WO2024042064A1 - Self-curing concrete as new material for microsystems - Google Patents

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WO2024042064A1
WO2024042064A1 PCT/EP2023/073007 EP2023073007W WO2024042064A1 WO 2024042064 A1 WO2024042064 A1 WO 2024042064A1 EP 2023073007 W EP2023073007 W EP 2023073007W WO 2024042064 A1 WO2024042064 A1 WO 2024042064A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
concrete material
semiconductor component
mems
base substrate
electronic circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/073007
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Achim Bittner
Alfons Dehé
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
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 Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V. filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
Publication of WO2024042064A1 publication Critical patent/WO2024042064A1/en

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032Packages or encapsulation
    • B81B7/0077Other packages not provided for in groups B81B7/0035 - B81B7/0074

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on or in a base substrate.
  • the semiconductor component is characterized in that it has a concrete material.
  • One or more components of the semiconductor component can include the concrete material, such as. B. the base substrate, an insulating layer and / or a protective cover.
  • the invention further relates to a method for producing the semiconductor component.
  • MEMS microelectromechanical system
  • MEMS component MEMS system
  • MEMS element MEMS element
  • MEMS elements can combine logic elements and micromechanical structures on one chip. Their ability to process and/or generate mechanical and electrical signals makes them ideal for a variety of applications, such as: B. for sensors, actuators, filters and/or oscillators.
  • MEMS elements form an important technical basis for solutions in microelectronics. Compared to conventional macro systems, they offer advantages primarily in cost savings through low consumption of materials and/or possible parallel production, as well as in efficiency, which is made possible by lower energy and power requirements.
  • Fedder (2003) provides an overview of known materials for micromechanical applications, classifying them into five main categories, namely structural materials, substrate materials, spacer materials, surface materials and active materials.
  • the structural material and the substrate material which may be one and the same, must be able to withstand different process steps.
  • the relevant properties of the structural material include the elastic modulus, density, residual stress and stress gradients, electrical and thermal conductivity, and the long-term stability of these properties.
  • Spacer materials are typically etched away in whole or in part to expose the microstructure and are often used for this function referred to as sacrificial materials or sacrificial layers. Spacer materials can also be used to make molds for structures. Area or surface materials or insulation materials can be used to protect the substrate or the structural material from certain etching steps. Surface materials are also important to achieve electrical insulation. Active materials are applied to structures to exploit their special physical properties or effects to generate and/or read a signal. Common physical properties and/or effects used are piezoelectric effects.
  • silicon and/or gallium arsenide are particularly frequently used as materials for (base) substrates.
  • the materials mentioned have proven particularly useful in that sensor elements and/or actuator elements can be provided from the material.
  • silicon and gallium arsenide are comparatively inexpensive as semiconductor materials and can be manufactured and/or packaged using established processes. In particular, doping can significantly improve their electrical conductivity.
  • B. Quartz, Pyrex, polymers, ceramics and/or plastics can be used as substrates in semiconductor technology and/or microsystem technology. Such materials can also be used as so-called packaging or package substrates to enable MEMS elements to be wrapped and thus ensure particularly good protection.
  • the dielectric materials used for this are used in particular to enable insulation for electronic contacts and/or to protect the MEMS element and/or an electronic circuit from undesirable electrical effects.
  • a well-known insulation material is silicon dioxide.
  • the selection of dielectric materials can be crucial for the functionality of the semiconductor component, as this can influence, for example, parasitic capacitances and/or inductances. It is particularly relevant to reduce parasitic capacitances in the area of high-frequency applications.
  • the approach is to reduce the permittivity of the dielectric material, for example by using so-called low-k materials (see also Shamiryan et al. (2004)).
  • encapsulation by a lid substrate has proven particularly useful.
  • Materials for substrates can also be used, such as: B. Silicon.
  • the cover substrate serves to protect a MEMS element and/or an electronic circuit.
  • the cover substrate is connected to the base substrate, ie the substrate that has the MEMS element and/or the electronic circuit, for example by bonding. This makes it possible to achieve a desired pressure within the encapsulation, e.g. B. a vacuum so that a hermetic or almost hermetic seal can be achieved (see also Heakyoung (2013)).
  • Both the electrical, dielectric and mechanical properties of components of a semiconductor component can be optimized by the chemical structure, the processing-related morphology and by the fillers and/or reinforcing materials used for the materials used.
  • the object of the invention was to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • the invention relates to a semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on or in a base substrate, characterized in that the base substrate comprises a concrete material, the semiconductor component has an insulating layer comprising concrete material for insulating an electrical connection and/or the MEMS component and/or the electronic circuit is at least partially enclosed by a protective cover comprising concrete material.
  • the inventors have recognized that the use of concrete material can surprisingly significantly improve both the structural and functional properties of a semiconductor component.
  • At least one component of the semiconductor component comprises a concrete material.
  • several components can also comprise a concrete material.
  • the base substrate, the insulation layer (also synonymously insulating layer) and/or the protective cover comprises a concrete material.
  • a particularly homogeneous surface can advantageously be achieved.
  • the smoothness of the surface of the base substrate can advantageously be adjusted both precisely and easily.
  • additional functional materials such as concrete material, can be added to the base substrate in a process-efficient manner.
  • metals for the provision of conductor tracks can be provided.
  • a reliable connection to the MEMS element and/or the electronic circuit is advantageously ensured if this is to be applied to the base substrate.
  • An insulating layer comprising concrete material also has advantages for the semiconductor component.
  • Concrete material is dielectric, which ensures protection in terms of charge transfer and/or charge equalization.
  • the easy deformability, in particular the simple structuring, of concrete material is particularly useful as an insulating layer, since the structure of the insulating layer allows the electrical and dielectric properties of the semiconductor component to be optimally adjusted. For example, in an insulating layer comprising concrete material, pores can be introduced with little effort, which can be designed to reduce parasitic capacitances.
  • Concrete material has also proven to be beneficial for providing a protective cover.
  • the concrete material can ensure that there is a hermetic encapsulation of the MEMS element and/or the electronic circuit. This advantageously prevents material exchange between the environment and internal components of the semiconductor component and ensures long-lasting functionality of the semiconductor component.
  • the use of concrete material has proven to be advantageous not only structurally, but also for processes or methods for producing the semiconductor component or individual components of the semiconductor component
  • self-hardening of the concrete material can be used to produce components of the semiconductor component.
  • Self-hardening means in particular that the concrete material can be hardened without additional external energy having to be supplied. This advantageously results in considerable process efficiency, since, on the one hand, simple shaping is achieved and additional effort for the curing reaction can be dispensed with.
  • the self-hardening of the concrete material is preferably based on cement (as a binder).
  • Hardening also known as setting, preferably corresponds to a slow chemical-mineralogical reaction of the cement with water, with water also being a preferred component of the concrete material.
  • the cement is preferably a hydraulic binder that only hardens when water is added.
  • the hardening of the concrete material is based, among other things, without being limited to theory, on hydration as a chemical reaction, which will be discussed in more detail below. Cement and water are the components of the concrete material, rather than the aggregates, which are crucial for hardening.
  • the possibility of using the self-hardening of concrete material also advantageously ensures that no high temperatures occur, which can lead to undesirable structural changes in the semiconductor component.
  • a temperature has to be applied which could be critical for the functionality of components and/or materials of the semiconductor component and/or the MEMS element, for example a temperature of approximately 130° C.
  • concrete material can be combined with a variety of substances to achieve the desired reaction.
  • the property that concrete material is basic can be advantageously used in the context of processing, for example for in-situ conditioning of surfaces.
  • an alkaline environment of the concrete material is advantageous in that a particularly high level of strength can be achieved through the reaction of the cement with water.
  • a semiconductor component preferably refers to a component that is used for circuits in electrical engineering or electronics, in particular in connection with semiconductor materials.
  • the average person skilled in the art knows that the term semiconductor device can be interpreted broadly.
  • a semiconductor component can have one include an integrated circuit that has transistors and / or diodes or itself be such a component.
  • the integrated circuits are preferably manufactured on base substrates.
  • components such as transistors, diodes and/or capacitors can be produced by processing the base substrate.
  • base substrates can also be used, which can then be divided and form several chips.
  • a semiconductor component can also include or be itself, for example, a circuit board, several processors, semiconductor memories, microcontrollers, converters, microchips, etc.
  • a semiconductor component can preferably be manufactured using methods and/or equipment from semiconductor and/or microsystem technology.
  • the semiconductor component preferably comprises a base substrate, an insulating layer and/or a protective cover. Furthermore, it is preferred that the semiconductor component has a MEMS element and/or an electronic circuit.
  • the base substrate is preferably to be understood as the carrier of the MEMS element and/or the electronic element. It may also be preferred that the MEMS element and/or the electronic circuit is present within the base substrate. For this purpose, it may be preferred to introduce MEMS structures into the base substrate, for example by using etching processes. Therefore, it may also be preferred that the MEMS element is part of the base substrate.
  • the insulating layer is preferably a layer that enables electrical insulation, for example of electrical contacts.
  • Dielectric intermediate layers can also preferably be viewed as insulating layers in the context of the invention.
  • An intermediate layer as an insulating layer preferably means a dielectric layer which is present between at least two components and/or at least two sections of the semiconductor component.
  • the intermediate layer is attached between two substrates in order to enable electrical insulation between these two substrates.
  • the intermediate layer preferably has a flat design, i.e. H. it preferably has a length and/or width that is many times greater than its thickness, preferably by a factor of 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.
  • the protective cover preferably serves to enclose the MEMS element and/or the electronic circuit in order to prevent material exchange with the environment.
  • the protective cover is applied at least partially over the MEMS element and/or the electronic circuit, preferably completely.
  • the preferred components mentioned can be components of the semiconductor component according to the invention individually or in combination with one another.
  • the semiconductor component preferably comprises a base substrate, a protective cover and/or an insulating layer. Accordingly, it can be preferred that the semiconductor component only has the base substrate, the protective cover or comprises the insulating layer, preferably in combination with a MEMS element and/or an electronic circuit. It may also be preferred that the semiconductor component comprises the base substrate and the protective shell, or the base substrate and the insulating layer, or the protective shell and the insulating layer, or the base substrate and the protective shell and the insulating layer, preferably in combination with a MEMS element and/or an electronic circuit.
  • concrete material preferably means a material which includes concrete in its chemical composition, with concrete preferably being meant as a building material.
  • Concrete includes in particular a binder for creating chemical bonds and an additive for imparting stability and/or strength.
  • the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a cement, the cement preferably being selected from a group comprising blastfurnace sand, silica fume, pozzolans, fly ash, burnt slate, limestone, calcium sulfate, tar clay cement clinker and / or cement clinker, where preferably the cement clinker has tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide.
  • the cement clinker has tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide.
  • the cement is an essential component of the concrete material and preferably represents a binder with which the setting process results.
  • the setting process refers to the chemical reaction in which the concrete material self-hardens.
  • Cement is in particular a hydraulic binder, i.e. This means that the concrete material can harden both in air and under water and is also durable.
  • the cement reacts with water to form insoluble, stable compounds. These compounds, which can be present, for example, as calcium silicate hydrates, form fine needle-shaped crystals, which interlock with one another and thus lead to the high strength of the cement and thus the self-hardening of the concrete material. Hydration occurs during self-curing, i.e. H. an accumulation of water molecules.
  • Cement clinker refers to a solid substance that forms a proportion of cement, in particular Portland cement, where the Portland cement can be provided by cement clinker and lime or anhydrite.
  • Portland cement comprises approximately 58 - 66% calcium oxide, approximately 18 - 26% silicon dioxide, approximately 4 - 10% aluminum oxide and 2 - 5% iron oxide.
  • the cement clinker is responsible for self-hardening through hydration, which, without wishing to be limited to one theory, in turn results from the chemical structure of tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide.
  • silicate reaction and aluminate reaction are also common in the prior art.
  • hydroxide ions can form upon contact with water, meaning that the concrete material is basic.
  • the hydroxide ions formed upon contact with water are, for example can be used to adjust the nucleophilicity in order to bring about a desired chemical reaction, particularly during processing.
  • the semiconductor component is characterized in that the concrete material is a fiber concrete comprising fibers, the fibers preferably comprising a material selected from a group comprising plastic, steel and/or glass.
  • Fiber concrete preferably refers to a concrete material that has fibers and therefore contains fiber reinforcement.
  • the fibers can be, for example, plastic, steel and/or glass fibers.
  • the matrix is preferably selected from a group comprising cement, cement stone and/or mortar.
  • Further properties for the concrete material and thus for the semiconductor component can advantageously be set using parameters of the fiber.
  • Parameters for the fibers can be selected from a group comprising fiber materials (preferably plastic, steel and/or glass), fiber sizes (e.g. micro and/or macro fibers) and/or fiber geometries (e.g .straight, hook-shaped, wavy, end-squashed and/or end-compressed).
  • the fiber properties can be used to regulate the mechanical, electrical, optical properties and/or behavior when exposed to foreign substances.
  • the processing properties and/or the usage properties of the concrete material for the semiconductor component can be additionally optimized through the fiber properties.
  • the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a pore structure, the pore structure preferably having pores with a diameter selected between 1 nm - 200 nm, preferably between 2 - 50 nm, particularly preferably between 5 nm - 40 nm.
  • the presence of a pore structure for the concrete material is particularly advantageous for the insulating layer of the semiconductor component.
  • the creation of parasitic capacitances is a well-known problem in semiconductor and microsystem technology. Parasitic capacitances arise, among other things, when two or more conductive areas with different voltages are close together so that the electric field between them stores an electric charge on them. The effect of parasitic capacitance is particularly relevant in high-frequency applications.
  • the material density and thus the dipole density can be reduced by the pore structure of the concrete material, in particular for the insulating layer.
  • the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a roughness, the roughness preferably having an average roughness in a range between 0.01 pm and 100 pm, preferably between 1 pm and 50 pm, particularly preferably between 5 pm and 8 p.m.
  • the term roughness is preferably used to describe the unevenness of a surface, in particular the surface height.
  • the average roughness value preferably refers to a parameter with which the roughness of a surface can be characterized. The lower the average roughness value, the less rough and smoother the surface is.
  • the center rough values mentioned have proven to be advantageous in order to provide surfaces that are sufficiently smooth for the functionality of the semiconductor component.
  • the smooth surface is particularly advantageous for the base substrate and/or for the protective cover.
  • the smoothness is an advantage in that further coatings can also be applied smoothly. This advantageously eliminates the need for complex process steps, such as: B. planarization, for example to make insulating layers and/or other layers sufficiently smooth.
  • a smooth surface is required for the protective cover, among other things. advantageous in that when contacting a foreign substance, e.g. B. a liquid, adhesion is prevented. In addition, a connection with the concrete material, such as. B. sticking can be prevented or the protective effect of the protective cover can be increased.
  • the semiconductor component is characterized in that the base substrate has the concrete material, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on a surface of the base substrate and/or is integrated into the base substrate.
  • the base substrate preferably refers to a flat, preferably disk-shaped body whose width and/or length is significantly greater than the thickness of the body.
  • the length and/or width of the base substrate can be higher than the length and/or width by a factor of 1.5, 2, 3, 4, 5 or more.
  • the thickness of the base substrate can be, for example, in the millimeter or submillimeter range.
  • the base substrate preferably serves as a carrier for the MEMS element and/or the electronic circuit.
  • the base substrate comprises a concrete material.
  • the surface properties of the base substrate can advantageously be precisely adjusted by using concrete material.
