 25,95 kg/m²s) , Chrom (Za2 = 26,72 kg/m²s)oder Nickel (Za2 = 26,02 kg/m²s) eine gute akustische Anpassung aufweisen, da sie eine ähn- liehe akustische Impedanz besitzen. Vorteilhaft sind daher

MEMS-Bauelemente mit einem Chip aus Lithiumtantalat und einer Metallstruktur aus Kupfer, Chrom oder Nickel oder einer Kombination dieser Metalle. Chrom hat außerdem den Vorteil, das in diesem Metall die Ausbreitungsgeschwindigkeit v der akustischen Welle mit 3742,41 m/s ähnlich der in Lithiumtantalat (v = 3552, 10 m/s) ist.

Ein weiteres häufig verwendetes piezoelektrisches Material ist Lithiumniobat mit einer akustischen Impedanz Za2 = 16,79 kg/m²s. Ein Reinmetall, welches gut an die akustische Impedanz von Lithiumniobat angepasst ist, ist beispielsweise Titan (Za2 = 14,08 kg/m²s) .

Möglich ist es jedoch auch, ein akustisch angepasstes Metall durch eine entsprechende Legierung von Einzelmetallen zu erzielen, die höhere bzw. niedrigere akustische Impedanz als das piezoelektrische Material aufweisen. Auch Schichtsysteme von Metallen mit unterschiedlichen Impedanzen sind geeignet.

Vorteilhaft ist es, die metallischen Strukturen zusammen mit anderen metallischen Strukturen an anderer Stelle des MEMS- Bauelements zu kombinieren bzw. in einem gemeinsamen Ver- fahren herzustellen. Vorteilhaft sind auch synergistische Effekte, bei denen das Metall für die metallischen Strukturen auf der Chiprückseite an anderer Stelle weitere vorteilhafte Funktionen für das MEMS-Bauelement erfüllt.

MEMS-Bauelemente können beispielsweise in Flip-Chip-Bauweise auf Unterlagen oder Trägern mit integrierten Verschaltungen befestigt sein. Dabei weist der Chip auf seiner Unterseite lötbare Kontakte auf, die über geeignete elektrisch und mechanisch verbindende Verbindungsstrukturen und insbesondere über Bumps mit lötbaren Anschlussflächen auf der Oberseite des Trägers verbunden sind. Auf der Unterseite des Trägers können elektrische Außenkontakte vorgesehen sein, die mit den lötbaren Anschlussflächen elektrisch leitend verbunden sind. Die Flip-Chip-Anordnung hat den Vorteil, dass vorzugsweise auf der Unterseite des Chips angeordnete Bauelementstrukturen zwischen Chip und Träger eingeschlossen und damit mechanisch gegen Einwirkungen von außen geschützt sind. Die Bump- Verbindungen zwischen Träger und Chip dienen dabei als Abstandshalter, die einen gewissen Abstand zwischen Träger und Chip gewährleisten. Der freie Raum zwischen Chip und Träger kann außerdem an den Chipkanten verschlossen sein. Eine geeignete Methode dafür ist ein auf den Träger aufgebrachter Rahmen, auf dem der Chip vollständig so aufliegen kann, dass seine Bauelementstrukturen innerhalb des vom Rahmen eingeschlossenen Raums zu liegen kommen. Vorteilhaft ist es beispielsweise, einen solchen Rahmen zumindest an seiner Oberseite (Auflagefläche des Chips) metallisch auszubilden und insbesondere mit einer planarisierten Oberfläche zu versehen. Dann ist es möglich, das Metall, das für die Herstellung der metallischen Strukturen auf der Rückseite des Chips verwendet wird, gleichzeitig zu einer Abdichtung der Trennfuge zwischen Rahmen und Chipkante zu verwenden, indem aus diesem Metall ein Metallverschluss strukturiert wird.

Dabei ist es vorteilhaft, den Chip an der Seitenkante zumindest im Bereich der Trennfuge mit einer benetzenden Metallisierung zu versehen, die einen hermetisch dichten Kontakt zu einem Metallverschluss ausbilden kann und somit einen hermetischen Verschluss der innerhalb des Rahmens zwischen Chip und Träger eingebetteten Bauelementstrukturen ermöglicht.

