WO2014135329A1 - Miniaturisiertes bauelement und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2014135329A1
WO2014135329A1 PCT/EP2014/052250 EP2014052250W WO2014135329A1 WO 2014135329 A1 WO2014135329 A1 WO 2014135329A1 EP 2014052250 W EP2014052250 W EP 2014052250W WO 2014135329 A1 WO2014135329 A1 WO 2014135329A1
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thin
film cover
dsa
reinforcing layer
functional structure
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PCT/EP2014/052250
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Stephan Marksteiner
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Epcos AG
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    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/20—Bump connectors, e.g. solder bumps or copper pillars; Dummy bumps; Thermal bumps

Definitions

  • Miniaturized device and method of fabrication The invention relates to miniaturized devices, e.g.
  • MEMS structures such as MEMS switches or working with acoustic waves filter as functional structures.
  • a decoupling can consist in a hermetic encapsulation or in a mechanical decoupling.
  • US Pat. No. 7,344,907 discloses encapsulated components containing MEMS structures.
  • TFP Thin Film Package
  • the component comprises a carrier substrate and a func ⁇ tional structure on the carrier substrate. It further comprises a thin film cover over the functional structure and a Glass comprehensive reinforcing layer over the thin film Ab ⁇ cover.
  • the carrier substrate, the thin film cover and the reinforcing layer together enclose a cavity. At least part of the functional structure is arranged in the cavity.
  • the arranged in the cavity part of the functional structure can be spaced from the inner walls and / or the ceiling of the cavity. Then, a mechanical Ent ⁇ coupling between the structure and the cover is obtained.
  • the thin-film cover can be formed by a layer of a so-called TFP.
  • TFPs allow a small and especially low design.
  • conventional TFPs can not readily exhibit an excellent her ⁇ metic seal or a mechanically stable and suitable for Molden cover.
  • the cavity can be arranged around the functional structures such that a micromechanical mobility of the structures is not impaired by the housing.
  • the functional structure is rather mechanically attached but still decoupled from the housing and influences ⁇ from adverse environment - for example, dust or other materials, which are deposited on the functional structure and, for example, tune the operating frequency could - protected.
  • the functional structure is a MEMS structure and / or a microacoustic structure.
  • a SAW structure, a BAW structure or a GBAW structure comes into question as a functional structure.
  • an opening is structured in the thin-film cover.
  • the opening in the thin-film From ⁇ cover is closed by the reinforcing layer. It is also possible to provide two or more openings which are closed by the reinforcing layer, provided in the thin film-Ab ⁇ cover.
  • the opening or the plurality of openings in the thin film cover may serve during the manufacturing process of the device to remove a sacrificial layer under the thin film cover.
  • a reinforcing layer comprising glass is particularly suitable because of the adjustability of the viscosity.
  • the viscous properties of the reinforcing layer are ideally chosen so that the material of the reinforcing layer completely covers the openings and possibly also penetrates into the openings, without penetrating the openings and filling the cavity.
  • the arrangement of the openings can be chosen so that a uniform distribution of openings over the surface of the thin-film cover is obtained.
  • the openings may be arranged in a square, rectangular or hexagonal pattern or in radial alignment with each other.
  • the openings can have a radius which increases or decreases from the inside to the outside. It is possible to form the thin film cover so that only where there is no opening material of the thin film cover is applied. However, it is also possible to apply the thin-film covering flat above the functional structure and to remove it locally at the locations of the later openings, for example by means of an etching process.
  • the thin film cap comprises a material selected from: S1O 2 (silicon dioxide), Si x N y (silicon nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide).
  • the spinachsub ⁇ strat may comprise a material selected from glass and Si (silicon).
  • the functional structure has an electrical function and has electrode structures, it may be advantageous to use a high-resistance material as a carrier material.
  • Alternative materials for the carrier substrate are also all glassy or crystalline solids with high electrical resistivity.
  • the cavity has a width of at least 10 ym and a height of less than 100 ym.
  • the thin film cover has a thickness of less than 5 ym.
  • the reinforcing layer has a thickness of less than 50 ym.
  • the functional structure has a width of about 90 ym.
  • the cavity may have a width that is between 10 and 20 ym above the width of the functional structure.
  • the functional structure may have a height between 2 and 3 ym.
  • the distance of the functional structure to the ceiling of the cavity, ie to the inner surface of the thin-film cover, can be between 2 and 3 ⁇ m.
  • the thickness of the thin film cover may be between 1 and 2 ym.