  • a permanent connection between the base substrate and the electronic circuit and/or MEMS element can advantageously be achieved through adhesion if it is to be attached to the base substrate.
  • the roughness or Smoothness of the surface can be optimized so that further layers that are applied to the base substrate can also be designed to be essentially homogeneous.
  • the base substrate can have a geometric shape that is round or angular in cross section.
  • the base substrate can have a geometric shape that is round or angular in cross section.
  • the shaping of the base substrate it may also be preferred to specify parameters of a method with which the concrete material is applied and thus directly obtain a shape for the base substrate.
  • the concrete material is preferably applied in a pasty form and the self-hardening of the concrete material is used to determine the shape of the base substrate.
  • the degrees of freedom with which the shape for the base substrate can be determined are easier to determine than for other common materials in semiconductor and/or microsystem technology for base substrates.
  • slopes, depressions and/or cavities can also be introduced particularly easily into the base substrate.
  • the easy formability through the use of concrete material is also available for components such as: B. insulating layers and/or protective covers.
  • the base substrate can preferably also have a concrete material if the base substrate has an SOI construction.
  • An SOI construction is known in the art as a construction of substrates that have a dielectric oxide layer between two semiconductor layers. It may thus be preferred that the base substrate comprising concrete material has a first concrete material layer, a dielectric layer positioned thereon and, in turn, a second concrete material layer.
  • the base substrate comprising concrete material can preferably also be present as a circuit carrier, preferably also as an injection-molded circuit carrier (English: Molded Interconnect Device, abbreviated to MID).
  • the base substrate can advantageously be structured with a high degree of design freedom and electrical connections can be integrated, such as. B. conductor tracks and / or plated-through holes, so that a significantly miniaturized semiconductor component can be provided.
  • the design of the base substrate comprising concrete material as a package substrate is also advantageously possible.
  • a package substrate can advantageously be used to obtain a carrier and at the same time a protective cover for a MEMS element and/or an electronic circuit.
  • the package substrate has notches into which the MEMS element and/or the electronic circuit can be inserted. Above the notches there are preferably covers which at least partially surround the MEMS element and/or the electronic circuit as a protective cover.
  • MEMS structures for the MEMS element can be introduced into the base substrate particularly easily.
  • MEMS structures preferably refer to sections in the micrometer range (e.g. 1 pm - 1000 pm) and serve to provide the MEMS element.
  • MEMS structures are preferably introduced into the base substrate in order to integrate MEMS elements into the base substrate. It may also be preferred to form one or more cavities in the base substrate in order to create a free volume in which the MEMS element and/or the electronic circuit can be introduced. This can advantageously achieve a high level of compactness of the semiconductor component and simultaneous protection of sensitive MEMS elements.
  • MEMS structures can be introduced in a simple manner, which serve to provide the MEMS element.
  • the MEMS structures can be selected from a group comprising translatable, rotatable, oscillatable, lamellar and/or meander-like MEMS structures.
  • Many MEMS structures can therefore advantageously be provided to form the MEMS element.
  • a large number of MEMS structures can therefore advantageously be introduced into the base substrate comprising concrete material, so that a large number of MEMS elements can be present on or in the base substrate.
  • the semiconductor component is characterized in that the base substrate has a concrete material and an additive, wherein preferably the additive can be activated using an ablation process to form active areas and the active areas can be activated by metallization to provide for the electrical connection of the MEMS -Element and/or the electronic circuit can be used.
  • the additive preferably refers to a further additional substance that is present in or on the base substrate.
  • the additive can preferably be selected from a group comprising aluminosilicates, preferably tectoalumosilicates. It is known that aluminosilicates have a pore structure.
  • the aluminosilicates as an additive, which are preferably incorporated into the concrete material, can be activated by the ablation process, so that a metal, e.g. B. a precious metal can accumulate.
  • Metallization without external current can then preferably be carried out, in which metal is deposited starting within the pores and also in an outer edge region of the pores. A flat metallization layer can therefore be specifically formed on the surface of the base substrate.
  • the ablation method used is preferably a method that makes it possible to activate the additive.
  • Activation preferably refers to a state in which a reaction, for example a binding with a metal, is favored.
  • the ablation process can be carried out, for example, by emitting electromagnetic radiation, in particular by laser beams.
  • the metallization ie the application of metal, can be carried out, for example, in a chemically reductive metal bath, e.g. B. in a copper bath.
  • Concrete material is advantageously suitable as a suitable carrier for such an additive in order to carry out metallization using an ablation process, so that an electrical connection can be provided for the MEMS element and/or the electronic circuit.
  • the semiconductor component is characterized in that the insulating layer has a concrete material, with the insulating layer preferably being at least partially present on the electrical connection and/or encasing an electrical connection.
  • the electrical connection can, for example, be selected from a group comprising conductor tracks, conductor track levels and/or plated-through holes.
  • concrete material as a dielectric material can be adapted to the shape of the electrical connection in order to ensure optimal electrical insulation.
  • the concrete material can also preferably be optimally applied to bonding wires in order to enable insulation for electrical contacts between, for example, the MEMS element and the electronic circuit.
  • the semiconductor component is characterized in that the insulating layer has a concrete material, the insulating layer preferably having a pore structure.
  • a pore structure can advantageously improve the functionality of the semiconductor component.
  • parasitic capacitances between electrical connections can be reduced, for example, by the presence of a pore structure. This can be justified, among other things, by the fact that the dipole density is reduced by the pore structure comprising pores.
  • the semiconductor component is characterized in that the protective cover is selected from a group comprising a protective layer and/or a cover substrate.
  • the preferred options mentioned comprising a protective layer and/or a cover substrate, have proven effective in enabling secure hermetic encapsulation of the MEMS element and/or the electronic circuit and thus achieving reliable protection from the environment. It is advantageous to use concrete material both for a protective layer and for a cover substrate.
  • the semiconductor component is characterized in that the semiconductor component has a protective layer comprising concrete material, wherein the protective layer is preferably present in a surface-conform manner on the MEMS element and/or the electronic circuit.
  • the protective layer preferably refers to a layer that is applied to components of the semiconductor component, such as. B. the MEMS element and / or the electronic circuit can be applied.
  • the use of concrete material advantageously makes it possible to apply the protective layer particularly precisely, so that local coverings are also possible.
  • a protective layer comprising concrete material to components of the semiconductor component in a surface-conform manner.
  • a surface-conform protective layer refers in particular to a layer which lies essentially directly and tightly against the underlying components in a shape-preserving manner.
  • Substantially direct and close-fitting preferably means that the majority of the protective layer rests directly, but in some areas includes volumes that are not filled by components, for example in corner areas or below a wire bond.
  • the surface-conforming protective layer is preferably completely surface-conforming. This means in particular that the protective layer is almost perfectly snug or conforms to the surface and even the smallest structures are coated with a tight fit.
  • the smallest structures are preferably structures with dimensions of a maximum of 10 nanometers (nm), a maximum of 100 nm, a maximum of 1 micrometer (pm), a maximum of 10 pm or a maximum of 100 pm.
  • a surface-conform protective layer comprising concrete material
  • a hermetic, space-optimized protective layer can be applied extremely cheaply.
  • a surface-conform protective layer allows a high degree of flexibility with regard to a targeted opening or recess of the protective layer in an interaction area of the MEMS element.
  • the MEMS interaction region preferably means a functional component of the MEMS element, which interacts with an external medium in the desired manner.
  • an acoustic MEMS transducer for example, it is a MEMS membrane.
  • an optical MEMS transducer for example, it is an optical emitter.
  • the protective layer which can preferably be present in a surface-conform manner, preferably has a thickness of approximately 10 nm (nanometers) - 1 mm (millimeters). It may also be preferred that the protective layer can have a thickness of approximately 10 nm - 100 nm, approximately 100 nm - 200 nm, approximately 200 nm - 500 nm, approximately 500 nm - 1 pm (micrometer), approximately 1 pm - 5 pm, approx. 5 pm - 10 pm, approx. 10 pm - 50 pm, approx. 50 pm - 100 pm, approx. 100 pm - 500 pm or from approx. 500 pm - 1 mm.
  • the aforementioned range limits can also be combined to obtain further preferred ranges, such as approximately 100 nm - 1 pm, approximately 500 nm - 5 pm or approximately 200 nm - 10 pm.
  • the preferred thicknesses for the protective layer advantageously lead to excellent protection of the MEMS element and/or the electronic circuit while at the same time being compact and ensuring high functionality. Furthermore, the preferred thicknesses for the protective layer can be provided easily, inexpensively and quickly using methods proven in the prior art.
  • the semiconductor component is characterized in that the semiconductor component has a cover substrate comprising concrete material, wherein the cover substrate preferably covers the MEMS element and/or the electronic circuit and is cohesively connected to the base substrate.
  • the cover substrate preferably refers to a substrate with which the MEMS element and/or the electronic circuit can be covered or enclosed.
  • the lid substrate may preferably be an ordinary substrate or an SOI wafer comprising concrete material.
  • a cover substrate comprising concrete material can advantageously be connected to the base substrate in a materially bonded manner, so that a stable connection between the base substrate and the cover substrate is made possible. As a result, components on or in the base substrate are advantageously particularly well protected.
  • a cohesive connection includes connections in which the base substrate and the cover substrate are held together by atomic or molecular forces. Cohesive connections are at the same time non-detachable connections that can only be separated by destroying the connecting means.
  • the cover substrate can preferably have essentially the same structure as the base substrate.
  • the cover substrate is essentially flat, i.e. H. a length and/or width of the cover substrate is many times higher than a height of the cover substrate, preferably at least by a factor of 1, 5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.
  • the cover substrate and/or the base substrate can preferably have a cavity, with the cover substrate and the base substrate preferably being connected to one another in such a way that a cavity is formed within the semiconductor component, in which the MEMS element and/or the electronic circuit are preferably placed is present.
  • a connection of the base substrate to the cover substrate can preferably take place at lateral regions of the base and cover substrates, which enclose one or both cavities. In this way, a cost-effective, compact and robust semiconductor component can advantageously be provided using simple means, within which a MEMS element and/or an electronic circuit can be placed in a protected manner.
  • the semiconductor component is characterized in that the MEMS element is selected from a group comprising an acoustic MEMS transducer, optical MEMS transducer, MEMS sensor, in particular MEMS gas sensor and/or MEMS filter.
  • MEMS element is selected from a group comprising an acoustic MEMS transducer, optical MEMS transducer, MEMS sensor, in particular MEMS gas sensor and/or MEMS filter.
  • Reliable operability and optimal usability can advantageously be guaranteed for a large number of MEMS elements if at least one component of the semiconductor component comprises a concrete material.
  • the MEMS structures comprise a concrete material to provide the MEMS element.
  • one or more insulating layers comprise a concrete material, which in particular enables secure electronic insulation.
  • the protective cover comprises a concrete material, thereby enabling reliable protection for the MEMS element.
  • a MEMS transducer preferably refers to a MEMS converter, i.e. H. a MEMS element capable of converting energy from one form to another.
  • the input signal differs from the output signal in terms of the type of signal.
  • the MEMS converter is selected from a group comprising an acoustic MEMS converter and/or an optical MEMS converter.
  • An acoustic MEMS transducer is set up to interact with a volume flow of a fluid, with the MEMS structures being designed to interact with the volume flow or to record or generate pressure waves.
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid.
  • An acoustic MEMS converter refers to a MEMS converter that uses an acoustic signal, preferably sound pressure waves, during a conversion of a form of energy and/or a type of signal.
  • either the input signal or the output signal is an acoustic signal.
  • an acoustic MEMS transducer can be a MEMS speaker or a MEMS microphone.
  • a MEMS speaker is configured to generate an acoustic signal based on an electrical signal.
  • a MEMS microphone for example, is set up to generate an electrical signal based on an acoustic signal.
  • An optical MEMS converter refers to a MEMS converter in which the input signal or the output signal is an optical signal.
  • An optical signal preferably means light, which can have a wavelength in the visible or non-visible range.
  • an optical MEMS converter can convert light as an input signal into an electrical signal.
  • light may fall on an electrode surface and electrons may be emitted from the electrode surface.
  • the resistance of a material changes when it is illuminated.
  • an output voltage that is proportional to the radiation intensity is generated.
  • light can be emitted based on an electrical quantity, such as. B. with an OLED, LED, electroluminescent lamp etc.
  • the MEMS element is a MEMS sensor, in particular a MEMS gas sensor and/or a MEMS filter.
  • a MEMS sensor can, for example, comprise a capacitively or optically readable, piezoelectric, piezoresistive and/or magnetic beam and/or a capacitive, piezoelectric, piezoresistive and/or optical microphone or membrane in order to measure a physical, chemical and/or biological quantity capture.
  • the MEMS sensor is preferably a MEMS gas sensor.
  • a MEMS gas sensor is preferably able to detect a gas as such and/or a concentration of a gas.
  • a MEMS gas sensor can, for example, be based on the principle of photoacoustic spectroscopy. In photoacoustic spectroscopy, intensity-modulated infrared radiation with frequencies in the absorption spectrum of a molecule to be detected in a gas is preferably used. If this molecule is present in the beam path, modulated absorption occurs, leading to heating and cooling processes whose time scales reflect the modulation frequency of the radiation. The heating and cooling processes lead to expansions and contractions of the gas, causing sound waves at the modulation frequency. These can be measured using, for example, sound detectors and/or flow detectors. The power of the sound waves is preferably directly proportional to the concentration of the absorbing gas.
  • the MEMS sensor is a MEMS filter, preferably a MEMS frequency filter, in particular a SAW or BAW filter.
  • a SAW filter is preferably a surface acoustic wave filter (also AOW filter), which in particular represents a bandpass filter for electrical signals.
  • BAW filters (English: bulk acoustic wave) are preferably similar electronic filters with bandpass characteristics. However, in contrast to the SAW filter, these preferably have a base substrate in which the acoustic waves are propagated.
  • the semiconductor component comprises a MEMS element. In further preferred embodiments, the semiconductor component comprises an electronic circuit. In further preferred embodiments, the semiconductor component comprises a MEMS element and an electronic circuit.
  • the semiconductor component is characterized in that the electronic circuit is selected from a group comprising a computing unit, a processor, a microprocessor, an integrated circuit (IC), an application-specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic circuit ( PLD), a Field Programmable Gate Array (FPGA) and/or a programmable logic circuit.
  • the electronic circuit is selected from a group comprising a computing unit, a processor, a microprocessor, an integrated circuit (IC), an application-specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic circuit ( PLD), a Field Programmable Gate Array (FPGA) and/or a programmable logic circuit.
  • the invention relates to a method for producing a semiconductor component comprising the following steps: a) provision of a base substrate, b) attachment of a MEMS component and/or an electronic circuit on or in the base substrate, characterized in that the base substrate is a concrete material comprises, an insulating layer comprising a concrete material for insulating an electrical connection is applied and/or a protective cover comprising concrete material is applied, which at least partially encloses the MEMS component and/or the electronic circuit.
  • the preferred method for producing the semiconductor component advantageously achieves a significant process improvement, since in particular the self-hardening of the concrete material can be used.
  • Self-curing can, for example, take place at room temperature. It is therefore not necessary to integrate further process steps in order to harden the concrete material and thus carry out the final shaping.
  • This advantageously saves both the complexity of the process and the costs, since, for example, concrete material is more cost-effective than using a heating oven to carry out drying and/or curing.
  • Concrete material solidifies not only through drying itself, but through the chemical process of setting.
  • the cement and water in the concrete material can preferably form a cement paste that crystallizes and bonds firmly with other components of the concrete.