Vorzugsweise ist das MEMS-Bauelement auf einem keramischen Träger aufgebracht, der als Mehrlagensubstrat mit zumindest zwei dielektrischen keramischen Schichten und einer dazwischen angeordneten Metallisierungsebene ausgebildet ist. Das Mehrlagensubstrat ist vorzugsweise ein verzugsarmes oder ver- zugsfreies LTCC-Material (Low Temperature Co-fired Ceramics) oder ein HTCC-Material (High Temperature Co-fired Ceramics) . In der Metallisierungsebene kann eine elektrisch Verschaltung realisiert ein. Möglich ist auch, durch eine oder mehrere miteinander verschalteter Metallisierungsebenen passive Komponenten wie Widerstände, Induktivitäten oder Kapazitäten zu realisieren. Diese können auch zu Schaltungen und Netzwerken verbunden sein und z.B. HF-Filter realisieren.

Mit der genannten Verbindungstechnik und insbesondere durch Auflage des Chips auf einem an der Oberfläche planarisierten Rahmen ist es möglich, ein MEMS-Bauelement auch auf einen nach dem Sintern verzogenen und damit nicht mehr planen Träger aufzubringen, ohne dass dadurch erhöhte Kräfte auf den Chip einwirken können. Eine spannungsarme Chipmontage auf dem Träger wird auch erreicht, wenn die Höhe des Rahmens an die Bump-Höhe angepasst ist, wobei die durch Kontraktion der Bumps beim Aufschmelzen erzeugte auf den Chip einwirkende Zugkräfte minimiert sind.

Vorzugsweise besteht der Rahmen zumindest an seiner Oberfläche aus einem Metall, welches einfach und kostengünstig aufzubringen ist. Der Rahmen kann auch als Siebdruckstruktur auf den Träger aufgebracht und anschließend mit einer dünnen Metallschicht versehen sein.

Ein z. B. durch galvanische Verfahren einfach und kostengünstig aufzubringendes Metall ist beispielsweise Kupfer. Ein aufgrund einer geringen Schichtdicke mechanisch empfind- licher Chip wird vorteilhaft auf einen Rahmen mit planari- sierter Oberfläche aufgebracht und zusätzlich durch innerhalb des Rahmens auf dem Träger vorgesehene Stützelemente gestützt, die die gleiche Höhe wie der Rahmen aufweisen. Geeignete Muster für die Metallstruktur auf der Chiprückseite können durch eine unregelmäßige Verteilung von getrennten Metallisierungsflächen erhalten werden. Vorzugsweise weisen diese Flächen die genannten geringen Abmessungen auf. Vor- zugsweise sind metallisierte Flächen unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen Umrisses zu einem unregelmäßigen Muster kombiniert .

Möglich ist es jedoch auch, ein unregelmäßiges Muster durch eine Metallschicht zu realisieren, in der nicht zusammenhängende Ausnehmungen unterschiedlicher Größe und Form vorgesehen sind. Auf diese Weise wird ein unregelmäßiges Gitter von zusammenhängenden Metallstrukturen erhalten.

Ein geeignetes Muster wird z. B. durch Aneinanderreihung unregelmäßiger Polygone erhalten, die unter Vermeidung von Symmetrien eine Art Penrose-Muster ausbilden. Dabei können die Polygonkanten je nach Strukturierung als Gitter oder als Grabenmuster ausgeführt sein. Die unregelmäßigen Polygone haben außerdem den Vorteil, dass die geradlinig verlaufenden Abschnitte der Polygone eine Vielzahl möglicher Kantenwinkel zueinander ausbilden, sodass eine einheitliche Reflexionsrichtung vermieden ist und eine maximale Streuung der Oberflächenwelle erzielt wird.