  • the thickness of the reinforcing layer may be between 10 and 30 ym. In particular, when the reinforcing layer is planarized, the thickness of the reinforcing layer may vary locally.
  • the reinforcing layer rests only on the thin-film cover.
  • the thin-film cover is structured so that the reinforcing layer at least partially rests directly on the carrier substrate in order to ensure a more stable connection of the component.
  • the functional structure is connected via a line to a connection pad.
  • Terminal pad itself is not covered by either the thin film cover or the reinforcing layer and is suitable for mounting the device, e.g. via a bump connection, to interconnect with an external circuit environment.
  • a method for producing an encapsulated device comprises the steps:
  • the sacrificial layer comprises an organic material and is suitable for removal by dry ashing.
  • the dry ashing can e.g. by means of molecular or atomic oxygen, ozone or oxygen plasma.
  • the application of the reinforcing layer comprises the steps:
  • the glass paste comprises glass frit from a suspension of fine glass particles in a binder matrix.
  • the glass paste is applied by knife coating on the thin-film Abde ⁇ ckung.
  • the binder completely decomposes when baking the glass paste.
  • the binder can decompose under the influence of temperature in H 2 O and / or in CO 2 .
  • the composition of the glass paste is chosen so that the glass formed during the heating of the glass paste covers the opening or the openings in the thin-film cover and optionally at least partially fills. Ideally, the glass does not penetrate into the cavity. It is to be avoided in any case, that runs down the ingress of glass on the inside of the cavity and comes into contact with the functiona ⁇ len structure.
  • the application of the glass paste can be inexpensively carried out with a Ra ⁇ kelmaske.
  • the surface tension of the glass component of the reinforcing layer is ideally adjusted so that later structuring of the reinforcing layer is not necessary.
  • a temperature between 250 ° C and 350 ° C can be set.
  • FIG. 1 shows an encapsulated component with a functional component
  • FIG. 2 an encapsulated component with a BAW structure
  • FIG. 3 an encapsulated component with a SAW structure
  • Figure 4 An encapsulated device with openings in the
  • FIG. 7 another intermediate product in the production of an encapsulated component
  • FIG. 8 shows another intermediate product in the production of an encapsulated component
  • FIG. 9 another intermediate in the production of an encapsulated component
  • FIG. 10 another intermediate product in the production of an encapsulated component
  • FIG. 11 an encapsulated component in which openings in the thin-film cover are covered by a reinforcing layer;
  • FIG. 12 An encapsulated component in which the material of FIG. 12
  • Figure 13 An encapsulated device with a solder ball for electrical connection.
  • Figure 1 shows an encapsulated device with a sub VB ⁇ strat SU on which a functional structure FS is arranged.
  • a cavity H ge ⁇ forms, in which the functional structure FS can work hermetically sealed off from the surrounding atmosphere.
  • the cavity H is shaped such that the functional structure FS does not touch its cover, that is to say the thin-film cover DSA. This is necessary for example in acoustic waves ar ⁇ beitenden components.
  • the reinforcing layer VS improves the hermeticity of the encapsulation and in particular the mechanical stability of the entire component.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an encapsulated component VB in which the functional structure is embodied as a BAW structure BAWS.
  • the BAW structure to BAWS ⁇ least comprises then a piezoelectric layer between two electrodes were ⁇ .
  • Figure 3 shows an embodiment of the encapsulated device VB, wherein the functional structure as the SAW structure SAWS is formed from ⁇ .
  • the functional structure as the SAW structure SAWS is formed from ⁇ .
  • Figure 4 shows an embodiment of the encapsulated device VB, wherein openings 0 are provided in the thin-film cover DSA.
  • the openings 0 are covered and sealed by the reinforcing ⁇ structure VS.
  • the functional structure is designed as a BAW structure.
  • the lower electrode of the BAW structure is connected via a feed line L to a solder ball BU.
  • About the soldering ball BU can be For example, a connection to an external circuit environment can be achieved via a bump connection.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the encapsulated component VB, wherein at least parts of the component are covered by a molding compound MM.
  • the molding compound MM improved wei ⁇ terhin the hermeticity can be planarized to obtain defi ned ⁇ geometric shapes of the component, and further enhances the mechanical stability of the device.
  • Figure 6 shows an intermediate product of an encapsulated Bauele ⁇ ments, in which the component structures of a BAW resonator structure as a functional FS as well as a supply line L on a sub- strat SU are arranged.
  • Figure 7 shows a later stage of the process, in which the radio ⁇ tional structure by a sacrificial layer OS is covered.
  • the shape of the sacrificial layer essentially defines the later shape of the cavity.