  • the evaporation of water is preferably not relevant for curing and only occurs partially. Instead, water remains in the concrete material as a result of the setting process and is important for strength.
  • curing takes place based on the binder, which in the case of concrete material is cement.
  • the self-curing of the concrete material can be used efficiently in order to advantageously obtain quickly finished semiconductor components, in particular in the context of mass production.
  • concrete material can be used as part of processing at temperatures that are below a critical temperature, which could have a detrimental effect on components of the semiconductor component.
  • a sufficiently reliable shaping of components of the semiconductor component e.g. B. MEMS structures for providing the MEMS element.
  • the self-curing of the concrete material can advantageously take place at temperatures that are below temperature ranges that could be critical for components and/or materials of the semiconductor component.
  • Self-curing is advantageously possible at temperatures between 20°C - 100°C, preferably between 20°C - 80°C, particularly preferably between 30°C - 60°C.
  • self-curing can advantageously take place at room temperature. It is particularly advantageous that an external energy supply is not necessary for hardening and/or solidification.
  • the concrete material can be combined with a variety of functional materials, in particular to cause a chemical reaction that can lead to components of the semiconductor component, such as. B. metallization for creating electrical connections.
  • the property that the concrete material is basic applies to be taken into account here, which can, however, also be used advantageously, since hydroxide ions are present as active ions and enable rapid binding and/or reaction.
  • concrete material can also be processed particularly easily, for example in order to obtain a desired shape and/or structure.
  • shapes and/or structures can be set using a method with which the concrete material for a component of the semiconductor component can be produced.
  • the method is characterized in that the concrete material is applied and/or processed by a method selected from a group comprising film casting, injection molding, additive manufacturing, embossing and/or joining, preferably by a selection of parameters of the method Pore structure and/or roughness can be adjusted.
  • Concrete material can advantageously be used in a number of manufacturing processes that are used in the context of semiconductor and/or microsystems technology to produce semiconductor components.
  • the methods mentioned have proven themselves in the state of the art and ensure optimal operation and essentially error-free production of semiconductor components.
  • the methods mentioned can also advantageously be used to reliably adjust the shape and/or structure of the concrete material for one or more components of the semiconductor component.
  • Film casting refers to a primary molding process that can be used to produce thin and/or large-area films comprising concrete material.
  • the concrete material preferably flows from a storage container with an adjustable slot on the bottom, pressure-free and bubble-free, under a drum (drum casting) or an endless copper strip (strip casting).
  • the concrete material can preferably also be spread evenly with an adjustable blade.
  • Films comprising concrete material, which were provided by film casting are advantageously characterized by a very homogeneous surface free of air bubbles and shrinkage.
  • Injection molding is also a primary molding process.
  • the concrete material is injected under pressure into a mold, the injection molding tool, using an injection molding machine.
  • the concrete material returns to its solid state through cooling or a crosslinking reaction and is removed as a finished part after the injection molding tool is opened.
  • Additive manufacturing includes manufacturing processes in which the material comprising concrete material is applied layer by layer to provide three-dimensional objects.
  • the layer-by-layer structure is computer-controlled according to one or more predetermined dimensions and/or shapes. Physical and/or chemical hardening and/or melting processes take place during construction.
  • embossing the surface of the concrete material is processed using dies in order to obtain desired structures, such as pores, reliefs, depressions, cavities, etc. Embossing can preferably also be used to correct dimensional and/or shape deviations of a component of the semiconductor component to correct.
  • Joining refers to general processes with which at least two components of the semiconductor component can be permanently connected (joined). In the context of semiconductor and/or microsystem technology, this includes in particular welding, soldering, gluing and/or assembly and connection techniques, such as: B. Bonding.
  • the method is characterized in that the concrete material is applied in a paste-like form, preferably using self-hardening of the concrete material through an exothermic reaction.
  • a pasty form of the concrete material means that the concrete material is present as a paste, i.e. as a solid-liquid mixture.
  • the concrete material as a paste can be characterized by the solids content and/or the viscosity.
  • the concrete material in the form of a paste preferably comprises a solids content between 30% - 80%, preferably between 50% - 70%.
  • the solids content is particularly preferably more than 50%.
  • the concrete material in its pasty state has a viscosity between 1 - 3000 mPa s (millipascal times second), preferably between 1 - 1000 mPa s, particularly preferably between 1 - 500 mPa s, very particularly preferably between 1 - 200 mPa s.
  • the paste is characterized by the fact that it is preferably non-flowable, but is spreadable.
  • the self-curing of the concrete material is preferably used to provide the semiconductor component and/or components of the semiconductor component.
  • hydration occurs, i.e. H. the attachment of water molecules.
  • the hydration of calcium oxide, magnesium oxide and/or cement to calcium hydroxide, magnesium hydroxide and/or calcium silicate hydrates is relevant for the use of concrete material.
  • the setting process on which the self-hardening of the concrete material is based is an exothermic reaction.
  • the method is characterized in that the base substrate has a material comprising concrete and the base substrate has an additive, the additive preferably being activated using an ablation process so that active areas are formed and the active areas are made available by metallization an electrical connection of the MEMS component can be used, wherein the electrical connection, preferably a conductor track, is preferably introduced by a galvanic process.
  • the additive can preferably be selected from a group comprising aluminosilicates, preferably tectoalumosilicates.
  • the additive When activated, the additive has a state in which: a reaction or type of reaction can occur at a higher rate or yield.
  • the use of an ablation procedure has proven to be a particularly reliable method for activating the additive.
  • a reliable connection to the material for metallization can advantageously be made possible, for example in order to provide electrical connections, preferably conductor tracks.
  • the metallization is preferably carried out using a galvanic process.
  • the galvanic process can be used to dissolve a metal using an electric current through a bath containing an electrolyte, starting from a positive pole (anode) and transferring it to the negative pole (cathode).
  • the metal ions dissolved in the bath are deposited on the activated areas by reduction, for which purpose electrical contact with the negative pole is preferably provided.
  • the metal ions can already be contained in the electrolyte as a solution.
  • the metal ions are advantageously deposited particularly evenly, so that electrical connections that are homogeneous in terms of structure can be created.
  • the invention relates to the use of a concrete material for producing a semiconductor component.
  • concrete material can be used in the context of semiconductor and/or microsystem technology, which has an advantageous effect on the structure and manufacturing process of semiconductor components.
  • One or more components of the semiconductor component can have concrete material, such as. B. the base substrate, an insulating layer and / or a protective cover. Concrete material is also extremely suitable for being integrated into state-of-the-art processes for producing components of the semiconductor component. The use of concrete material in the production of a semiconductor component therefore achieves a significant improvement over the prior art. Such use of concrete materials was previously unknown in the prior art.

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Abstract

The invention relates to a semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is formed on or in a base substrate. The semiconductor component is characterised in that it comprises a concrete material. Thus one or more components of the semiconductor component can comprise the concrete material, such as the base substrate, an insulation layer and/or a protective casing. The invention also relates to a method for producing the semiconductor component.

Description

SELBSTAUSHÄRTENDER BETON ALS NEUER WERKSTOFF FÜR MIKROSYSTEME SELF-HARDING CONCRETE AS A NEW MATERIAL FOR MICROSYSTEMS
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil umfassend ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung, wobei das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung auf oder in einem Grundsubstrat eingebracht vorliegt. Das Halbleiterbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Betonmaterial aufweist. So können eine oder mehrere Komponenten des Halbleiterbauteils das Betonmaterial umfassen, wie z. B. das Grundsubstrat, eine Isolierschicht und/oder eine Schutzhülle. The invention relates to a semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on or in a base substrate. The semiconductor component is characterized in that it has a concrete material. One or more components of the semiconductor component can include the concrete material, such as. B. the base substrate, an insulating layer and / or a protective cover.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils. The invention further relates to a method for producing the semiconductor component.
Hintergrund und Stand der Technik Background and state of the art
Es ist bekannt, dass eine Vielzahl von Bauteilen mit Methoden der Halbleitertechnologie aufgebaut werden können. Solche Bauteile bezeichnet man auch als Halbleiterbauteile. Halbleiterbauteile können insbesondere Strukturen aufweisen, welche Größen und Ausmaße im Mikrometerbereich haben. Wird eine mechanische Mikrostruktur mit einer elektrischen Schaltung kombiniert, spricht man auch von einem sogenannten MEMS (englisch: microelectromechanical system), MEMS-Bauteil, MEMS-System oder MEMS-Element. It is known that a large number of components can be constructed using semiconductor technology methods. Such components are also referred to as semiconductor components. Semiconductor components can in particular have structures which have sizes and dimensions in the micrometer range. If a mechanical microstructure is combined with an electrical circuit, it is also referred to as a so-called MEMS (microelectromechanical system), MEMS component, MEMS system or MEMS element.
MEMS-Elemente können hierbei Logikelemente und mikromechanische Strukturen auf einem Chip vereinen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, mechanische und elektrische Signale zu verarbeiten und/oder zu erzeugen, zeichnen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen aus, wie z. B. für Sensoren, Aktoren, Filter und/oder Oszillatoren. MEMS elements can combine logic elements and micromechanical structures on one chip. Their ability to process and/or generate mechanical and electrical signals makes them ideal for a variety of applications, such as: B. for sensors, actuators, filters and/or oscillators.
In der heutigen Zeit bilden MEMS-Elemente eine wichtige technische Grundlage für Lösungsansätze in der Mikroelektronik. Gegenüber konventionellen Makrosystemen bieten sie vor allem Vorteile in der Kostenersparnis durch einen geringen Verbrauch an Werkstoffen und/oder einer möglichen Parallelfertigung sowie in der Effizienz, welche durch einen geringeren Energie- und Leistungsbedarf ermöglicht wird. Today, MEMS elements form an important technical basis for solutions in microelectronics. Compared to conventional macro systems, they offer advantages primarily in cost savings through low consumption of materials and/or possible parallel production, as well as in efficiency, which is made possible by lower energy and power requirements.
Für die Funktionalität und das Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterbauteils ist die Materialauswahl für seine Komponenten eine relevante Größe. Diesbezüglich haben sich verschiedene Materialien im Stand der Technik bewährt, die individuelle Vorzüge haben. The choice of material for its components is a relevant factor for the functionality and process for producing a semiconductor component. In this regard, various materials have proven themselves in the state of the art and have individual advantages.
Fedder (2003) bietet einen Überblick über bekannte Werkstoffen für mikromechanische Anwendungen, wobei eine Klassifikation in fünf Hauptkategorien vorgenommen wird, nämlich Strukturmaterialien, Substratmaterialien, Spacermaterialien, Flächenmaterialien sowie aktive Materialien. Das Strukturmaterial und das Substratmaterial, die ein und dasselbe sein können, müssen in der Lage sein, verschiedene Prozessschritte zu überstehen. Zu den relevanten Eigenschaften des Strukturmaterials gehören das Elastizitätsmodul, die Dichte, die Eigenspannung und Spannungsgradienten, die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die langfristige Stabilität dieser Eigenschaften. Spacermaterialien werden in der Regel ganz oder teilweise weggeätzt, um die Mikrostruktur freizulegen, und werden aufgrund dieser Funktion oft als Opfermaterialien oder Opferschichten bezeichnet. Spacermaterialien können auch zur Herstellung von Gussformen für Strukturen verwendet werden. Flächen- oder auch Oberflächenmaterialien oder Isolationsmaterialien können verwendet werden, um das Substrat oder das Strukturmaterial vor bestimmten Ätzschritten zu schützen. Oberflächenmaterialien sind ebenfalls wichtig, um eine elektrische Isolierung zu erreichen. Aktive Materialien werden auf Strukturen aufgebracht, um deren besondere physikalische Eigenschaften oder Effekte zu nutzen, um ein Signal zu erzeugen und/oder auszulesen. Gängige physikalische Eigenschaften und/oder Effekte, die dabei genutzt werden, sind piezoelektrische Effekte. Fedder (2003) provides an overview of known materials for micromechanical applications, classifying them into five main categories, namely structural materials, substrate materials, spacer materials, surface materials and active materials. The structural material and the substrate material, which may be one and the same, must be able to withstand different process steps. The relevant properties of the structural material include the elastic modulus, density, residual stress and stress gradients, electrical and thermal conductivity, and the long-term stability of these properties. Spacer materials are typically etched away in whole or in part to expose the microstructure and are often used for this function referred to as sacrificial materials or sacrificial layers. Spacer materials can also be used to make molds for structures. Area or surface materials or insulation materials can be used to protect the substrate or the structural material from certain etching steps. Surface materials are also important to achieve electrical insulation. Active materials are applied to structures to exploit their special physical properties or effects to generate and/or read a signal. Common physical properties and/or effects used are piezoelectric effects.
Im Kontext der Mikrosystemtechnik werden besonders häufig Silizium und/oder Galliumarsenid als Materialien für (Grund-)Substrate eingesetzt. Die genannten Materialien haben sich insbesondere dahingehend bewährt, dass Sensorelemente und/oder Aktuatorelemente aus dem Material bereitgestellt werden können. Des Weiteren sind Silizium und Galliumarsenid als Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig und lassen sich durch etablierte Prozesse fabrizieren und/oder verpacken. Insbesondere lassen sich durch Dotierungen ihre elektrische Leitfähigkeit erheblich verbessern. Hinsichtlich der Möglichkeiten der Funktionsverbesserung eines Halbleiterbauteils in Bezug auf die Auswahl und/oder Bearbeitung von Halbleitermaterialien kann auf Rahman (2014) verwiesen werden. In the context of microsystem technology, silicon and/or gallium arsenide are particularly frequently used as materials for (base) substrates. The materials mentioned have proven particularly useful in that sensor elements and/or actuator elements can be provided from the material. Furthermore, silicon and gallium arsenide are comparatively inexpensive as semiconductor materials and can be manufactured and/or packaged using established processes. In particular, doping can significantly improve their electrical conductivity. Regarding the possibilities of improving the function of a semiconductor component with regard to the selection and/or processing of semiconductor materials, reference can be made to Rahman (2014).
Auch weitere Materialien, wie z. B. Quartz, Pyrex, Polymere, Keramiken und/oder Kunststoffe können als Substrate in der Halbleitertechnologie und/oder Mikrosystemtechnik eingesetzt werden. Solche Materialien können auch als sogenannte Packaging- oder Packagesubstrate eingesetzt werden, um eine Einhüllung von MEMS-Elementen zu ermöglichen und damit einen besonders guten Schutz zu gewährleisten. Other materials, such as B. Quartz, Pyrex, polymers, ceramics and/or plastics can be used as substrates in semiconductor technology and/or microsystem technology. Such materials can also be used as so-called packaging or package substrates to enable MEMS elements to be wrapped and thus ensure particularly good protection.
Hinsichtlich der Isolationsmaterialien oder Isolationsschichten haben sich ebenso verschiedene Materialien bewährt. Die dafür eingesetzten dielektrischen Materialien werden insbesondere dazu eingesetzt, um Isolierungen für elektronische Kontaktierungen zu ermöglichen und/oder das MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung vor unerwünschten elektrischen Effekten zu schützen. Ein bekanntes Isolationsmaterial ist Siliziumdioxid. Die Auswahl von dielektrischen Materialien kann für die Funktionstauglichkeit des Halbleiterbauteils entscheidend sein, da hierdurch beispielsweise parasitäre Kapazitäten und/oder Induktivitäten beeinflusst werden können. Insbesondere im Bereich der Hochfrequenzanwendungen ist es relevant, parasitäre Kapazitäten zu verringern. Hierbei wird im Stand der Technik der Ansatz verfolgt, die Permittivität des dielektrischen Materials zu verringern, beispielsweise durch den Einsatz sogenannter Low-k- Materialien (siehe auch Shamiryan et al. (2004)). With regard to the insulation materials or insulation layers, various materials have also proven successful. The dielectric materials used for this are used in particular to enable insulation for electronic contacts and/or to protect the MEMS element and/or an electronic circuit from undesirable electrical effects. A well-known insulation material is silicon dioxide. The selection of dielectric materials can be crucial for the functionality of the semiconductor component, as this can influence, for example, parasitic capacitances and/or inductances. It is particularly relevant to reduce parasitic capacitances in the area of high-frequency applications. In the prior art, the approach is to reduce the permittivity of the dielectric material, for example by using so-called low-k materials (see also Shamiryan et al. (2004)).