Die Metallstrukturen können außerdem geeignete und vorzugsweise variierende Kantenwinkel aufweisen. Mit geeigneten Kantenwinkeln kann die Reflexion weiter beeinflusst werden und im Sinne einer maximalen Streuung oder einer gerichteten Re- flexion in einen Bereich, der außerhalb der aktiven Bauelementstrukturen liegt oder in dem ein Eindringen reflektierter Volumenwellen unschädlich ist. Ausgehend von diesem Gesichtspunkt besteht eine weitere mögliche Ausgestaltung der Metallstrukturen in einem Muster, welches ein Bragg-Gitter realisiert. Ein solches wirkt wie ein Spiegel mit einstellbarer gerichteter Reflexion und er- möglicht es ebenfalls, auf das Bragg-Muster eintreffende Volumenwellen gezielt in eine bestimmte und für die Bauelementstrukturen ungefährliche Richtung zu reflektieren.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf der Rückseite des Chips besteht in einer Fotostruktur- ierung. Dazu wird vorteilhaft ein Resist auf der Rückseite aufgebracht und zu einer Negativstruktur der gewünschten Metallstruktur strukturiert. In den von der strukturierten Re- sistschicht nicht bedeckten Oberflächenbereichen der Rücksei- te des Chips wird nun ein Metall bis zur gewünschten Schichtdicke aufgebracht. Anschließend kann der Resist entfernt werden. Möglich ist es jedoch auch, den Resist als dämpfende O- berflächenbeschichtung in den Zwischenräumen zwischen den Metallstrukturen zu belassen.

Die Metallisierung kann in zwei Schritten erfolgen, wobei zunächst eine Grundmetallisierung auf den Chip aufgebracht und anschließend galvanisch oder stromlos verstärkt wird. Die Grundmetallisierung kann nach der Erzeugung der Resiststruk- tur aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, Auf- sputtern oder durch Aufbringen von Keimen aus einer Lösung, beispielsweise durch Behandlung mit einer Palladiumionen enthaltenden Aktivierungslösung.

Möglich ist es jedoch auch, die Grundmetallisierung vor dem

Erzeugen der Resiststruktur ganzflächig auf die Chiprückseite aufzubringen und anschließend nur an den Stellen mit Hilfe der Resiststruktur, z. B. galvanisch oder stromlos, zu ver- stärken, in denen ein Metallmuster entstehen soll. Die vorzugsweise in minimaler Schichtdicke aufgebrachte Grundmetallisierung kann dabei auf der Rückseite verbleiben. Möglich ist es jedoch auch, nach Entfernen der Resiststruktur die Grundmetallisierung in den nun von der Resiststruktur freien Oberflächenbereichen wieder zu entfernen, beispielsweise durch einen Ätzschritt.

Die Grundmetallisierung kann ein Metall umfassen, welches a- kustisch nicht angepasst ist. Bis zu einer minimalen Schichtdicke im Bereich weniger Nanometer ist die Grundmetallisierung akustisch nicht relevant und wird von einer auftreffenden Volumenwelle nicht gesehen und bleibt daher akustisch bzw. bezüglich der Reflexion ohne Wirkung.

Vorteilhaft ist es, den Resist in einer gleichmäßigen Schichtdicke aufzubringen. Dazu können insbesondere Resistfo- lien verwendet werden, die auf die Rückseite des Chips auflaminiert werden können. Möglich ist es dabei, die Dicke der Resistschicht an die Dicke der zu erzeugenden Metallstruktur anzupassen. Dann kann der Metallisierungsprozess solange geführt werden, bis die Lücken zwischen den Resiststrukturen vollständig mit Metall gefüllt sind.

Der Resist kann ein Fotoresist sein, der durch Belichtung und Entwicklung strukturierbar ist. Möglich ist es jedoch auch, einen Resist mittels eines weiteren Fotoresists zu strukturieren. Weiterhin ist es möglich, den Resist direkt durch Ablation mittels eines Lasers zu strukturieren. Dies ist ins- besondere für Resiststrukturen und damit Metallmuster interessant, die sich als Linienmuster aus einer Vielzahl geradliniger Abschnitte zusammensetzen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und daher nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Ihnen können somit weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.

Figur 1 zeigt ein MEMS-Bauelement mit Metallstrukturen im schematischen Querschnitt,

Figuren 2 bis 4 zeigen mögliche Muster für die Metallstrukturen in der Draufsicht,

Figur 5 zeigt ein weiteres MEMS-Bauelement im Querschnitt.