  • FIG. 8 shows the result of a further method step, wherein the thin-film cover DSA is arranged over the sacrificial layer and over parts of the substrate.
  • conventional methods for producing thin layers eg sputtering, thermal evaporation, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vacuum Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition) or MBE (Molecular Beam Epitaxy) find use.
  • the thin-film waste cover DSA in turn can have two or more layers of single ⁇ . An open area OB is kept free so that later a connection pad can be created.
  • FIG. 9 shows the result of a further method step, in which openings 0 in the thin-film cover DSA have been patterned.
  • Figure 10 shows the result of a further method ⁇ step in which the sacrificial layer has been removed through the openings in the thin film cover 0 DSA.
  • measures such as wet or dry etching or ashing in an oxidizing atmosphere can be used.
  • the sacrificial layer is now a cavity H, in which the functional structure is now arranged without touching parts of the cover.
  • Figure 11 shows the result of a further method steps tes, wherein material of the reinforcing layer VS is disposed over the thin layer ⁇ cover DSA. It was again refrained material in the open area OB35schei ⁇ to get ready to hold an opening for subsequent contacting.
  • the application of the material of the reinforcing layer VS may be carried out for example by means of a knife coating Aufra ⁇ kelmaske.
  • Figure 12 shows the result of a process step, in which the material of the reinforcing layer VS, ie in the materiality borrowed the glass paste with glass particles in a binder mat rix ⁇ , was baked.
  • the binder completely decomposes and a single-phase glass reinforcing layer VS remains, the openings in the thin layer layer cover covered, seals and at least partially fills.
  • FIG. 13 shows an embodiment of the encapsulated component VB, wherein the thin-film cover DSA is structured such that the reinforcement layer VS contacts the substrate SU in a region, so that the mechanical connection between the reinforcement layer VS and the substrate is reinforced.
  • An encapsulated component is not limited to one of the beschrie ⁇ surrounded embodiments. Combinations of features and embodiments with further layers and cavities also constitute embodiments of the invention.

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Abstract

Es wird ein verbessertes verkapseltes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines verkapselten Bauelements angegeben. Das Bauelement umfasst ein Trägersubstrat, eine funktionale Struktur, eine Dünnschicht-Abdeckung und eine glasumfassende Verstärkungsschicht. Das Trägersubstrat, die Dünnschicht-Abdeckung und die Verstärkungsschicht umschließen zusammen einen Hohlraum um zumindest Teile der funktionalen Struktur.

Description

Beschreibung
Miniaturisiertes Bauelement und Verfahren zur Herstellung Die Erfindung betrifft miniaturisierte Bauelemente, z.B.
MEMS-Bauelemente oder mikroakustische Bauelemente, und Ver¬ fahren zur Herstellung solcher Bauelemente.
Das Miniaturisieren von Bauelementen wird durch den anhalten- den Trend zur Integration von zusätzlichen Funktionen in tragbare Geräte wie z.B. Mobiltelefone oder andere drahtlose Kommunikationsgeräte, in denen die Bauelemente verbaut sind, erzwungen. Solche Bauelemente können z.B. MEMS-Strukturen wie MEMS-Schalter oder mit akustischen Wellen arbeitende Filter als funktionale Strukturen umfassen.
Es gibt funktionale Strukturen, die von ihrer Umgebung entkoppelt werden müssen, damit sie wie vorgesehen arbeiten können. Eine Entkoppelung kann in einer hermetischen Abkapselung oder in einer mechanischen Entkopplung bestehen. Mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente, z.B. SAW-Bauelemente (SAW = surface acoustic wave = akustische Oberflächenwelle) , BAW-Bauelemente (BAW = bulk acoustic wave = akustische Volu¬ menwelle) oder GBAW-Bauelemente (GBAW = guided bulk acoustic wave = geführte akustische Volumenwelle) benötigen im Allge¬ meinen sowohl eine hermetische Abkapselung als auch eine mechanische Entkopplung der akustisch aktiven Bereiche.
Darüber hinaus können Schritte zur Herstellung von Bauelemen- ten Moldprozesse enthalten, wobei eine Moldmasse unter Druck¬ einwirkung aufgebracht wird. Die Bauelemente sollten deshalb mechanisch ausreichend stabil und druckresistent sein. Aus der Patentschrift US 7,268,436 B2 sind Waferlevel Packa- ges (WLP) mit Deckel-Wafer zur Abdeckung funktionaler Strukturen bekannt. Aus der Patentschrift US 7,692,317 B2 sind Verkapselungsme- thoden ohne Deckel-Wafer bekannt.