Zur Bereitstellung eines Gehäuses, um ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung zu schützen, hat sich die Einkapselung durch ein Deckelsubstrat (auch bekannt als Wafer-Capping) als besonders nützlich erwiesen. Dabei können auch Materialien für Substrate zum Einsatz kommen, wie z. B. Silizium. Das Deckelsubstrat dient dem Schutz eines MEMS- Elementes und/oder einer elektronischen Schaltung. Dazu wird das Deckelsubstrat mit dem Grundsubstrat, d. h. dem Substrat, der das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung aufweist, verbunden, beispielsweise durch Bonden. Dabei wird es ermöglicht, einen gewünschten Druck innerhalb der Einkapselung zu ermöglichen, z. B. ein Vakuum, sodass eine hermetische oder nahezu hermetische Abdichtung erreicht werden kann (siehe auch Heakyoung (2013)). Es ist bekannt, dass neben den elektrischen bzw. dielektrischen auch bestimmte mechanische und/oder thermische Anforderungen der Materialien für Komponenten des Halbleiterbauteils erfüllt sein müssen, um eine optimalen Betrieb zu gewährleisten. Insbesondere soll auch ein zuverlässiger Schutz und eine langanhaltende Lebensdauer des Halbleiterbauteils gesichert sein. Das Halbleiterbauteil sollte Erschütterungen standhalten können und durch Wärmewirkungen keine nennenswerten Expansionen erfahren, sodass keine strukturellen Veränderungen hervorgerufen werden. To provide a package to protect a MEMS device and/or electronic circuit, encapsulation by a lid substrate (also known as wafer capping) has proven particularly useful. Materials for substrates can also be used, such as: B. Silicon. The cover substrate serves to protect a MEMS element and/or an electronic circuit. For this purpose, the cover substrate is connected to the base substrate, ie the substrate that has the MEMS element and/or the electronic circuit, for example by bonding. This makes it possible to achieve a desired pressure within the encapsulation, e.g. B. a vacuum so that a hermetic or almost hermetic seal can be achieved (see also Heakyoung (2013)). It is known that, in addition to the electrical or dielectric requirements, certain mechanical and/or thermal requirements of the materials for components of the semiconductor component must be met in order to ensure optimal operation. In particular, reliable protection and a long service life of the semiconductor component should also be ensured. The semiconductor component should be able to withstand shocks and not experience any significant expansion due to heat effects, so that no structural changes are caused.
Sowohl die elektrischen, die dielektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften von Komponenten eines Halbleiterbauteils können durch die chemische Struktur, die verarbeitungsbedingte Morphologie sowie durch eingesetzte Füll- und/oder Verstärkungsstoffe für die eingesetzten Materialien optimiert werden. Both the electrical, dielectric and mechanical properties of components of a semiconductor component can be optimized by the chemical structure, the processing-related morphology and by the fillers and/or reinforcing materials used for the materials used.
In Bezug auf bekannte Materialien bzw. Fertigungsverfahren für Halbleiterbauteile gibt es jedoch auch einige Nachteile. Um beispielsweise Bearbeitungen an Komponenten von Halbleiterbauteilen und/oder MEMS-Elementen vorzunehmen, müssen häufig chemische Reaktionen im eigentlichen Herstellungsprozess hervorgerufen werden, um z. B. eine Verhärtung einer Komposition zu erzielen. Solche chemischen Reaktionen verlangen oftmals eine Zuführung von Wärme (beispielsweise mittels eines Lasers oder Ofens), wodurch das Verfahren aufwendiger und kostenintensiver ist. Des Weiteren kann es sein, dass für bestimmte Materialien und/oder Komponenten eines Halbleiterbauteils und/oder eines MEMS-Elementes kritische Temperaturen - beispielsweise von ca. 130°C - gegeben sind, welche nicht überschritten werden sollten, um ungewünschte strukturelle Veränderungen zu vermeiden. However, there are also some disadvantages with regard to known materials or manufacturing processes for semiconductor components. For example, in order to carry out processing on components of semiconductor components and/or MEMS elements, chemical reactions often have to be caused in the actual manufacturing process, for example. B. to achieve a hardening of a composition. Such chemical reactions often require the addition of heat (for example using a laser or oven), which makes the process more complex and expensive. Furthermore, it may be that for certain materials and/or components of a semiconductor component and/or a MEMS element there are critical temperatures - for example of approximately 130 ° C - which should not be exceeded in order to avoid undesirable structural changes.
Ein weitere Schwierigkeit besteht hinsichtlich der Formgebung von Komponenten der Halbleiterbauteile, insbesondere bei der Verwendung von Materialien wie Gläser und/oder Einkristallen, die beispielsweise qualitativ hochwertig sind, sich jedoch strukturell während eines Fertigungsablaufes nicht optimal ausgestalten lassen. Andere Materialien, welche ggf. leichter formbar sind, beispielsweise Polymere und/oder Keramiken im Rahmen einer additiven Fertigung, können aufgrund von Inhomogenitäten einen verminderten hermetischen Abschluss darstellen, wodurch die Lebensdauer des Halbleiterbauteils beeinträchtigt werden könnte. A further difficulty exists with regard to the shaping of components of the semiconductor components, particularly when using materials such as glasses and/or single crystals, which are of high quality, for example, but cannot be optimally designed structurally during a manufacturing process. Other materials, which may be easier to shape, for example polymers and/or ceramics in the context of additive manufacturing, can represent a reduced hermetic seal due to inhomogeneities, which could affect the service life of the semiconductor component.
Mithin liegt im Stand der Technik ein Bedarf, Halbleiterbauteile mit verbesserten Materialeigenschaften bereitzustellen. There is therefore a need in the prior art to provide semiconductor components with improved material properties.
Aufgabe der Erfindung Task of the invention
Aufgabe der Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung, Halbleiterbauteile bzw. Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, welche sich durch eine optimierte Funktionalität, hohe Wirtschaftlichkeit sowie prozesseffiziente und kostengünstige Herstellung auszeichnen. The object of the invention was to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, it was an object of the invention to provide semiconductor components and methods for their production, which are characterized by optimized functionality, high economic efficiency and process-efficient and cost-effective production.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauteil umfassend ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung, wobei das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung auf oder in einem Grundsubstrat eingebracht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial umfasst, das Halbleiterbauteil eine Isolierschicht umfassend Betonmaterial zur Isolierung einer elektrischen Verbindung aufweist und/oder das MEMS-Bauteil und/oder die elektronische Schaltung von einer Schutzhülle umfassend Betonmaterial mindestens teilweise umschlossen ist. The object of the invention is solved by the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims. In a first aspect, the invention relates to a semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on or in a base substrate, characterized in that the base substrate comprises a concrete material, the semiconductor component has an insulating layer comprising concrete material for insulating an electrical connection and/or the MEMS component and/or the electronic circuit is at least partially enclosed by a protective cover comprising concrete material.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch den Einsatz von Betonmaterial sowohl die strukturellen als auch die funktionellen Eigenschaften eines Halbleiterbauteils überraschenderweise erheblich verbessert werden können. Insbesondere wurde erkannt, dass eine Vielzahl von erwünschten Effekten durch Betonmaterial erzielt und miteinander kombiniert werden können, die in der Fertigung von Halbleiterbauteilen und auf die Halbleiterbauteile als solche von besonderem Vorteil sind. The inventors have recognized that the use of concrete material can surprisingly significantly improve both the structural and functional properties of a semiconductor component. In particular, it was recognized that a variety of desired effects can be achieved and combined with one another using concrete material, which are of particular advantage in the production of semiconductor components and on the semiconductor components as such.
Zu diesem Zweck ist es erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mindestens eine Komponente des Halbleiterbauteils ein Betonmaterial umfasst. Bevorzugt können auch mehrere Komponenten ein Betonmaterial umfassen. Vorzugsweise umfasst das Grundsubtrat, die Isolationsschicht (synonym auch Isolierschicht) und/oder die Schutzhülle ein Betonmaterial. For this purpose, it is provided according to the invention that at least one component of the semiconductor component comprises a concrete material. Preferably, several components can also comprise a concrete material. Preferably, the base substrate, the insulation layer (also synonymously insulating layer) and/or the protective cover comprises a concrete material.
Durch den Einsatz von Betonmaterial für beispielsweise das Grundsubstrat kann vorteilhaft eine besonders homogene Oberfläche ermöglicht werden. Des Weiteren kann vorteilhaft die Glattheit der Oberfläche des Grundsubstrats sowohl präzise als auch einfach eingestellt werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass am Grundsubstrat umfassend Betonmaterial prozesseffizient weitere funktionelle Materialien, wie z. B. Metalle für die Bereitstellung von Leiterbahnen, bereitstellbar sind. Des Weiteren wird vorteilhaft eine zuverlässige Verbindung mit dem MEMS- Element und/oder der elektronischen Schaltung gewährleistet, falls diese auf das Grundsubstrat aufgebracht werden soll. By using concrete material for the base substrate, for example, a particularly homogeneous surface can advantageously be achieved. Furthermore, the smoothness of the surface of the base substrate can advantageously be adjusted both precisely and easily. In addition, it is advantageous that additional functional materials, such as concrete material, can be added to the base substrate in a process-efficient manner. B. metals for the provision of conductor tracks can be provided. Furthermore, a reliable connection to the MEMS element and/or the electronic circuit is advantageously ensured if this is to be applied to the base substrate.
Auch eine Isolierschicht umfassend Betonmaterial geht mit Vorteilen für das Halbleiterbauteil einher. Betonmaterial ist dielektrisch, sodass ein Schutz hinsichtlich Ladungsübertragungen und/oder Ladungsausgleichen gewährleistet ist. Des Weiteren ist die einfache Verformbarkeit, insbesondere die einfache Strukturierung, von Betonmaterial als Isolierschicht besonders nützlich, da durch die Struktur der Isolierschicht die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauteils optimal eingestellt werden können. So lassen sich beispielsweise bei einer Isolierschicht umfassen Betonmaterial mit geringem Aufwand Poren einbringen, welche dafür ausgelegt sein können, parasitäre Kapazitäten zu verringern. An insulating layer comprising concrete material also has advantages for the semiconductor component. Concrete material is dielectric, which ensures protection in terms of charge transfer and/or charge equalization. Furthermore, the easy deformability, in particular the simple structuring, of concrete material is particularly useful as an insulating layer, since the structure of the insulating layer allows the electrical and dielectric properties of the semiconductor component to be optimally adjusted. For example, in an insulating layer comprising concrete material, pores can be introduced with little effort, which can be designed to reduce parasitic capacitances.
Auch für die Bereitstellung einer Schutzhülle hat sich Betonmaterial als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere kann durch das Betonmaterial sichergestellt werden, dass eine hermetische Einkapselung des MEMS-Elementes und/oder der elektronischen Schaltung vorliegt. Mithin wird vorteilhaft ein Stoffaustausch zwischen der Umgebung und inneren Komponenten des Halbleiterbauteils verhindert und eine langanhaltende Funktionstauglichkeit des Halbleiterbauteils erzielt. Nicht nur strukturell, sondern auch für Prozesse bzw. Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteil oder einzelne Komponenten des Halbleiterbauteils hat sich der Einsatz von Betonmaterial als vorteilhaft erwiesen Concrete material has also proven to be beneficial for providing a protective cover. In particular, the concrete material can ensure that there is a hermetic encapsulation of the MEMS element and/or the electronic circuit. This advantageously prevents material exchange between the environment and internal components of the semiconductor component and ensures long-lasting functionality of the semiconductor component. The use of concrete material has proven to be advantageous not only structurally, but also for processes or methods for producing the semiconductor component or individual components of the semiconductor component
Als besonders vorteilhaft ist zu betonen, dass eine Selbstaushärtung des Betonmaterials genutzt werden kann, um Komponenten des Halbleiterbauteils herzustellen. Mit der Selbstaushärtung ist insbesondere gemeint, dass eine Aushärtung des Betonmaterials erfolgen kann, ohne dass zusätzlich extern Energie zugeführt werden muss. Hierdurch folgt vorteilhaft eine erheblich Prozesseffizienz, da einerseits eine einfache Formgebung erzielt und für die Reaktion zur Aushärtung auf weiteren Aufwand verzichtet werden kann. It should be emphasized as particularly advantageous that self-hardening of the concrete material can be used to produce components of the semiconductor component. Self-hardening means in particular that the concrete material can be hardened without additional external energy having to be supplied. This advantageously results in considerable process efficiency, since, on the one hand, simple shaping is achieved and additional effort for the curing reaction can be dispensed with.
Die Selbstaushärtung des Betonmaterials basiert bevorzugt auf Zement (als Bindemittel). Die Aushärtung, auch als Abbinden bekannt, entspricht hierbei bevorzugt einer langsamen chemischmineralogischen Reaktion des Zements mit Wasser, wobei Wasser ebenfalls eine bevorzugte Komponente des Betonmaterials darstellt. Der Zement stellt bevorzugt ein hydraulisches Bindemittel dar, welches erst durch Zugabe von Wasser erhärtet. Die Aushärtung des Betonmaterials basiert unter anderem, ohne auf die Theorie beschränkt zu sein, auf eine Hydratation als chemische Reaktion, welche im Folgenden noch näher beleuchtet wird. Maßgeblich für die Aushärtung sind damit Zement und Wasser als Komponenten des Betonmaterials und weniger die Zuschlagstoffe. The self-hardening of the concrete material is preferably based on cement (as a binder). Hardening, also known as setting, preferably corresponds to a slow chemical-mineralogical reaction of the cement with water, with water also being a preferred component of the concrete material. The cement is preferably a hydraulic binder that only hardens when water is added. The hardening of the concrete material is based, among other things, without being limited to theory, on hydration as a chemical reaction, which will be discussed in more detail below. Cement and water are the components of the concrete material, rather than the aggregates, which are crucial for hardening.
Durch die Möglichkeit der Nutzung der Selbstaushärtung von Betonmaterial ist vorteilhafterweise zudem sichergestellt, dass keine hohen Temperatur auftreten, welche zu unerwünschten strukturellen Veränderungen des Halbleiterbauteils führen können. Insbesondere wird vermieden, dass eine Temperatur aufgebracht werden muss, die kritisch für die Funktionstüchtigkeit von Komponenten und/oder Materialien des Halbleiterbauelementes und/oder des MEMS-Elementes sein könnte, beispielsweise eine Temperatur von ca. 130°C. The possibility of using the self-hardening of concrete material also advantageously ensures that no high temperatures occur, which can lead to undesirable structural changes in the semiconductor component. In particular, it is avoided that a temperature has to be applied which could be critical for the functionality of components and/or materials of the semiconductor component and/or the MEMS element, for example a temperature of approximately 130° C.