Figur 1 zeigt ein MEMS-Bauelement im schematischen Querschnitt, welches hier als SAW-Bauelement ausgeführt ist. Das Bauelement umfasst einen Chip CH, der aus einem piezoelektrischen Material und insbesondere einem Piezokristall besteht und insbesondere aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat . Auf der Vorderseite VS des Chips sind akustisch aktive Bauelementstrukturen BS angeordnet. Auf der Rückseite RS des Chips CH ist eine Metallstruktur MS angeordnet, welche ein unregelmäßiges Muster darstellt. Das Muster zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Breite b der Strukturen, die Ab- stände a der Strukturen sowie die Kantenwinkel der Metallstrukturen MS unterschiedlich gewählt sind. Für die in der Figur ersten drei Metallstrukturen MS von links gilt beispielsweise für die Breiten b: bl ≠ b2 und für die Abstände a: al ≠ a2. Die Metallstruktur ist so ausgeführt, dass ca. 50 % der Rückseite RS von Metallstrukturen MS belegt sind. Die Metallstrukturen MS sind aus einem akustisch angepassten Material, welches eine akustische Impedanz aufweist, die derjenigen des Chips CH möglichst nahe kommt. Das MEMS-Bauelement arbeitet im vorliegenden Fall mit Oberflächenwellen, die bestimmungsgemäß entlang der Vorderseite VS des Chips geführt werden. Ein Teil der über die Bauele- mentstrukturen BS eingekoppelten Energie kann jedoch auch in Volumenwellen BW umgewandelt werden, die in das Piezomaterial des Chips CH abtauchen und bis zur Rückseite RS des Chips verlaufen können. Ohne besondere Maßnahmen an der Rückseite wird eine solche Volumenwelle BW an der Rückseite reflektiert und kann in die Bauelementstrukturen BS zurücklaufen, wo sie wieder in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird, welches allerdings nicht das bestimmungsgemäße Signal ist und daher ein Störsignal darstellt.

Ist die Oberfläche nun zumindest teilweise mit akustisch an- gepasstem Material, hier mit der Metallstruktur MS, belegt, so kann die Welle in diese Metallstruktur eintreten. Innerhalb der Metallstruktur wird sie erst an deren Oberfläche o- der Seitenkanten reflektiert. Das unregelmäßige Muster der Metallstruktur MS führt dann selbst bei vollständig von der Metallstruktur reflektierten Volumenwellen zu einer Streuung der Welle, die dann in den Bauelementstrukturen BS bestenfalls ein Rauschen, keinesfalls aber mehr ein Störsignal erzeugen. Vorzugsweise wird die Volumenwelle jedoch innerhalb der Metallstruktur oder innerhalb einer in der Figur nicht dargestellten Dämpfungsschicht absorbiert, die über und/oder zwischen den Metallstrukturen angeordnet ist. Die Dicke d und die Breiten b der Metallstrukturen sind vorzugsweise so ausgebildet, dass reflektierte Volumenwellen mit den Volumen- wellen interferieren, die an der Grenzfläche zwischen Chip CH und Metallstruktur MS reflektiert werden und sich so auslöschen . Figur 4 zeigt ein mögliches Muster für die Metallstruktur MS in der Draufsicht. Die mit der Metallstruktur MS versehene Fläche ist lückenlos mit Dreiecken, Vierecken, Fünfecken, Sechsecken, Siebenecken und Achtecken parkettiert. Über 180° hinausgehende Innenwinkel sind hier vermieden. Die Polygone sind so unregelmäßig, dass das Raster keinerlei Symmetrie aufweist. Die Polygone wiederum sind in sich so unregelmäßig, dass sie unterschiedliche Innenwinkel und unterschiedliche Kantenlängen aufweisen. Entsprechendes gilt für benachbarte Polygone, die sich jeweils durch eine gemeinsame Kante auszeichnen. Das dargestellte Muster kann ein Muster von Vertiefungen sein oder ein positives Muster, bei dem die Polygonkanten ein erhabenes Gitter von Metallstrukturen darstellen.