Aus der Patentschrift US 7,344,907 sind verkapselte, MEMS- Strukturen enthaltende Bauelemente bekannt.
Eine Möglichkeit zur Verkapselung besteht in einem TFP (TFP = thin film package = Dünnschicht-Package) .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein dem an- haltenden Trend zur Miniaturisierung kompatibles, also ein klein bauendes, Bauelement anzugeben, welches eine hermetisch dichte und mechanisch stabile Abkapselung ermöglicht, welches zur Aufnahme von mit akustischen Wellen arbeitenden Strukturen geeignet ist und welches günstig, also mit einfachen Ver- fahrensschritten, herstellbar ist. Es ist weiterhin eine Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch das verkapselte Bauelement und das Verfahren zur Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche geben dabei vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten an, die - je nach spezifischer Anforderung - in beliebiger Kombination zusammenwirken können, um einer oder mehreren Anforderungen zu genügen.
Das Bauelement umfasst ein Trägersubstrat und eine funktio¬ nale Struktur auf dem Trägersubstrat. Es umfasst ferner eine Dünnschicht-Abdeckung über der funktionalen Struktur und eine Glas umfassende Verstärkungsschicht über der Dünnschicht-Ab¬ deckung. Das Trägersubstrat, die Dünnschicht-Abdeckung und die Verstärkungsschicht umschließen zusammen einen Hohlraum. Zumindest ein Teil der funktionalen Struktur ist im Hohlraum angeordnet .
Der im Hohlraum angeordnete Teil der funktionalen Struktur kann dabei von den inneren Wänden und/oder der Decke des Hohlraumes beabstandet sein. Dann wird eine mechanische Ent¬ kopplung zwischen der Struktur und der Abdeckung erhalten.
Die Dünnschicht-Abdeckung kann dabei durch eine Schicht eines sogenannten TFP gebildet sein.
Es wurde erkannt, dass konventionelle TFPs zwar eine kleine und vor allem niedrige Bauform ermöglichen. Jedoch können konventionelle TFPs nicht ohne Weiteres eine exzellente her¬ metische Abdichtung oder eine mechanisch stabile und zum Molden geeignete Abdeckung vorweisen.
Das Aufbringen einer Verstärkungsschicht mit Glas verbessert die Hermetizität und erhöht die mechanische Stabilität, ohne die Baugröße zu sehr zu vergrößern.
Der Hohlraum kann dabei so um die funktionalen Strukturen angeordnet sein, dass eine mikromechanische Beweglichkeit der Strukturen durch das Gehäuse nicht beeinträchtigt ist. Die funktionale Struktur ist vielmehr mechanisch befestigt aber dennoch vom Gehäuse entkoppelt und vor nachteiligen Umwelt¬ einflüssen - z.B. Staub oder anderen Materialien, die sich auf der funktionalen Struktur ablagern und z.B. die Arbeitsfrequenz verstimmen könnte - geschützt. In einer Ausführungsform ist die funktionale Struktur eine MEMS-Struktur und/oder eine mikroakustische Struktur. Insbesondere eine SAW-Struktur, eine BAW-Struktur oder eine GBAW- Struktur kommt als funktionale Struktur in Frage.
In einer Ausführungsform ist in der Dünnschicht-Abdeckung eine Öffnung strukturiert. Die Öffnung in der Dünnschicht-Ab¬ deckung ist durch die Verstärkungsschicht verschlossen. Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Öffnungen, die durch die Verstärkungsschicht verschlossen sind, in der Dünnschicht-Ab¬ deckung vorzusehen. Die Öffnung oder die Vielzahl an Öffnungen in der Dünnschicht-Abdeckung kann während des Herstellungsprozesses des Bauelements dazu dienen, eine Opferschicht unter der Dünnschicht-Abdeckung zu entfernen. Um eine gute hermetische Abdichtung zu erhalten, eignet sich eine Verstärkungsschicht, die Glas umfasst, wegen der Einstellbarkeit der Viskosität besonders gut. Die viskosen Eigenschaften der Verstärkungsschicht sind dabei idealerweise so gewählt, dass das Material der Verstärkungsschicht die Öffnungen vollständig bedeckt und gegebenenfalls auch in die Öffnungen eindringt, ohne die Öffnungen zu durchdringen und den Hohlraum zu füllen .