Von weiterem Vorteil ist zudem, dass Betonmaterial mit einer Vielzahl von Stoffen für eine gewünschte Reaktion kombinierbar ist. So lassen sich vorteilhaft besonders einfach beispielsweise Metalle in das Betonmaterial integrieren, um Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung bereitzustellen. Weiterhin kann die Eigenschaft, dass Betonmaterial basisch ist, vorteilhafterweise im Rahmen einer Prozessierung genutzt werden, beispielsweise für eine in-situ Konditionierung von Oberflächen. Des Weiteren ist ein alkalisches Milieu des Betonmaterials dahingehend von Vorteil, dass durch die Reaktion des Zements mit Wasser eine besonders hohe Festigkeit erreicht werden kann. Another advantage is that concrete material can be combined with a variety of substances to achieve the desired reaction. For example, it is particularly easy to advantageously integrate metals into the concrete material in order to provide conductor tracks for electrical contacting. Furthermore, the property that concrete material is basic can be advantageously used in the context of processing, for example for in-situ conditioning of surfaces. Furthermore, an alkaline environment of the concrete material is advantageous in that a particularly high level of strength can be achieved through the reaction of the cement with water.
Erfindungsgemäß wurde mithin erkannt, dass eine Reihe vorteilhafter technischer Effekte durch den Einsatz von Betonmaterial zur Herstellung eines Halbleiterbauteils erzielt werden, welche sich sowohl auf die Prozessierung als auch auf das Halbleiterbauteil als solches vorteilhaft auswirken. According to the invention, it was therefore recognized that a number of advantageous technical effects can be achieved through the use of concrete material to produce a semiconductor component, which have an advantageous effect both on the processing and on the semiconductor component as such.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Halbleiterbauteil bevorzugt ein Bauelement, welches man für Schaltungen in der Elektrotechnik oder der Elektronik insbesondere im Zusammenhang mit Halbleitermaterialien verwendet. Der durchschnittliche Fachmann weiß, dass der Begriff des Halbleiterbauteils weit ausgelegt werden kann. Beispielsweise kann ein Halbleiterbauteil einen integrierten Schaltkreis umfassen, der Transistoren und/oder Dioden aufweist oder selbst ein solches Bauteil sein. Vorzugsweise erfolgt die Fertigung der integrierten Schaltkreise auf Grundsubstraten. Zudem können Bauelemente durch Bearbeitung des Grundsubstrats wie Transistoren, Dioden und/oder Kondensatoren hergestellt werden. Es können auch mehrere Grundsubstrate eingesetzt werden, die dann zerteilt werden und mehrere Chips bilden können. Ein Halbleiterbauteil kann auch beispielsweise eine Leiterplatte, mehrere Prozessoren, Halbleiterspeicher, Mikrocontroller, Wandler, Mikrochips etc. umfassen oder selbst sein. Ein Halbleiterbauteil kann bevorzugt mit Verfahren und/oder Gerätschaften aus der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik angefertigt werden. For the purposes of the invention, a semiconductor component preferably refers to a component that is used for circuits in electrical engineering or electronics, in particular in connection with semiconductor materials. The average person skilled in the art knows that the term semiconductor device can be interpreted broadly. For example, a semiconductor component can have one include an integrated circuit that has transistors and / or diodes or itself be such a component. The integrated circuits are preferably manufactured on base substrates. In addition, components such as transistors, diodes and/or capacitors can be produced by processing the base substrate. Several base substrates can also be used, which can then be divided and form several chips. A semiconductor component can also include or be itself, for example, a circuit board, several processors, semiconductor memories, microcontrollers, converters, microchips, etc. A semiconductor component can preferably be manufactured using methods and/or equipment from semiconductor and/or microsystem technology.
Bevorzugt umfasst das Halbleiterbauteil ein Grundsubstrat, eine Isolierschicht und/oder eine Schutzhülle. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Halbleiterbauteil ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung aufweist. Das Grundsubstrat ist bevorzugt als Träger des MEMS- Elementes und/oder der elektronischen aufzufassen. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung innerhalb des Grundsubstrates vorliegt. Dazu kann es bevorzugt sein, MEMS-Strukturen in das Grundsubstrat einzubringen, beispielsweise durch den Einsatz von Ätzverfahren. Daher kann es auch bevorzugt sein, dass das MEMS-Element ein Teil des Grundsubstrates ist. The semiconductor component preferably comprises a base substrate, an insulating layer and/or a protective cover. Furthermore, it is preferred that the semiconductor component has a MEMS element and/or an electronic circuit. The base substrate is preferably to be understood as the carrier of the MEMS element and/or the electronic element. It may also be preferred that the MEMS element and/or the electronic circuit is present within the base substrate. For this purpose, it may be preferred to introduce MEMS structures into the base substrate, for example by using etching processes. Therefore, it may also be preferred that the MEMS element is part of the base substrate.
Als Isolierschicht ist bevorzugt eine Schicht anzusehen, mit der eine elektrische Isolierung ermöglicht wird, beispielsweise von elektrischen Kontaktierungen. Auch dielektrische Zwischenschichten können bevorzugt als Isolierschichten im erfindungsgemäßen Kontext betrachtet werden. The insulating layer is preferably a layer that enables electrical insulation, for example of electrical contacts. Dielectric intermediate layers can also preferably be viewed as insulating layers in the context of the invention.
Eine Zwischenschicht als Isolierschicht meint bevorzugt eine dielektrische Schicht, die zwischen mindestens zwei Komponenten und/oder mindestens zwei Abschnitten des Halbleiterbauteils vorliegt. So kann es beispielsweise bevorzugt sein, dass die Zwischenschicht zwischen zwei Substraten angebracht ist, um eine elektrische Isolierung zwischen diesen zwei Substraten zu ermöglichen. Die Zwischenschicht hat bevorzugt eine flächige Ausgestaltung, d. h. sie hat vorzugsweise eine Länge und/oder Breite, die um ein Vielfaches höher als ihre Dicke, bevorzugt um einen Faktor 1 ,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr. An intermediate layer as an insulating layer preferably means a dielectric layer which is present between at least two components and/or at least two sections of the semiconductor component. For example, it may be preferred that the intermediate layer is attached between two substrates in order to enable electrical insulation between these two substrates. The intermediate layer preferably has a flat design, i.e. H. it preferably has a length and/or width that is many times greater than its thickness, preferably by a factor of 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.
Die Schutzhülle dient bevorzugt der Umhüllung des MEMS-Elementes und/der der elektronischen Schaltung, um einen Stoffaustausch mit der Umgebung zu verhindern. Dazu ist es bevorzugt, dass die Schutzhülle mindestens teilweise über dem MEMS-Element und/oder der elektronischen Schaltung aufgebracht ist, bevorzugt vollständig. The protective cover preferably serves to enclose the MEMS element and/or the electronic circuit in order to prevent material exchange with the environment. For this purpose, it is preferred that the protective cover is applied at least partially over the MEMS element and/or the electronic circuit, preferably completely.
Wie vorgehend erläutert, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass sowohl zur Bereitstellung eines Grundsubstrates, einer Isolierschicht als auch einer Schutzhülle die Verwendung eines Betonmaterials diverse Vorteile bieten kann. Ein solcher Einsatz von Betonmaterial zur Herstellung von Halbleiterbauelementen ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. As explained above, it was recognized according to the invention that the use of a concrete material can offer various advantages both for providing a base substrate, an insulating layer and a protective cover. Such use of concrete material for the production of semiconductor components is not known from the prior art.
Die genannten bevorzugten Komponenten können einzeln oder in Kombination miteinander Bestandteile des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils sein. So umfasst bevorzugt das Halbleiterbauteil ein Grundsubstrat, eine Schutzhülle und/oder eine Isolierschicht. Entsprechend kann es bevorzugt sein, dass das Halbleiterbauteil lediglich das Grundsubstrat, die Schutzhülle oder die Isolierschicht umfasst, vorzugsweise in Kombination mit einem MEMS-Element und/oder einer elektronischen Schaltung. Es kann ebenfalls bevorzugt sein, dass das Halbleiterbauteil das Grundsubstrat und die Schutzhülle, oder das Grundsubstrat und die Isolierschicht, oder die Schutzhülle und die Isolierschicht, oder das Grundsubstrat und die Schutzhülle und die Isolierschicht, vorzugsweise in Kombination mit einem MEMS-Element und/oder einer elektronischen Schaltung umfasst. The preferred components mentioned can be components of the semiconductor component according to the invention individually or in combination with one another. The semiconductor component preferably comprises a base substrate, a protective cover and/or an insulating layer. Accordingly, it can be preferred that the semiconductor component only has the base substrate, the protective cover or comprises the insulating layer, preferably in combination with a MEMS element and/or an electronic circuit. It may also be preferred that the semiconductor component comprises the base substrate and the protective shell, or the base substrate and the insulating layer, or the protective shell and the insulating layer, or the base substrate and the protective shell and the insulating layer, preferably in combination with a MEMS element and/or an electronic circuit.
Im erfindungsgemäßen Kontext ist mit Betonmaterial bevorzugt ein Material gemeint, welches in seiner chemischen Zusammensetzung Beton umfasst, wobei vorzugsweise Beton als Baustoff gemeint ist. Beton umfasst insbesondere ein Bindemittel zur Erzeugung von chemischen Bindungen und ein Zuschlagstoff zur Verleihung einer Stabilität und/oder Festigkeit. In the context of the invention, concrete material preferably means a material which includes concrete in its chemical composition, with concrete preferably being meant as a building material. Concrete includes in particular a binder for creating chemical bonds and an additive for imparting stability and/or strength.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial einen Zement autweist, wobei bevorzugt der Zement ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend, Hüttensand, Silicastaub, Puzzolane, Flugasche, gebrannter Schiefer, Kalkstein, Calciumsulfat, Torerdezementklinker und/oder Zementklinker, wobei bevorzugt der Zementklinker Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat, Tetracalciumaluminatferrit, Tricalciumaluminat und/oder freies Calciumoxid aufweist. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a cement, the cement preferably being selected from a group comprising blastfurnace sand, silica fume, pozzolans, fly ash, burnt slate, limestone, calcium sulfate, tar clay cement clinker and / or cement clinker, where preferably the cement clinker has tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide.
Der Zement ist eine wesentliche Komponente des Betonmaterials und stellt vorzugsweise ein Bindemittel dar, mit dem der Abbindevorgang resultiert. Der Abbindevorgang bezeichnet die chemische Reaktion, bei der die Selbstaushärtung des Betonmaterials eintritt. Zement ist insbesondere ein hydraulisches Bindemittel, d. h., dass das Betonmaterial sowohl an der Luft als auch unter Wasser aushärten kann und auch beständig ist. Während der Aushärtung, d. h. während des Abbindevorgangs, reagiert der Zement mit Wasser unter Bildung unlöslicher, stabiler Verbindungen. Diese Verbindungen, die beispielsweise als Calciumsilikathydrate vorliegen können, bilden feine nadelförmige Kristalle aus, welche sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit des Zements und damit der Selbstaushärtung des Betonmaterials führen. Während der Selbstaushärtung erfolgt damit eine Hydratation, d. h. eine Anlagerung von Wassermolekülen. The cement is an essential component of the concrete material and preferably represents a binder with which the setting process results. The setting process refers to the chemical reaction in which the concrete material self-hardens. Cement is in particular a hydraulic binder, i.e. This means that the concrete material can harden both in air and under water and is also durable. During curing, i.e. H. During the setting process, the cement reacts with water to form insoluble, stable compounds. These compounds, which can be present, for example, as calcium silicate hydrates, form fine needle-shaped crystals, which interlock with one another and thus lead to the high strength of the cement and thus the self-hardening of the concrete material. Hydration occurs during self-curing, i.e. H. an accumulation of water molecules.
Zementklinker bezeichnet einen festen Stoff, der einen Anteil des Zementes bildet, insbesondere von Portlandzement, wobei der Portlandzement durch Zementklinker und Kalk bzw. Anhydrit bereitstellbar ist. Portlandzement umfasst ca. 58 - 66 % Calciumoxid, ca. 18 - 26 % Siliciumdioxid, ca. 4 bis 10 % Aluminiumoxid und 2 - 5 % Eisenoxid. Insbesondere der Zementklinker ist verantwortlich für die Selbstaushärtung durch eine Hydratation, wobei dies, ohne auf eine Theorie beschränkt sein zu wollen, wiederum durch die chemische Struktur von Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat, Tetracalciumaluminatferrit, Tricalciumaluminat und/oder freies Calciumoxid resultiert. Im Stand der Technik sind hierfür auch die Begriffe der Silikatreaktion und der Aluminatreaktion geläufig. Cement clinker refers to a solid substance that forms a proportion of cement, in particular Portland cement, where the Portland cement can be provided by cement clinker and lime or anhydrite. Portland cement comprises approximately 58 - 66% calcium oxide, approximately 18 - 26% silicon dioxide, approximately 4 - 10% aluminum oxide and 2 - 5% iron oxide. In particular, the cement clinker is responsible for self-hardening through hydration, which, without wishing to be limited to one theory, in turn results from the chemical structure of tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide. The terms silicate reaction and aluminate reaction are also common in the prior art.
Die zuvor genannten Zementarten haben sich für eine schnelle und zuverlässige Nutzung der Selbstaushärtung des Betonmaterials als vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus können sich bei einer Kontaktierung mit Wasser Hydroxidionen bilden, d. h., dass das Betonmaterial basisch ist. Die bei einer Kontaktierung mit Wasser gebildeten Hydroxidionen sind beispielsweise dazu nutzbar, die Nukleophilie einzustellen, um insbesondere während einer Prozessierung eine gewünschte chemische Reaktion hervorzurufen. The aforementioned types of cement have proven to be beneficial for quick and reliable self-hardening of the concrete material. In addition, hydroxide ions can form upon contact with water, meaning that the concrete material is basic. The hydroxide ions formed upon contact with water are, for example can be used to adjust the nucleophilicity in order to bring about a desired chemical reaction, particularly during processing.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial ein Faserbeton umfassend Fasern ist, wobei bevorzugt die Fasern ein Material umfassen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Kunststoff, Stahl und/oder Glas. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the concrete material is a fiber concrete comprising fibers, the fibers preferably comprising a material selected from a group comprising plastic, steel and/or glass.
Faserbeton bezeichnet bevorzugt ein Betonmaterial, welches Fasern aufweist und damit eine Faserverstärkung beinhaltet. Bei den Fasern kann es sich beispielsweise um Kunststoff-, Stahl- und/oder Glasfasern handeln. Bevorzugt ist im Falle einer Faserverstärkung die Matrix ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Zement, Zementstein und/oder Mörtel. Fiber concrete preferably refers to a concrete material that has fibers and therefore contains fiber reinforcement. The fibers can be, for example, plastic, steel and/or glass fibers. In the case of fiber reinforcement, the matrix is preferably selected from a group comprising cement, cement stone and/or mortar.
Mithilfe von eingebrachten Fasern können vorteilhaft (Zug-)Spannungen des Betonmaterials aufgenommen werden, sodass eine besonders ausgeprägte Festigkeit, Stabilität und/oder Härte erreichbar ist. Dies ist besonders nützlich für beispielsweise das Grundsubstrat und/oder die Schutzhülle, um die Schutzfunktion zu verbessern. So ist beispielsweise auch eine Schutzwirkung gegeben, wenn das Halbleiterbauteil mechanischen Beanspruchungen wie Erschütterungen oder Ähnliches ausgesetzt ist. With the help of introduced fibers, (tensile) stresses in the concrete material can be advantageously absorbed, so that a particularly pronounced strength, stability and/or hardness can be achieved. This is particularly useful for, for example, the base substrate and/or the protective cover to improve the protective function. For example, a protective effect is also provided if the semiconductor component is exposed to mechanical stress such as vibrations or the like.