Figur 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Musters in Form eines Penrose-Musters auf der Grundlage regelmäßiger Fünfecke. Diese sind so angeordnet, dass jede Strecke des Rasters die Seite eines dieser Fünfecke ist. Die Fünfecke überschneiden sich nicht und in die Zwischenräume zwischen den Fünf- ecken lässt sich kein weiteres Fünfeck ohne Überschneidungen einfügen. Die Fünfecke hängen so zusammen, dass sich die Mittelpunkte je zweier Fünfecke durch eine stetige Kurve verbinden lassen, die vollständig im Inneren von Fünfecken und von Seiten verläuft. Diese Kurve enthält also nur Punkte, die zu einem Fünfeck gehören und nicht Eckpunkte eines Fünfecks sind. Anders ausgedrückt handelt es sich um eine Anordnung, bei der je zwei Fünfecke durch eine Kette von Fünfecken lückenlos miteinander verbunden sind, wobei je zwei aufeinander folgende Fünfecke dieser Kette eine gemeinsame Seite besitzen und zwei benachbarte Fünfecke, die gemeinsame Randpunkte haben, besitzen entweder eine gemeinsame Kante oder berühren sich in einem gemeinsamen Eckpunkt, wobei eine von diesem Eckpunkt begrenzte Seite des einen Fünfecks und eine von die- sem Eckpunkt begrenzte Seite des anderen Fünfecks existieren, die zueinander in einem Winkel von ungleich 180° ausgerichtet sind. Diese Seiten können dann gleichzeitig die Seiten eines dritten Fünfecks sein.

Wie Figur 2 zeigt, setzt sich das gesamte Raster aus vier unterschiedlichen Polygonen zusammen, nämlich den erwähnten Fünfecken 5, Rhomben 4, sternförmigen Zehnecken 6 und schiff- chenförmigen Siebenecken, die zusammengesetzt sind aus einem Trapez und einem an die längere Parallelseite angesetzten gleichschenkeligen Dreieck.

Grundelemente weiterer für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Metallstrukturen anwendbare Penrose-Muster sind zwei Ar- ten von Rhomben. Die eine Art besitzt Innenwinkel von 36° und 144°, die andere Innenwinkel von 72° und 108°. Die Seitenlängen sind jeweils gleich. Beim Nebeneinandersetzen von derartigen Rhomben zu größeren Polygonen ergibt sich eine Art fünfzählige Symmetrie. Eine derartige Rasterung ist für eine unregelmäßig strukturierte Metallstruktur einsetzbar. Dabei ist es allerdings von Vorteil, wenn nicht mehr als drei Seiten in einem Punkt zusammenstoßen. Figur 3 zeigt eine mögliche Anordnung einer solchen Aneinanderfügung unterschiedlicher Rhomben. Das in Figur 3 dargestellte Muster ist lücken- los zusammengesetzt aus einem Rhombus mit 72° Innenwinkel und zwölf Sechsecken, die aus je zwei Rhomben 36° Winkel und/oder 72° Winkel zusammengesetzt sind.

Es sind jedoch eine Vielzahl weiterer randomisierter und da- her unregelmäßiger Muster für die Metallstruktur MS geeignet, die sich insgesamt dadurch auszeichnen, dass möglicherweise an Strukturkanten erfolgende Reflexionen von Volumenwellen über einen breiten Winkelbereich erfolgen, da eine Vielzahl von Winkeln zwischen den Kanten benachbarter Strukturen auftreten können.

Figur 5 zeigt ein detaillierter dargestelltes MEMS-Bauele- ment, bei dem ein Chip CH in Flip-Chip-Technik auf einen Träger T montiert ist. Die mechanischen und elektrischen Verbindungen zwischen Träger T und Chip CH erfolgen über Bumps BU, die lötfähige Kontakte auf der Chipvorderseite mit Anschlussflächen AF auf der Oberseite des Trägers T verbinden.