Die Anordnung der Öffnungen kann dabei so gewählt sein, dass eine gleichmäßige Verteilung an Öffnungen über die Fläche der Dünnschicht-Abdeckung erhalten wird. Die Öffnungen können in einem quadratischen, rechteckigen oder hexagonalen Muster oder in radialer Ausrichtung zueinander angeordnet sein. Die Öffnungen können dabei einen Radius aufweisen der von innen nach außen zu- oder abnimmt. Es ist möglich, die Dünnschicht-Abdeckung so zu bilden, dass nur dort, wo keine Öffnung vorhanden sein soll, Material der Dünnschicht-Abdeckung aufgebracht wird. Es ist aber auch möglich, die Dünnschicht- Abdeckung flächig oberhalb der funktionalen Struktur aufzubringen und lokal, an den Stellen der späteren Öffnungen, z.B. durch einen Ätzprozess, zu entfernen.
Zur Herstellung der Dünnschicht-Abdeckung und der Bildung der Öffnungen können konventionelle lithographische Methoden ver¬ wendet werden. In einer Ausführungsform umfasst die Dünnschicht-Abdeckung ein Material, das ausgewählt ist aus: S1O2 (Siliziumdioxid), SixNy (Siliziumnitrid) , AI2O3 (Aluminiumoxid) . Das Trägersub¬ strat kann ein Material umfassen, das ausgewählt ist aus Glas und Si (Silizium) .
Insbesondere wenn die funktionale Struktur eine elektrische Funktion hat und Elektrodenstrukturen aufweist, kann es vorteilhaft sein, ein hochohmiges Material als Trägermaterial zu verwenden. Alternative Materialien für das Trägersubstrat sind ebenfalls alle gläsernen oder kristallinen Festkörper mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand.
In einer Ausführungsform weist der Hohlraum eine Breite von mindestens 10 ym und eine Höhe von weniger als 100 ym auf. Die Dünnschicht-Abdeckung weist eine Dicke von weniger als 5 ym auf. Die Verstärkungsschicht weist eine Dicke von weniger als 50 ym auf.
Eine derartige Dünnschicht-Abdeckung alleine könnte einem üb- liehen Molddruck von ca. 100 Bar möglicherweise nicht
standhalten. In Verbindung mit der Verstärkungsschicht jedoch, auch wenn die Breite relativ zur Bauhöhe relativ groß ist, kann eine stabile Abkapslung erhalten werden, die solchen Drücken standhält.
Es ist ferner möglich, dass die funktionale Struktur eine Breite von etwa 90 ym aufweist. Der Hohlraum kann eine Breite aufweisen, die zwischen 10 und 20 ym über der Breite der funktionalen Struktur liegt. Die funktionale Struktur kann eine Höhe zwischen 2 und 3 ym aufweisen. Der Abstand der funktionalen Struktur zur Decke des Hohlraums, also zur inne- ren Fläche der Dünnschicht-Abdeckung, kann zwischen 2 und 3 ym betragen. Die Dicke der Dünnschicht-Abdeckung kann zwischen 1 und 2 ym betragen. Die Dicke der Verstärkungsschicht kann zwischen 10 und 30 ym betragen. Insbesondere wenn die Verstärkungsschicht planarisiert ist, kann die Dicke der Ver- Stärkungsschicht lokal variieren.
Es ist möglich, dass die Verstärkungsschicht lediglich auf der Dünnschicht-Abdeckung aufliegt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Dünnschicht-Abdeckung so strukturiert ist, dass die Verstärkungsschicht zumindest teilweise direkt auf dem Trägersubstrat aufliegt, um eine stabilere Verbindung des Bauelements zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform ist die funktionale Struktur über eine Leitung mit einem Anschlusspad verschaltet. Das
Anschlusspad selbst ist weder durch die Dünnschicht-Abdeckung noch durch die Verstärkungsschicht bedeckt und dazu geeignet, das Bauelement, z.B. über eine Bump-Verbindung, mit einer externen Schaltungsumgebung zu verschalten.
Ein Verfahren zur Herstellung eines verkapselten Bauelements umfasst die Schritte:
- Bereitstellen eines Trägersubstrats, - Strukturieren einer funktionalen Struktur auf dem Trägersubstrat,
- Aufbringen einer Opferschicht über der funktionalen Struktur,
- Aufbringen einer Dünnschicht-Abdeckung mit einer Öffnung über der Opferschicht,
- Entfernen der Opferschicht durch die Öffnung in der Dünnschicht-Abdeckung,
- Aufbringen der Verstärkungsschicht über der Dünnschicht-Ab- deckung.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Opferschicht ein organisches Material und ist zum Entfernen durch Trockenveraschen geeignet. Das Trockenveraschen kann z.B. mittels molekularem oder atomaren Sauerstoff, Ozon oder Sauerstoffplasma erfolgen.