Vorteilhaft können durch Parameter der Faser weitere Eigenschaften für das Betonmaterial und damit des Halbleiterbauteils eingestellt werden. Parameter für die Fasern (auch als Fasereigenschaften bekannt) können ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Fasermaterialien (bevorzugt Kunststoff, Stahl und/oder Glas), Fasergrößen (z. B. Mikro- und/oder Makrofasern) und/oder Fasergeometrien (z. B. gerade, hakenförmig, gewellt, endgequetscht und/oder endgestaucht). Durch die Fasereigenschaften können die mechanischen, elektrischen, optischen Eigenschaften und/oder das Verhalten bei einer Fremdstoffeinwirkung reguliert werden. Weiterhin lassen sich durch die Fasereigenschaften die Verarbeitungseigenschaften und/oder die Gebrauchseigenschaften des Betonmaterials für das Halbleiterbauteil zusätzlich optimieren. Further properties for the concrete material and thus for the semiconductor component can advantageously be set using parameters of the fiber. Parameters for the fibers (also known as fiber properties) can be selected from a group comprising fiber materials (preferably plastic, steel and/or glass), fiber sizes (e.g. micro and/or macro fibers) and/or fiber geometries (e.g .straight, hook-shaped, wavy, end-squashed and/or end-compressed). The fiber properties can be used to regulate the mechanical, electrical, optical properties and/or behavior when exposed to foreign substances. Furthermore, the processing properties and/or the usage properties of the concrete material for the semiconductor component can be additionally optimized through the fiber properties.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial eine Porenstruktur aufweist, wobei bevorzugt die Porenstruktur Poren aufweist mit einem Durchmesser ausgewählt zwischen 1 nm - 200 nm, bevorzugt zwischen 2 - 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 5 nm - 40 nm. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a pore structure, the pore structure preferably having pores with a diameter selected between 1 nm - 200 nm, preferably between 2 - 50 nm, particularly preferably between 5 nm - 40 nm.
Das Vorhandensein einer Porenstruktur für das Betonmaterial ist insbesondere vorteilhaft für die Isolierschicht des Halbleiterbauteils. So können hierdurch parasitäre Kapazitäten zwischen zwei oder mehr leitfähigen Abschnitten, z. B. Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen, verringert werden. Die Entstehung parasitärer Kapazitäten ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik ein bekanntes Problem. Parasitäre Kapazitäten entstehen unter anderem dann, wenn zwei oder mehr leitfähige Bereiche mit unterschiedlichen Spannungen nahe beieinander liegen, sodass das elektrische Feld zwischen ihnen eine elektrische Ladung auf ihnen speichert. Besonders relevant ist der Effekt der parasitären Kapazität bei Hochfrequenzanwendungen. Vorteilhafterweise kann durch die Porenstruktur des Betonmaterials, insbesondere für die Isolierschicht, die Materialdichte und damit die Dipoldichte verringert werden. Hierdurch wird die relative Permittivität verringert und mithin auch die parasitäre Kapazität. Dabei ist es vorteilhaft auf einfache Weise möglich, eine gewünschte Porenstruktur des Betonmaterials zu erzeugen. Insbesondere kann die Porenstruktur durch das Verfahren, mit dem das Betonmaterial auftragbar ist, einfach und präzise eingestellt werden. Die genannten bevorzugten Bereiche für Porendurchmesser haben sich als besonders nützlich erwiesen, um parasitäre Kapazitäten zu verringern. The presence of a pore structure for the concrete material is particularly advantageous for the insulating layer of the semiconductor component. This allows parasitic capacitances between two or more conductive sections, e.g. B. conductor tracks or plated-through holes can be reduced. The creation of parasitic capacitances is a well-known problem in semiconductor and microsystem technology. Parasitic capacitances arise, among other things, when two or more conductive areas with different voltages are close together so that the electric field between them stores an electric charge on them. The effect of parasitic capacitance is particularly relevant in high-frequency applications. Advantageously, the material density and thus the dipole density can be reduced by the pore structure of the concrete material, in particular for the insulating layer. This reduces the relative permittivity and therefore also the parasitic capacitance. It is advantageous simple way to create a desired pore structure of the concrete material. In particular, the pore structure can be adjusted easily and precisely by the method with which the concrete material can be applied. The preferred ranges for pore diameters mentioned have proven to be particularly useful for reducing parasitic capacitances.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial eine Rauheit aufweist, wobei bevorzugt die Rauheit einen Mittenrauwert aufweist in einem Bereich zwischen 0,01 pm und 100 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 50 pm, besonders bevorzugt zwischen 5 pm und 20 pm. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the concrete material has a roughness, the roughness preferably having an average roughness in a range between 0.01 pm and 100 pm, preferably between 1 pm and 50 pm, particularly preferably between 5 pm and 8 p.m.
Der Begriff der Rauheit dient bevorzugt der Beschreibung der Unebenheit einer Oberfläche, insbesondere der Oberflächenhöhe. Der Mittenrauwert bezeichnet bevorzugt einen Parameter, mit dem die Rauheit einer Oberfläche charakterisierbar ist. Umso geringer der Mittenrauwert ist, desto weniger rau und umso glatter ist die Oberfläche. Die genannten Mitten rau werte haben sich als vorteilhaft herausgestellt, um für die Funktionalität des Halbleiterbauteils hinreichend glatte Oberflächen bereitzustellen. Die glatte Oberfläche ist insbesondere für das Grundsubstrat und/oder für die Schutzhülle vorteilhaft. The term roughness is preferably used to describe the unevenness of a surface, in particular the surface height. The average roughness value preferably refers to a parameter with which the roughness of a surface can be characterized. The lower the average roughness value, the less rough and smoother the surface is. The center rough values mentioned have proven to be advantageous in order to provide surfaces that are sufficiently smooth for the functionality of the semiconductor component. The smooth surface is particularly advantageous for the base substrate and/or for the protective cover.
Für das Grundsubstrat ist die Glattheit, insbesondere durch die genannten bevorzugte Mittenrauwerte, dahingehend von Vorteil, dass weitere Beschichtungen ebenfalls glatt aufgebracht werden können. Hierdurch entfallen vorteilhaft aufwendige Prozessschritte, wie z. B. eine Planarisierung, um beispielsweise Isolierschichten und/oder andere Schichten hinreichend glatt auszugestalten. For the base substrate, the smoothness, in particular due to the preferred average roughness values mentioned, is an advantage in that further coatings can also be applied smoothly. This advantageously eliminates the need for complex process steps, such as: B. planarization, for example to make insulating layers and/or other layers sufficiently smooth.
Für die Schutzhülle ist eine glatte Oberfläche u. a. dahingehend vorteilhaft, dass bei einer Kontaktierung mit einem Fremdstoff, z. B. einer Flüssigkeit, ein Anhaften verhindert wird. Zudem kann vorteilhaft eine Anbindung mit dem Betonmaterial, wie z. B. ein Kleben, verhindert oder eine Schutzwirkung der Schutzhülle verstärkt werden. A smooth surface is required for the protective cover, among other things. advantageous in that when contacting a foreign substance, e.g. B. a liquid, adhesion is prevented. In addition, a connection with the concrete material, such as. B. sticking can be prevented or the protective effect of the protective cover can be increased.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat das Betonmaterial aufweist, wobei das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung auf einer Oberfläche des Grundsubstrates vorliegt und/oder in das Grundsubstrat integriert ist. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the base substrate has the concrete material, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is present on a surface of the base substrate and/or is integrated into the base substrate.
Das Grundsubstrat bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt einen flachen, vorzugsweise scheibenförmigen, Körper, dessen Breite und/oder Länge deutlich größer ist als die Dicke des Körpers. Die Länge und/oder Breite des Grundsubstrates kann um einen Faktor 1 ,5, 2, 3, 4, 5 oder mehr höher sein als die Länge und/oder Breite. Die Dicke des Grundsubstrats kann beispielsweise im Millimeterbereich oder Submillimeterbereich liegen. Das Grundsubstrat dient bevorzugt als Träger für das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung. For the purposes of the invention, the base substrate preferably refers to a flat, preferably disk-shaped body whose width and/or length is significantly greater than the thickness of the body. The length and/or width of the base substrate can be higher than the length and/or width by a factor of 1.5, 2, 3, 4, 5 or more. The thickness of the base substrate can be, for example, in the millimeter or submillimeter range. The base substrate preferably serves as a carrier for the MEMS element and/or the electronic circuit.
Vorzugsweise umfasst das Grundsubstrat ein Betonmaterial. Vorteilhaft lassen sich die Oberflächeneigenschaften des Grundsubstrats durch die Verwendung von Betonmaterial präzise einstellen. Insbesondere kann vorteilhaft eine dauerhafte Anbindung zwischen Grundsubstrat und elektronischer Schaltung und/oder MEMS-Element durch die Haftung erzielt werden, falls es auf das Grundsubstrat angebracht werden soll. Darüber hinaus kann vorteilhaft die Rauheit bzw. Glattheit der Oberfläche dahingehend optimiert werden, sodass weitere Schichten, die auf das Grundsubstrat aufgebracht werden, ebenfalls im Wesentlichen homogen ausgestaltet sein können. Preferably the base substrate comprises a concrete material. The surface properties of the base substrate can advantageously be precisely adjusted by using concrete material. In particular, a permanent connection between the base substrate and the electronic circuit and/or MEMS element can advantageously be achieved through adhesion if it is to be attached to the base substrate. In addition, the roughness or Smoothness of the surface can be optimized so that further layers that are applied to the base substrate can also be designed to be essentially homogeneous.
Zudem ist es durch die einfache Verarbeitbarkeit von Betonmaterial möglich, auf einfache Weise eine gewünschte Form für das Grundsubstrat zu erhalten. So kann beispielsweise das Grundsubstrat eine geometrische Form aulweisen, die im Querschnitt rund oder eckig ist. Dazu kann es bevorzugt sein, das Betonmaterial in eine Formgebungskomponente einzubringen, wobei bevorzugt die Formgebungskomponente als Matrix für die Form fungieren kann. Für die Formgebung des Grundsubstrats kann es ebenfalls bevorzugt sein, Parameter eines Verfahrens, mit dem das Betonmaterial aufgetragen wird, festzulegen und damit direkt eine Form für das Grundsubstrat zu erhalten. Vorzugsweise wird das Betonmaterial pastös aufgebracht und die Selbstaushärtung des Betonmaterials genutzt, um die Form des Grundsubstrats zu bestimmen. Vorteilhafterweise sind die Freiheitsgrade, mit denen die Form für das Grundsubstrat festgelegt werden kann, einfacher festzulegen als für andere gängige Materialien der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik für Grundsubstrate. So können beispielsweise auch Schrägen, Vertiefungen und/oder Kavitäten in das Grundsubstrat besonders einfach eingebracht werden. Die einfache Formbarkeit durch den Einsatz von Betonmaterial liegt ebenfalls vor für Komponenten wie z. B. Isolierschichten und/oder Schutzhüllen. In addition, the ease of processing concrete material makes it possible to easily obtain a desired shape for the base substrate. For example, the base substrate can have a geometric shape that is round or angular in cross section. For this purpose, it may be preferred to introduce the concrete material into a shaping component, the shaping component preferably being able to function as a matrix for the mold. For the shaping of the base substrate, it may also be preferred to specify parameters of a method with which the concrete material is applied and thus directly obtain a shape for the base substrate. The concrete material is preferably applied in a pasty form and the self-hardening of the concrete material is used to determine the shape of the base substrate. Advantageously, the degrees of freedom with which the shape for the base substrate can be determined are easier to determine than for other common materials in semiconductor and/or microsystem technology for base substrates. For example, slopes, depressions and/or cavities can also be introduced particularly easily into the base substrate. The easy formability through the use of concrete material is also available for components such as: B. insulating layers and/or protective covers.
Das Grundsubstrat kann bevorzugt auch ein Betonmaterial aufweisen, falls das Grundsubstrat eine SOI-Bauweise aufweist. Eine SOI-Bauweise ist im Stand der Technik als eine Bauweise von Substraten bekannt, die zwischen zwei Halbleiterschichten eine dielektrische Oxidschicht aufweisen. So kann es bevorzugt sein, dass das Grundsubstrat umfassend Betonmaterial eine erste Betonmaterialschicht, darauf positionierend eine dielektrische Schicht und darauf wiederrum eine zweite Betonmaterialschicht aufweist. The base substrate can preferably also have a concrete material if the base substrate has an SOI construction. An SOI construction is known in the art as a construction of substrates that have a dielectric oxide layer between two semiconductor layers. It may thus be preferred that the base substrate comprising concrete material has a first concrete material layer, a dielectric layer positioned thereon and, in turn, a second concrete material layer.
Das Grundsubstrat umfassend Betonmaterial kann bevorzugt auch als Schaltungsträger vorliegen, bevorzugt auch als spritzgegossener Schaltungsträger (englisch: Molded Interconnect Device, abgekürzt mit MID). Vorteilhaft lässt sich das Grundsubstrat mit einer hohen Gestaltungsfreiheit strukturieren sowie eine Integration von elektrischen Verbindungen, wie z. B. Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen, aufweisen, sodass ein erheblich miniaturisiertes Halbleiterbauteil bereitgestellt werden kann. The base substrate comprising concrete material can preferably also be present as a circuit carrier, preferably also as an injection-molded circuit carrier (English: Molded Interconnect Device, abbreviated to MID). The base substrate can advantageously be structured with a high degree of design freedom and electrical connections can be integrated, such as. B. conductor tracks and / or plated-through holes, so that a significantly miniaturized semiconductor component can be provided.
Auch die Ausgestaltung des Grundsubstrats umfassend Betonmaterial als Packagesubstrat ist vorteilhaft möglich. Durch ein Packagesubstrat kann vorteilhaft ein Träger und gleichzeitig eine Schutzhülle für ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung erlangt werden. Dazu ist es bevorzugt, dass das Packagesubstrat Einkerbungen autweist, in denen das MEMS- Element und/oder die elektronische Schaltung einbringbar ist. Oberhalb der Einkerbungen liegen bevorzugt Abdeckungen vor, die zumindest teilweise das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung als Schutzhülle zumindest teilweise umgeben. The design of the base substrate comprising concrete material as a package substrate is also advantageously possible. A package substrate can advantageously be used to obtain a carrier and at the same time a protective cover for a MEMS element and/or an electronic circuit. For this purpose, it is preferred that the package substrate has notches into which the MEMS element and/or the electronic circuit can be inserted. Above the notches there are preferably covers which at least partially surround the MEMS element and/or the electronic circuit as a protective cover.