Auf der Unterseite weist der Träger Außenkontakte AK auf, die durch interne elektrische Verbindungen durch den Träger, vorzugsweise im Rahmen einer Mehrlagenmetallisierung elektrisch mit den Anschlussflächen AF und über die Bumps mit den lötfä- higen Kontakten und über weitere nicht dargestellte Leitungen mit den Bauelementstrukturen BS verbunden sind.

Vorzugsweise ist der Chip CH mit einer minimalen Schichtdicke d_c ausgestattet, um insgesamt eine minimale Bauhöhe des MEMS- Bauelements zu erreichen. Eine stressarme Montage auf dem

Träger kann in einem solchen Fall mit Hilfe eines Rahmens R erfolgen, der auf dem Träger T so angeordnet ist, dass er eine Chipeinbaufläche umschließt und der eine planarisierte O- berflache aufweist, auf der der Chip CH plan aufliegen kann. Ist der Rahmen R geschlossen, so wird zwischen Chip, Rahmen und Träger ein Hohlraum eingeschlossen, in dem die Bauelementstrukturen BS angeordnet sind. Bei relativ großflächigen Chips kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum Rahmen R innerhalb des Chipeinbauplatzes weitere Stützstrukturen (in der Figur nicht dargestellt) der gleichen Höhe vorzusehen, die den Chip an zumindest einem weiteren Punkt abstützen und so mechanisch stabilisieren. Die Gefahr, einen dermaßen gedünnten Chip durch Bruch zu zerstören, kann dadurch vermindert werden, dass der Chip erst nach der Flip-Chip-Montage von der Rückseite her gedünnt wird, beispielsweise durch Abschleifen, z.B. durch CMP (Che- mical Mechanical Polishing) . Ein Flip-Chip gebondeter und vorzugsweise auf einem Rahmen und gegebenenfalls weiteren Stützelementen aufliegender Chip ist mechanisch stabilisiert, sodass weder durch das Abschleifen noch durch die weitere Prozessierung zum Herstellen der Metallstrukturen MS eine er- höhte Bruchgefahr auftritt.

Zur hermetischen Versiegelung der Bauelementstrukturen kann die Fuge zwischen dem Chip und dem Rahmen R zusätzlich abgedichtet werden, indem ein geeignetes Dichtmaterial zumindest im Fugenbereich auf Rahmen und Seitenkante des Chips aufgebracht wird. Eine Möglichkeit besteht darin, dort ein Metall abzuscheiden und so einen Metallverschluss herzustellen. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, den Chip von der Rückseite her mit einer Kunststoffmasse GT vollständig abzu- decken. Figur 5 zeigt eine solche auch Glob-Top genannte Abdeckung GT.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Das MEMS-Bauelement kann andere, wahl- weise auch im Inneren des Chips liegende elektromechanische Bauelementstrukturen aufweisen, vorzugsweise jedoch solche Bauelementstrukturen, die elektrisch oder mechanisch durch akustische Volumenwellen gestört werden. Das Muster der Metallstrukturen kann von den dargestellten Mustern abweichen und muss sich nicht unbedingt aus geradlinig verlaufenden Abschnitten zusammensetzen. Das fertige Bauelement umfasst vorzugsweise einen Flip-Chip gebondeten Chip CH, kann jedoch auch in anderer Weise auf einer Unterlage oder einem Träger befestigt sein, beispielsweise mittels Verklebung. Vorzugsweise ist der Chip auf eine minimale Chipdicke d_c gedünnt. Möglich ist es jedoch auch, die Metallstruktur MS bei dickeren Chips einzusetzen.

Claims

Patentansprüche

1. MEMS Bauelement, mit einem Bauelementstrukturen tragenden Chip, der eine Rückseite mit einer geringen Rauhigkeit von weniger als einem Zehntel der Wellenlänge bei Mittenfrequenz einer im Bauelement ausbreitungsfähigen akustischen Welle aufweist bei dem auf der Rückseite des Chips metallische Struk- turen zur Streuung von akustischen Volumenwellen vorgesehen sind, bei dem das Material der metallischen Strukturen akustisch an das Material des Chips angepasst ist.