In einer Ausführungsform umfasst das Aufbringen der Verstärkungsschicht die Schritte:
- Aufbringen einer Glaspaste,
- Verschließen der Öffnung in der Dünnschicht-Abdeckung,
- Ausheizen der Glaspaste.
In einer Ausführungsform umfasst die Glaspaste Glasfrit aus einer Suspension feiner Glasteilchen in einer Binder-Matrix. Die Glaspaste wird durch Aufrakeln auf die Dünnschicht-Abde¬ ckung aufgebracht. Der Binder zersetzt sich beim Ausheizen der Glaspaste vollständig. Der Binder kann sich dabei unter Temperatureinfluss in H2O und/oder in CO2 zersetzen. Die Zusammensetzung der Glaspaste ist dabei so gewählt, dass das beim Ausheizen der Glaspaste entstehende Glas die Öffnung oder die Öffnungen in der Dünnschicht-Abdeckung bedeckt und gegebenenfalls zumindest teilweise ausfüllt. Idealerweise dringt das Glas nicht in den Hohlraum ein. Es ist auf jeden Fall zu vermeiden, dass eindringendes Glas an der Innenseite des Hohlraums herunterläuft und in Kontakt mit der funktiona¬ len Struktur kommt. Das Aufbringen der Glaspaste kann kostengünstig mit einer Ra¬ kelmaske durchgeführt werden. Die Oberflächenspannung der Glaskomponente der Verstärkungsschicht ist idealerweise so eingestellt, dass ein späteres Strukturieren der Verstärkungsschicht nicht nötig ist.
Zum Ausheizen der Glaspaste kann eine Temperatur zwischen 250°C und 350°C eingestellt werden.
Im Folgenden werden das Bauelement und das Verfahren zur Her- Stellung eines Bauelements und weitere Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Figuren erläutert.
Es zeigen: Figur 1: Ein verkapseltes Bauelement mit einer funktionalen
Struktur in einem Hohlraum,
Figur 2: Ein verkapseltes Bauelement mit einer BAW-Struktur,
Figur 3: Ein verkapseltes Bauelement mit einer SAW-Struktur,
Figur 4 : Ein verkapseltes Bauelement mit Öffnungen in der
Dünnschicht-Abdeckung, Figur 5: Ein verkapseltes Bauelement, bei dem die Dünn¬ schicht-Abdeckung von einer Moldmasse bedeckt ist, Figur 6: Ein Zwischenprodukt bei der Herstellung eines
verkapselten Bauelements,
Figur 7: Ein weiteres Zwischenprodukt bei der Herstellung eines verkapselten Bauelements,
Figur 8: Ein weiteres Zwischenprodukt bei der Herstellung eines verkapselten Bauelements,
Figur 9: Ein weiteres Zwischenprodukt bei der Herstellung eines verkapselten Bauelements,
Figur 10: Ein weiteres Zwischenprodukt bei der Herstellung eines verkapselten Bauelements, Figur 11: Ein verkapseltes Bauelement, bei dem Öffnungen in der Dünnschicht-Abdeckung durch eine Verstärkungsschicht abgedeckt sind,
Figur 12: Ein verkapseltes Bauelement, bei dem Material der
Verstärkungsschicht Öffnungen in der Dünnschicht-
Abdeckung zumindest teilweise ausfüllt,
Figur 13: Ein verkapseltes Bauelement mit einem Lötball zur elektrischen Verschaltung .
Figur 1 zeigt ein verkapseltes Bauelement VB mit einem Sub¬ strat SU, auf dem eine funktionale Struktur FS angeordnet ist. Durch eine Dünnschicht-Abdeckung DAS und eine darüber aufgebrachte Verstärkungsschicht VS wird ein Hohlraum H ge¬ bildet, in dem die funktionale Struktur FS hermetisch von der umgebenden Atmosphäre abgeschottet arbeiten kann. Der Hohlraum H ist dabei so geformt, dass die funktionale Struktur FS seine Abdeckung, also die Dünnschicht-Abdeckung DSA nicht berührt. Dies ist beispielsweise bei mit akustischen Wellen ar¬ beitenden Bauelementen notwendig.
Die Verstärkungsschicht VS verbessert die Hermetizität der Abkapselung und insbesondere die mechanische Stabilität des gesamten Bauelements.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines verkapselten Bauelements VB, bei dem die funktionale Struktur als BAW-Struktur BAWS ausgebildet ist. Die BAW-Struktur BAWS umfasst dann zu¬ mindest eine piezoelektrische Lage zwischen zwei Elektroden¬ lagen .
Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung des verkapselten Bauelements VB, wobei die funktionale Struktur als SAW-Struktur SAWS aus¬ gebildet ist. Dabei sind fingerförmige Elektrodenstrukturen - hier im Querschnitt gezeigt - auf einem piezoelektrischen Material angeordnet und mit jeweils einer Stromsammeischiene verschaltet .
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des verkapselten Bauelements VB, wobei Öffnungen 0 in der Dünnschicht-Abdeckung DSA vorgesehen sind. Die Öffnungen 0 sind durch die Verstärkungs¬ struktur VS abgedeckt und abgedichtet. Lediglich beispielhaft ist die funktionale Struktur als BAW-Struktur ausgeführt. Die untere Elektrode der BAW-Struktur ist über eine Zuleitung L mit einem Lötball BU verbunden. Über den Lötball BU kann bei- spielsweise via eine Bump-Verbindung eine Verschaltung mit einer externen Schaltungsumgebung erreicht werden.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des verkapselten Bauele- ments VB, wobei zumindest Teile des Bauelements durch eine Moldmasse MM bedeckt sind. Die Moldmasse MM verbessert wei¬ terhin die Hermetizität , kann planarisiert sein, um defi¬ nierte geometrische Formen des Bauelements zu erhalten, und verstärkt weiterhin die mechanische Stabilität des Bauele- ments.
Figur 6 zeigt ein Zwischenprodukt eines verkapselten Bauele¬ ments, bei dem Bauelementstrukturen eines BAW-Resonators als funktionale Struktur FS sowie eine Zuleitung L auf einem Sub- strat SU angeordnet sind.
Figur 7 zeigt eine spätere Verfahrensstufe, bei dem die funk¬ tionale Struktur durch eine Opferschicht OS abgedeckt ist. Die Form der Opferschicht definiert im Wesentlichen die spä- tere Form des Hohlraums.
Figur 8 zeigt das Ergebnis eines weiteren Verfahrensschritts, wobei die Dünnschicht-Abdeckung DSA über der Opferschicht und über Teilen des Substrat angeordnet ist. Zur Anordnung der Dünnschicht-Abdeckung DSA können konventionelle Methoden zur Herstellung dünner Schichten, z.B. Sputtern, thermisches Verdampfen, CVD (Chemical Vapour Deposition) , PVD (Physical Va- pour Deposition) , PLD (Pulsed Laser Deposition) oder MBE (Mo- lecular Beam Epitaxy) Verwendung finden. Die Dünnschicht-Ab- deckung DSA kann dabei ihrerseits zwei oder mehrere Einzel¬ schichten aufweisen. Ein offener Bereich OB wird dabei freigehalten, damit später ein Anschlusspad erzeugt werden kann.
Figur 9 zeigt das Ergebnis eines weiteren Verfahrensschritts, bei dem Öffnungen 0 in der Dünnschicht-Abdeckung DSA strukturiert worden sind.
Figur 10 zeigt das Ergebnis eines weiteren Verfahrens¬ schritts, bei dem die Opferschicht durch die Öffnungen 0 in der Dünnschicht-Abdeckung DSA entfernt worden ist. Zum Entfernen der Opferschicht können Maßnahmen wie Nass- oder Trockenätzen oder Veraschen in einer oxidierenden Atmosphären Verwendung finden. Anstelle der Opferschicht befindet sich nun ein Hohlraum H, in dem die funktionale Struktur nun angeordnet ist, ohne Teile der Abdeckung zu berühren.
Figur 11 zeigt das Ergebnis eines weiteren Verfahrensschrit- tes, wobei Material der Verstärkungsschicht VS über der Dünn¬ schicht-Abdeckung DSA angeordnet ist. Dabei wurde wiederum darauf verzichtet, Material im offenen Bereich OB abzuschei¬ den, um eine Öffnung für eine spätere Kontaktierung bereitzuhalten. Das Aufbringen des Materials der Verstärkungsschicht VS kann beispielsweise durch Aufrakeln mittels einer Aufra¬ kelmaske durchgeführt werden.
Figur 12 zeigt das Ergebnis eines Verfahrensschrittes, bei dem das Material der Verstärkungsschicht VS, also im Wesent- liehen die Glaspaste mit Glaspartikeln in einer Binder-Mat¬ rix, ausgeheizt wurde. Durch das Ausheizen zersetzt sich der Binder vollständig und es bleibt eine einphasige gläserne Verstärkungsschicht VS übrig, die Öffnungen in der Dünn- schicht-Abdeckung bedeckt, abdichtet und zumindest teilweise ausfüllt .