Mithin lassen sich durch den Einsatz von Betonmaterial vorteilhafterweise bekannte Strukturen für das Grundsubstrat imitieren sowie deren Eigenschaften optimieren. Weiterhin lassen sich besonders einfach MEMS-Strukturen für das MEMS-Element in das Grundsubstrat einbringen. MEMS-Strukturen bezeichnen bevorzugt Abschnitte im Mikrometerbereich (z. B. 1 pm - 1000 pm) und dienen der Bereitstellung des MEMS-Elementes. Bevorzugt werden MEMS-Strukturen in das Grundsubstrat eingebracht, um MEMS-Elemente in das Grundsubstrat zu integrieren. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, eine oder mehrere Kavitäten in das Grundsubstrat zu bilden, um ein freies Volumen zu schaffen, in dem das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung eingebracht werden kann. Vorteilhaft kann hierdurch eine hohe Kompaktheit des Halbleiterbauteils und gleichzeitiger Schutz sensitiver MEMS-Elemente erzielt werden. The use of concrete material can therefore advantageously imitate known structures for the base substrate and optimize their properties. Furthermore, MEMS structures for the MEMS element can be introduced into the base substrate particularly easily. MEMS structures preferably refer to sections in the micrometer range (e.g. 1 pm - 1000 pm) and serve to provide the MEMS element. MEMS structures are preferably introduced into the base substrate in order to integrate MEMS elements into the base substrate. It may also be preferred to form one or more cavities in the base substrate in order to create a free volume in which the MEMS element and/or the electronic circuit can be introduced. This can advantageously achieve a high level of compactness of the semiconductor component and simultaneous protection of sensitive MEMS elements.
Als besonders vorteilhaft hat sich insbesondere für die geometrische Ausgestaltung und/oder für die Einbringung von Strukturen, wie z. B. MEMS-Strukturen und/oder Kavitäten, die Verwendung von Betonmaterial für das Grundsubstrat erwiesen. Durch den Effekt der Selbstaushärtung können Strukturen für das Grundsubstrat vorliegen, ohne einen hohen Prozessaufwand aufbringen zu müssen. Beispielsweise ist bevorzugt kein Ätzprozess zur Gestaltung der Strukturen oder Kavitäten notwendig. Stattdessen ist bevorzugt bereits bei der Bereitstellung des Grundsubstrats mittels entsprechender Formgebungskomponente eine gewünschten Form und/oder Struktur durch einen Abbindevorgang bereitstellbar, um z. B. bei Raumtemperatur eine Aushärtung und/oder Festigkeit zu erzielen. It has proven to be particularly advantageous for the geometric design and/or for the introduction of structures, such as. B. MEMS structures and / or cavities, the use of concrete material for the base substrate has been proven. The effect of self-curing means that structures can be created for the base substrate without having to invest a lot of process effort. For example, preferably no etching process is necessary to design the structures or cavities. Instead, a desired shape and/or structure can preferably be provided by a setting process when the base substrate is provided by means of a corresponding shaping component, for example. B. to achieve hardening and/or strength at room temperature.
Vorteilhaft kann durch den Einsatz von Betonmaterial für das Grundsubstrat auf einfache Weise unterschiedliche MEMS-Strukturen eingebracht werden, die zur Bereitstellung des MEMS- Elementes dienen. Die MEMS-Strukturen können ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend translatierbare, rotierbare, schwingfähige, lamellen- und/oder mäanderartige MEMS-Strukturen. Vorteilhaft sind somit viele MEMS-Strukturen bereitstellbar, um das MEMS-Element zu bilden. Bevorzugt liegt mit dem MEMS-Element dazu eine elektronische Kontaktierung vor, um Signale am MEMS-Element zu erzeugen oder vom MEMS-Element auszulesen. Mithin lassen sich vorteilhafterweise eine Vielzahl von MEMS-Strukturen in das Grundsubstrat umfassend Betonmaterial einbringen, sodass eine große Reihe an MEMS-Elementen auf oder in das Grundsubstrat vorliegen kann. Advantageously, by using concrete material for the base substrate, different MEMS structures can be introduced in a simple manner, which serve to provide the MEMS element. The MEMS structures can be selected from a group comprising translatable, rotatable, oscillatable, lamellar and/or meander-like MEMS structures. Many MEMS structures can therefore advantageously be provided to form the MEMS element. For this purpose, there is preferably an electronic contact with the MEMS element in order to generate signals on the MEMS element or to read them from the MEMS element. A large number of MEMS structures can therefore advantageously be introduced into the base substrate comprising concrete material, so that a large number of MEMS elements can be present on or in the base substrate.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial sowie ein Additiv aufweist, wobei bevorzugt das Additiv mit einem Ablationsverfahren aktivierbar ist zur Ausbildung von aktiven Bereichen und die aktiven Bereichen durch eine Metallisierung zur Bereitstellung für die elektrische Verbindung des MEMS-Elementes und/oder der elektronischen Schaltung nutzbar sind. In a further preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the base substrate has a concrete material and an additive, wherein preferably the additive can be activated using an ablation process to form active areas and the active areas can be activated by metallization to provide for the electrical connection of the MEMS -Element and/or the electronic circuit can be used.
Das Additiv bezeichnet bevorzugt einen weiteren zusätzlichen Stoff, der im oder auf das Grundsubstrat vorliegt. Das Additiv kann bevorzugt ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Alumosilikate, bevorzugt Tektoalumosilikate. Es ist bekannt, dass Alumosilikate eine Porenstruktur aufweisen. Die Alumosilikate als Additiv, welche bevorzugt in das Betonmaterial eingebracht sind, sind durch das Ablationsverfahren aktivierbar, sodass in den Poren der Porenstruktur sich ein Metall, z. B. ein Edelmetall, anlagern kann. Daraufhin kann vorzugsweise eine außenstromlose Metallisierung durchgeführt werden, bei der sich Metall beginnend innerhalb der Poren auch in einem äußeren Randbereich der Poren abscheidet. Mithin kann an der Oberfläche des Grundsubstrates gezielt eine flächige Metallisierungsschicht gebildet werden. Als Ablationsverfahren wird bevorzugt eine Verfahren eingesetzt, mit dem es ermöglicht wird, eine Aktivierung des Additivs vorzunehmen. Die Aktivierung bezeichnet bevorzugt einen Zustand, in der eine Reaktion, beispielsweise eine Anbindung mit einem Metall, begünstigt wird. Das Ablationsverfahren kann beispielsweise durch die Emission von elektromagnetischer Strahlung erfolgen, insbesondere durch Laserstrahlen. Die Metallisierung, d. h. die Aufbringung von Metall, kann beispielsweise in einem chemisch reduktiven Metallbad durchgeführt werden, z. B. in einem Kupferbad. The additive preferably refers to a further additional substance that is present in or on the base substrate. The additive can preferably be selected from a group comprising aluminosilicates, preferably tectoalumosilicates. It is known that aluminosilicates have a pore structure. The aluminosilicates as an additive, which are preferably incorporated into the concrete material, can be activated by the ablation process, so that a metal, e.g. B. a precious metal can accumulate. Metallization without external current can then preferably be carried out, in which metal is deposited starting within the pores and also in an outer edge region of the pores. A flat metallization layer can therefore be specifically formed on the surface of the base substrate. The ablation method used is preferably a method that makes it possible to activate the additive. Activation preferably refers to a state in which a reaction, for example a binding with a metal, is favored. The ablation process can be carried out, for example, by emitting electromagnetic radiation, in particular by laser beams. The metallization, ie the application of metal, can be carried out, for example, in a chemically reductive metal bath, e.g. B. in a copper bath.
Vorteilhaft eignet sich Betonmaterial als geeigneter Träger für ein solches Additiv, um mithilfe eines Ablationsverfahrens eine Metallisierung vorzunehmen, sodass eine elektrische Verbindung für das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung bereitgestellt werden kann. Concrete material is advantageously suitable as a suitable carrier for such an additive in order to carry out metallization using an ablation process, so that an electrical connection can be provided for the MEMS element and/or the electronic circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht ein Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Isolierschicht zumindest teilweise auf der elektrischen Verbindung vorliegt und/oder eine elektrische Verbindung ummantelt. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the insulating layer has a concrete material, with the insulating layer preferably being at least partially present on the electrical connection and/or encasing an electrical connection.
Die elektrische Verbindung kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Leiterbahnen, Leiterbahnebenen und/oder Durchkontaktierungen. Vorteilhaft ist Betonmaterial als dielektrisches Material auf die Form der elektrischen Verbindung anpassbar, um eine optimale elektrische Isolierung zu gewährleisten. Auch lässt sich bevorzugt das Betonmaterial auf Bonddrähte optimal aufbringen, um eine Isolierung für elektrische Kontaktierungen zwischen beispielsweise dem MEMS-Element und der elektronischen Schaltung zu ermöglichen. The electrical connection can, for example, be selected from a group comprising conductor tracks, conductor track levels and/or plated-through holes. Advantageously, concrete material as a dielectric material can be adapted to the shape of the electrical connection in order to ensure optimal electrical insulation. The concrete material can also preferably be optimally applied to bonding wires in order to enable insulation for electrical contacts between, for example, the MEMS element and the electronic circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht ein Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Isolierschicht eine Porenstruktur aufweist. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the insulating layer has a concrete material, the insulating layer preferably having a pore structure.
Durch eine Porenstruktur kann vorteilhaft die Funktionstauglichkeit des Halbleiterbauteils verbessert werden. Wie weiter oben dargelegt, können beispielsweise durch das Vorliegen einer Porenstruktur parasitäre Kapazitäten zwischen elektrischen Verbindungen verringert werden. Dies kann unter anderem damit begründet werden, dass durch die Porenstruktur umfassend Poren die Dipoldichte verringert wird. A pore structure can advantageously improve the functionality of the semiconductor component. As explained above, parasitic capacitances between electrical connections can be reduced, for example, by the presence of a pore structure. This can be justified, among other things, by the fact that the dipole density is reduced by the pore structure comprising pores.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine Schutzschicht und/oder ein Deckelsubstrat. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the protective cover is selected from a group comprising a protective layer and/or a cover substrate.
Die genannten bevorzugten Optionen umfassend eine Schutzschicht und/oder ein Deckelsubstrat haben sich dahingehend bewährt, eine sichere hermetische Einkapselung des MEMS-Elements und/oder der elektronischen Schaltung zu ermöglichen und damit einen zuverlässigen Schutz vor der Umgebung zu erlangen. Dabei ist vorteilhaft der Einsatz von Betonmaterial sowohl für eine Schutzschicht als auch für ein Deckelsubstrat möglich. The preferred options mentioned, comprising a protective layer and/or a cover substrate, have proven effective in enabling secure hermetic encapsulation of the MEMS element and/or the electronic circuit and thus achieving reliable protection from the environment. It is advantageous to use concrete material both for a protective layer and for a cover substrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil eine Schutzschicht umfassend Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Schutzschicht oberflächenkonform auf dem MEMS-Element und/oder der elektronischen Schaltung vorliegt. Die Schutzschicht bezeichnet bevorzugt eine Schicht, die auf Komponenten des Halbleiterbauteils, wie z. B. das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung, aufbringbar ist. Durch den Einsatz von Betonmaterial wird es vorteilhaft ermöglicht, besonders präzise die Aufbringung der Schutzschicht auszuführen, sodass auch lokale Abdeckungen möglich sind. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the semiconductor component has a protective layer comprising concrete material, wherein the protective layer is preferably present in a surface-conform manner on the MEMS element and/or the electronic circuit. The protective layer preferably refers to a layer that is applied to components of the semiconductor component, such as. B. the MEMS element and / or the electronic circuit can be applied. The use of concrete material advantageously makes it possible to apply the protective layer particularly precisely, so that local coverings are also possible.
Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, eine Schutzschicht umfassend Betonmaterial oberflächenkonform auf Komponenten des Halbleiterbauteils aufzutragen. Eine oberflächenkonforme Schutzschicht bezeichnet insbesondere eine Schicht, welche im Wesentlichen direkt und formerhaltend eng an den darunter liegenden Komponenten anliegt. Im Wesentlichen direkt und enganliegend bedeutet bevorzugt, dass die Schutzschicht mehrheitlich direkt aufliegt, jedoch in einigen Bereichen nicht durch Komponenten ausgefüllte Volumina miteinschließt, beispielsweise in Eckbereichen oder unterhalb eines Drahtbonds. In particular, it is advantageously possible to apply a protective layer comprising concrete material to components of the semiconductor component in a surface-conform manner. A surface-conform protective layer refers in particular to a layer which lies essentially directly and tightly against the underlying components in a shape-preserving manner. Substantially direct and close-fitting preferably means that the majority of the protective layer rests directly, but in some areas includes volumes that are not filled by components, for example in corner areas or below a wire bond.
Die oberflächenkonforme Schutzschicht ist vorzugsweise vollständig oberflächenkonform. Dies bedeutet insbesondere, dass die Schutzschicht nahezu perfekt enganliegend bzw. oberflächenkonform ist und selbst kleinste Strukturen enganliegend beschichtet vorliegen. The surface-conforming protective layer is preferably completely surface-conforming. This means in particular that the protective layer is almost perfectly snug or conforms to the surface and even the smallest structures are coated with a tight fit.
Kleinste Strukturen sind vorzugsweise Strukturen mit Abmessungen der Größenordnung maximal 10 Nanometer (nm), maximal 100 nm, maximal 1 Mikrometer (pm), maximal 10 pm oder maximal 100 pm. Durch die Anbringung einer oberflächenkonformen Schutzschicht umfassend Betonmaterial kann einerseits äußerst günstig eine hermetische, bauraumoptimierte Schutzschicht aufgebracht werden. Anderseits erlaubt eine oberflächen konforme Schutzschicht eine hohe Flexibilität hinsichtlich einer gezielten Öffnung oder Aussparung der Schutzschicht in einem Interaktionsbereich des MEMS-Elementes. Der MEMS-Interaktionsbereich meint bevorzugt einen funktionellen Bestandteil des MEMS- Elements, welcher mit einem äußeren Medium in gewünschter Weise interagiert. Im Falle eines akustischen MEMS-Transducers handelt es sich beispielsweise um eine MEMS-Membran. Im Falle eines optischen MEMS- Transducer handelt es sich beispielsweise um einen optischen Emitter. The smallest structures are preferably structures with dimensions of a maximum of 10 nanometers (nm), a maximum of 100 nm, a maximum of 1 micrometer (pm), a maximum of 10 pm or a maximum of 100 pm. By applying a surface-conform protective layer comprising concrete material, on the one hand, a hermetic, space-optimized protective layer can be applied extremely cheaply. On the other hand, a surface-conform protective layer allows a high degree of flexibility with regard to a targeted opening or recess of the protective layer in an interaction area of the MEMS element. The MEMS interaction region preferably means a functional component of the MEMS element, which interacts with an external medium in the desired manner. In the case of an acoustic MEMS transducer, for example, it is a MEMS membrane. In the case of an optical MEMS transducer, for example, it is an optical emitter.
Die Schutzschicht, welche vorzugsweise oberflächen konform vorliegen kann, weist bevorzugt eine Dicke auf von ca. 10 nm (Nanometer) - 1 mm (Millimeter). Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass die Schutzschicht eine Dicke aufweisen kann von ca. 10 nm - 100 nm, ca. 100 nm - 200 nm, ca. 200 nm - 500 nm, ca. 500 nm - 1 pm (Mikrometer), ca. 1 pm - 5 pm, ca. 5 pm - 10 pm, ca. 10 pm - 50 pm, ca. 50 pm - 100 pm, ca. 100 pm - 500 pm oder auch von ca. 500 pm - 1 mm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise ca. 100 nm - 1 pm, ca. 500 nm - 5 pm oder ca. 200 nm - 10 pm. The protective layer, which can preferably be present in a surface-conform manner, preferably has a thickness of approximately 10 nm (nanometers) - 1 mm (millimeters). It may also be preferred that the protective layer can have a thickness of approximately 10 nm - 100 nm, approximately 100 nm - 200 nm, approximately 200 nm - 500 nm, approximately 500 nm - 1 pm (micrometer), approximately 1 pm - 5 pm, approx. 5 pm - 10 pm, approx. 10 pm - 50 pm, approx. 50 pm - 100 pm, approx. 100 pm - 500 pm or from approx. 500 pm - 1 mm. One skilled in the art will recognize that the aforementioned range limits can also be combined to obtain further preferred ranges, such as approximately 100 nm - 1 pm, approximately 500 nm - 5 pm or approximately 200 nm - 10 pm.