2. MEMS Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Metallstruktur ein unregelmäßiges Muster aufweist .

3. MEMS Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, - bei dem der Chip mit akustischen Wellen arbeitende Bauelementstrukturen aufweist, die bei oder um eine Mittenfrequenz betreibbar sind, bei dem die Schichtdicke der Metallstrukturen λ/4 + nλ/2 entspricht, wobei n eine ganze Zahl mit 0 ≤ n ≤ 15 und λ die Wellenlänge der akustischen Welle bei Mittenfrequenz ist.

4. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Metallstruktur mittlere Strukturgrößen zwischen 0,2λ und 5λ aufweist.

5. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Rückseite des Chips eine Metallstruktur mit einer metallischen Oberflächenbelegung von 40 - 60% aufweist.

6. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die nichtmetallisierten Zwischenräume der Metallstruktur mit einer akustischen Dämpfungsmasse belegt sind.

7. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem der Chip eine Dicke von 200μm oder weniger aufweist.

8. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem der Chip ein SAW oder BAW Bauelement realisiert.

9. MEMS Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der Chip einen Lithiumtantalat-Kristall umfasst, bei dem das Metall der Metallstruktur aus Cu, Cr und Nickel ausgewählt ist.

10. MEMS Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der Chip einen Lithiumniobat-Kristall umfasst, bei dem das Metall der Metallstruktur Ti umfasst.

11. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-10, - bei dem der Chip auf seiner Unterseite lötbare Kontakte aufweist mit einem keramischen Träger, der auf seiner Unterseite

Außenkontakte aufweist, mit einem auf der Oberseite des Trägers angeordneten, einen Chipeinbauplatz umschließenden und zumindest an der Oberfläche metallischen Rahmen bei dem auf der Oberseite des Trägers innerhalb des Rahmens lötbare Anschlussflächen angeordnet sind, die elektrisch mit den Außenkontakten verbunden sind, wobei der Chip mit seiner Unterseite auf dem Rahmen aufsitzt und mittels Bumpverbindungen zwischen den lötbaren Kontakten und den Anschlussflächen elektrisch und mechanisch mit dem Träger verbunden ist.

12. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-11, - bei dem die zum Chip weisende Oberseite des Rahmens planarisiert ist bei dem die Fuge zwischen Rahmen und Chip mit einem Me- tallverschluss hermetisch abdichtet ist, der aus dem gleichen Material wie die Metallstruktur besteht.

13. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem der Chip an der Seitenkante zumindest im Bereich des Metallverschlusses eine benetzende Metallisierung aufweist - bei dem der Metallverschluss Zinn umfasst und eine hermetische Verbindung zwischen Rahmen und benetzender Metallisierung erzeugt.

14. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-13, bei dem der keramische Träger ein Mehrlagensubstrat mit zumindest zwei dielektrischen keramischen Schichten und einer dazwischen angeordneten Metallisierungsebene ist.

15. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-14, bei dem der Rahmen zum überwiegenden Anteil aus Kupfer ausgebildet ist.

16. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-15, bei dem der Rahmen eine direkt auf dem Träger aufgebrachte und an ihrer Oberfläche metallisierte gesinterte Siebdruckstruktur umfasst.

17. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-16, bei dem innerhalb des Rahmens zumindest eine Stützstruktur angeordnet ist, die die gleiche Höhe wie der Rahmen aufweist und die den Chip abstützt.

18. Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einem Chip, der an seiner Vorderseite Bauelementstrukturen trägt, bei dem auf der Rückseite des Chips ein photostruktu- rierbarer Resist aufgebracht wird, bei dem der Resist strukturiert wird, wobei eine Negativstruktur entsteht bei dem ein Metall auf die nicht vom Resist bedeckten Bereiche der Rückseite des Chips aufgebracht wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem zunächst eine Grundmetallisierung auf die Rückseite des Chips aufgebracht und anschließend galvanisch verstärkt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Grundmetallisierung vor dem Aufbringen des Re- sists ganzflächig auf die Rückseite des Chips aufgebracht wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18-20, bei dem die Strukturierung des Resists durch Direktstruktu- rierung mittels eines Lasers erfolgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18-21, bei dem das Aufbringen des Resists durch Auflaminieren einer Resistfolie erfolgt.