Figur 13 zeigt eine Ausführungsform des verkapselten Bauele- ments VB, wobei die Dünnschicht-Abdeckung DSA so strukturiert ist, dass die Verstärkungsschicht VS das Substrat SU in einem Bereich berührt, so dass die mechanische Verbindung zwischen der Verstärkungsschicht VS und dem Substrat verstärkt ist. Ein verkapseltes Bauelement ist nicht auf eine der beschrie¬ benen Ausführungsformen beschränkt. Kombinationen von Merkmalen und Ausführungsformen mit weiteren Schichten und Hohlräumen stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsformen dar.
Bezugs zeichenliste
BAWS : BAW-Struktur
BU: Lötball für Bump-Verbindung
DSA: Dünnschicht-Abdeckung
FS : funktionale Struktur
H: Hohlraum
L: Zuleitung
MM: Moldmasse
0: Öffnung in der Dünnschicht-Abdeckung
OB: offener Bereich für spätere Kontaktierung
OS : Opferschicht
SAWS : SAW-Struktur
SU: Substrat
VB: verkapseltes Bauelement
VS : Verstärkungsschicht

Claims

Patentansprüche
1. Verkapseltes Bauelement (VB) , umfassend
- ein Trägersubstrat (SU) ,
- eine funktionale Struktur (FS) auf dem Trägersubstrat (SU) ,
- eine Dünnschicht-Abdeckung (DSA) über der funktionalen Struktur (FS),
- eine Glas umfassende Verstärkungsschicht (VS) über der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) , wobei
- das Trägersubstrat (SU) , die Dünnschicht-Abdeckung (DSA) und die Verstärkungsschicht (VS) zusammen einen Hohlraum (H) umschließen und
- zumindest ein Teil der funktionalen Struktur (FS) im
Hohlraum (H) angeordnet ist.
2. Bauelement (VB) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die funktionale Struktur (FS) eine MEMS-Struktur und/oder eine mikroakustische Struktur ist.
3. Bauelement (VB) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- in der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) eine Öffnung (0)
strukturiert ist und
- die Öffnung (0) in der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) durch die Verstärkungsschicht (VS) verschlossen ist.
4. Bauelement (VB) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die Dünnschicht-Abdeckung (DSA) ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus: Si02, SixNy, AI2O3 und
- das Trägersubstrat (SU) ein Material umfasst, das
ausgewählt ist aus: Glas, Si.
5. Bauelement (VB) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- Der Hohlraum (H) eine Breite von mindestens 10 μιη und eine Höhe von weniger als 100 μιη aufweist,
- die Dünnschicht-Abdeckung (DSA) eine Dicke von weniger als 5 μιη aufweist und
- die Verstärkungsschicht (VS) eine Dicke von weniger als 50 μιη aufweist.
6. Bauelement (VB) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die funktionale Struktur (FS) über eine Leitung (L) mit einem
Anschlusspad verschaltet ist, das weder durch die
Dünnschicht-Abdeckung (DSA) noch durch die
Verstärkungsschicht (VS) bedeckt ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines verkapselten Bauelements (VB) , umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines Trägersubstrats (SU) ,
- Strukturieren einer funktionalen Struktur (FS) auf dem Trägersubstrat (SU) ,
- Aufbringen einer Opferschicht (OS) über der funktionalen Struktur (FS),
- Aufbringen einer Dünnschicht-Abdeckung (DSA) mit einer Öffnung (O) über der Opferschicht (OS) ,
- Entfernen der Opferschicht (OS) durch die Öffnung (O) in der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) ,
- Aufbringen der Verstärkungsschicht (VS) über der
Dünnschicht-Abdeckung (DSA) .
8. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die Opferschicht (OS) ein organisches Material umfasst und zum Entfernen durch Trockenveraschen geeignet ist.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei das
Aufbringen der Verstärkungsschicht (VS) die Schritte
- Aufbringen einer Glaspaste,
- Verschließen der Öffnung (0) in der Dünnschicht-Abdeckung (DSA),
- Ausheizen der Glaspaste
umfasst .
10. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die Glaspaste Glasfrit aus einer Suspension feiner
Glasteilchen in einer Binder-Matrix umfasst,
- die Glaspaste durch Aufrakeln auf die Dünnschicht-Abdeckung aufgebracht wird und
- der Binder sich beim Ausheizen der Glaspaste vollständig zersetzt.
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