Die bevorzugten Dicken für die Schutzschicht führen vorteilhafterweise zu einem ausgezeichnetem Schutz des MEMS-Elementes und/oder der elektronischen Schaltung bei gleichzeitig kompakter Ausführung und der Gewährleistung hoher Funktionalität. Des Weiteren können die bevorzugten Dicken für die Schutzschicht mit im Stand der Technik bewährten Verfahren einfach, kostengünstig und schnell bereitgestellt werden. The preferred thicknesses for the protective layer advantageously lead to excellent protection of the MEMS element and/or the electronic circuit while at the same time being compact and ensuring high functionality. Furthermore, the preferred thicknesses for the protective layer can be provided easily, inexpensively and quickly using methods proven in the prior art.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1 %. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert. Terms such as essentially, approximately, approximately, approximately, etc. preferably describe a tolerance range of less than ± 20%, preferably less than ± 10%, even more preferably less than ± 5% and in particular less than ± 1%. Statements of essentially, approximately, approximately, etc. always reveal and include the exact stated value.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil ein Deckelsubstrat umfassend Betonmaterial autweist, wobei bevorzugt das Deckelsubstrat das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung abdeckt und mit dem Grundsubstrat stoffschlüssig verbunden ist. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the semiconductor component has a cover substrate comprising concrete material, wherein the cover substrate preferably covers the MEMS element and/or the electronic circuit and is cohesively connected to the base substrate.
Das Deckelsubstrat bezeichnet bevorzugt ein Substrat, mit dem das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung abgedeckt bzw. eingeschlossen werden kann. Das Deckelsubstrat kann bevorzugt ein gewöhnliches Substrat oder ein SOI-Wafer umfassend Betonmaterial sein. Vorteilhaft lässt sich ein Deckelsubstrat umfassend Betonmaterial stoffschlüssig mit dem Grundsubstrat verbinden, sodass eine stabile Verbindung zwischen Grundsubstrat und Deckelsubstrat ermöglicht wird. Hierdurch werden Komponenten auf oder in dem Grundsubstrat vorteilhaft besonders gut geschützt. Eine stoffschlüssige Verbindung umfasst Verbindungen, bei denen das Grundsubstrat und das Deckelsubstrat durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Stoffschlüssige Verbindungen sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. The cover substrate preferably refers to a substrate with which the MEMS element and/or the electronic circuit can be covered or enclosed. The lid substrate may preferably be an ordinary substrate or an SOI wafer comprising concrete material. A cover substrate comprising concrete material can advantageously be connected to the base substrate in a materially bonded manner, so that a stable connection between the base substrate and the cover substrate is made possible. As a result, components on or in the base substrate are advantageously particularly well protected. A cohesive connection includes connections in which the base substrate and the cover substrate are held together by atomic or molecular forces. Cohesive connections are at the same time non-detachable connections that can only be separated by destroying the connecting means.
Das Deckelsubstrat kann bevorzugt im Wesentlichen die gleiche Strukturierung wie das Grundsubstrat haben. Insbesondere kann es bevorzugt sein, dass das Deckelsubstrat im Wesentlichen flächig ausgestaltet ist, d. h. eine Länge und/oder Breite des Deckelsubstrates um ein Vielfaches höher ist als eine Höhe des Deckelsubstrates, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 1 ,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr. Ferner kann bevorzugt das Deckelsubstrat und/oder das Grundsubstrat bevorzugt eine Kavität aulweisen, wobei bevorzugt das Deckelsubstrat und das Grundsubstrat derart miteinander verbunden vorliegen, dass innerhalb des Halbleiterbauteiles ein Hohlraum gebildet wird, in dem vorzugsweise das MEMS-Element und/oder die elektronischen Schaltung platziert vorliegt. Eine Verbindung des Grundsubstrates mit dem Deckelsubstrat kann vorzugsweise an lateralen Bereichen des Grund- und Deckelsubstrates erfolgen, welche die eine oder beide Kavitäten umschließen. Hierdurch kann vorteilhaft mit einfachen Mitteln ein kostengünstiges, kompaktes und robustes Halbleiterbauteil bereitgestellt werden, innerhalb dessen sich ein MEMS-Element und/oder eine elektronischen Schaltung geschützt platziert werden kann. The cover substrate can preferably have essentially the same structure as the base substrate. In particular, it may be preferred that the cover substrate is essentially flat, i.e. H. a length and/or width of the cover substrate is many times higher than a height of the cover substrate, preferably at least by a factor of 1, 5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more. Furthermore, the cover substrate and/or the base substrate can preferably have a cavity, with the cover substrate and the base substrate preferably being connected to one another in such a way that a cavity is formed within the semiconductor component, in which the MEMS element and/or the electronic circuit are preferably placed is present. A connection of the base substrate to the cover substrate can preferably take place at lateral regions of the base and cover substrates, which enclose one or both cavities. In this way, a cost-effective, compact and robust semiconductor component can advantageously be provided using simple means, within which a MEMS element and/or an electronic circuit can be placed in a protected manner.
Durch die einfache Formbarkeit von Betonmaterial ist es auch vorteilhaft möglich, Strukturen wie Schrägen, Kerbungen, Vertiefungen, Rillen oder sonstige Strukturen am Deckelsubstrat einzubringen. Hierdurch kann vorteilhaft eine optimale Anpassung an einem Stauraum für das Halbleiterbauteil erlangt werden. Mithin liegt durch die Verwendung von Betonmaterial vor für das Halbleiterbauteil in seiner Gesamtheit eine erheblich verbesserte Gestaltungsfreiheit. Due to the easy formability of concrete material, it is also advantageously possible to introduce structures such as slopes, notches, depressions, grooves or other structures on the cover substrate. In this way, an optimal adaptation to a storage space for the semiconductor component can advantageously be achieved. The use of concrete material therefore provides significantly improved design freedom for the semiconductor component as a whole.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Element ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein akustischer MEMS- Transducer, optischer MEMS-Transducer, MEMS-Sensor, insbesondere MEMS-Gassensor und/oder MEMS-Filter. Vorteilhaft kann für eine Vielzahl von MEMS-Elementen eine zuverlässige Betriebstauglichkeit und eine optimale Einsatzfähigkeit gewährleistet werden, falls zumindest eine Komponente des Halbleiterbauteils ein Betonmaterial umfasst. So kann es beispielsweise bevorzugt sein, dass die MEMS-Strukturen zur Bereitstellung des MEMS-Elementes ein Betonmaterial umfassen. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Isolierschichten ein Betonmaterial umfassen, welches insbesondere eine sichere elektronische Isolation ermöglicht. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Schutzhülle ein Betonmaterial umfasst, sodass ein zuverlässiger Schutz für das MEMS-Element ermöglicht wird. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the MEMS element is selected from a group comprising an acoustic MEMS transducer, optical MEMS transducer, MEMS sensor, in particular MEMS gas sensor and/or MEMS filter. Reliable operability and optimal usability can advantageously be guaranteed for a large number of MEMS elements if at least one component of the semiconductor component comprises a concrete material. For example, it may be preferred that the MEMS structures comprise a concrete material to provide the MEMS element. It may also be preferred that one or more insulating layers comprise a concrete material, which in particular enables secure electronic insulation. In addition, it may be preferred that the protective cover comprises a concrete material, thereby enabling reliable protection for the MEMS element.
Ein MEMS-Transducer bezeichnet bevorzugt einen MEMS-Wandler, d. h. ein MEMS-Element, welches in der Lage ist, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Insbesondere unterscheidet sich bei einem MEMS-Transducer das Eingangssignal von dem Ausgangssignal hinsichtlich der Art des Signals. A MEMS transducer preferably refers to a MEMS converter, i.e. H. a MEMS element capable of converting energy from one form to another. In particular, in a MEMS transducer, the input signal differs from the output signal in terms of the type of signal.
Bevorzugt ist der MEMS-Wandler ausgewählt aus einer Gruppe umfassend einen akustischen MEMS-Wandler und/oder einen optischen MEMS-Wandler. Preferably, the MEMS converter is selected from a group comprising an acoustic MEMS converter and/or an optical MEMS converter.
Ein akustischer MEMS-Wandler ist zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids eingerichtet, wobei die MEMS-Strukturen zur Interaktion mit dem Volumenstrom bzw. zur Aufnahme oder Erzeugung von Druckwellen ausgestaltet sind. Bei dem Fluid kann es sich sowohl um ein gasförmiges als auch flüssiges Fluid handeln. An acoustic MEMS transducer is set up to interact with a volume flow of a fluid, with the MEMS structures being designed to interact with the volume flow or to record or generate pressure waves. The fluid can be either a gaseous or a liquid fluid.
Ein akustischer MEMS-Wandler bezeichnet einen MEMS-Wandler, der während einer Umwandlung einer Energieform und/oder einer Signalart ein akustisches Signal, bevorzugt Schalldruckwellen, einsetzt. Damit ist bei einem akustischen MEMS-Wandler entweder das Eingangssignal oder das Ausgangssignal ein akustisches Signal. So kann beispielsweise ein akustischer MEMS-Wandler ein MEMS-Lautsprecher oder ein MEMS-Mikrofon sein. Ein MEMS- Lautsprecher ist beispielsweise dazu konfiguriert, ausgehend von einem elektrischen Signal ein akustisches Signal zu erzeugen. Ein MEMS-Mikrofon ist beispielsweise dazu eingerichtet, ausgehend von einem akustischen Signal ein elektrisches Signal zu generieren. An acoustic MEMS converter refers to a MEMS converter that uses an acoustic signal, preferably sound pressure waves, during a conversion of a form of energy and/or a type of signal. In an acoustic MEMS converter, either the input signal or the output signal is an acoustic signal. For example, an acoustic MEMS transducer can be a MEMS speaker or a MEMS microphone. For example, a MEMS speaker is configured to generate an acoustic signal based on an electrical signal. A MEMS microphone, for example, is set up to generate an electrical signal based on an acoustic signal.
Ein optischer MEMS-Wandler bezeichnet einen MEMS-Wandler, bei dem das Eingangssignal oder das Ausgangssignal ein optisches Signal ist. Mit einem optischen Signal ist bevorzugt Licht gemeint, welches eine Wellenlänge im sichtbaren oder im nicht-sichtbaren Bereich haben kann. So kann beispielsweise ein optischer MEMS-Wandler Licht als ein Eingangssignal in ein elektrisches Signal umwandeln. Z. B. kann bei einem optischen MEMS-Wandler Licht auf eine Elektrodenoberfläche fallen und Elektronen von der Elektrodenoberfläche emittiert werden. Ebenso kann es beispielsweise sein, dass bei einem optischen MEMS-Wandler ein Widerstand eines Materials sich ändert, wenn es beleuchtet wird. Weiterhin kann ein derartiges Funktionsprinzip vorliegen, dass eine Ausgangsspannung, die proportional zur Strahlungsintensität ist, erzeugt wird. Ebenfalls kann beispielsweise bei einem optischen MEMS- Wandler ausgehend von einer elektrischen Größe Licht emittiert werden, wie z. B. bei einer OLED, LED, elektrolumineszente Lampe etc. An optical MEMS converter refers to a MEMS converter in which the input signal or the output signal is an optical signal. An optical signal preferably means light, which can have a wavelength in the visible or non-visible range. For example, an optical MEMS converter can convert light as an input signal into an electrical signal. For example, in an optical MEMS converter, light may fall on an electrode surface and electrons may be emitted from the electrode surface. It may also be the case, for example, that in an optical MEMS converter the resistance of a material changes when it is illuminated. Furthermore, such a functional principle can exist that an output voltage that is proportional to the radiation intensity is generated. Likewise, for example, in an optical MEMS converter, light can be emitted based on an electrical quantity, such as. B. with an OLED, LED, electroluminescent lamp etc.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das MEMS-Element ein MEMS-Sensor, insbesondere MEMS-Gassensor und/oder MEMS-Filter. Ein MEMS-Sensor kann beispielsweise einen kapazitiv oder optisch auslesbaren, piezoelektrischen, piezoresistiven und/oder magnetischen Balken und/oder ein kapazitives, piezoelektrischer, piezoresistives und/oder optisches Mikrofon bzw. Membran umfassen, um eine physikalische, chemische und/oder biologische Größe zu erfassen. In further preferred embodiments, the MEMS element is a MEMS sensor, in particular a MEMS gas sensor and/or a MEMS filter. A MEMS sensor can, for example, comprise a capacitively or optically readable, piezoelectric, piezoresistive and/or magnetic beam and/or a capacitive, piezoelectric, piezoresistive and/or optical microphone or membrane in order to measure a physical, chemical and/or biological quantity capture.
Bevorzugt ist der MEMS-Sensor ein MEMS-Gassensor. Ein MEMS-Gassensor ist bevorzugt in der Lage, ein Gas als solches und/oder eine Konzentration eines Gases zu detektieren. Ein MEMS-Gassensor kann beispielsweise auf das Prinzip der photoakustischen Spektroskopie beruhen. Bei der photoakustischen Spektroskopie wird bevorzugt eine intensitätsmodulierte Infrarotstrahlung mit Frequenzen im Absorptionsspektrum eines in einem Gas zu detektierendem Molekül eingesetzt. Ist dieses Molekül im Strahlengang vorhanden, findet eine modulierte Absorption statt, die zu Erwärmungs- und Abkühlungsprozessen führt, deren Zeitskalen die Modulationsfrequenz der Strahlung widerspiegeln. Die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse führen zu Expansionen und Kontraktionen des Gases, wodurch Schallwellen mit der Modulationsfrequenz verursacht werden. Diese lassen sich durch beispielsweise Schalldetektoren und/oder Flussdetektoren messen. Die Leistung der Schallwellen ist dabei vorzugsweise direkt proportional zur Konzentration des absorbierenden Gases. The MEMS sensor is preferably a MEMS gas sensor. A MEMS gas sensor is preferably able to detect a gas as such and/or a concentration of a gas. A MEMS gas sensor can, for example, be based on the principle of photoacoustic spectroscopy. In photoacoustic spectroscopy, intensity-modulated infrared radiation with frequencies in the absorption spectrum of a molecule to be detected in a gas is preferably used. If this molecule is present in the beam path, modulated absorption occurs, leading to heating and cooling processes whose time scales reflect the modulation frequency of the radiation. The heating and cooling processes lead to expansions and contractions of the gas, causing sound waves at the modulation frequency. These can be measured using, for example, sound detectors and/or flow detectors. The power of the sound waves is preferably directly proportional to the concentration of the absorbing gas.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Sensor ein MEMS-Filter, bevorzugt ein MEMS-Frequenzfilter, insbesondere ein SAW- oder BAW-Filter. Ein SAW-Filter ist bevorzugt ein akustischer-Oberflächenwellen-Filter (ebenso AOW-Filter), welcher insbesondere einen Bandpassfilter für elektrische Signale darstellt. BAW-Filter (englisch: bulk acoustic wave) sind vorzugsweise ähnliche elektronische Filter mit Bandpass-Charakteristik. Jedoch weisen diese bevorzugt im Gegensatz zum SAW-Filter ein Grundsubstrat auf, indem die Ausbreitung der akustischen Wellen erfolgt. In a further preferred embodiment, the MEMS sensor is a MEMS filter, preferably a MEMS frequency filter, in particular a SAW or BAW filter. A SAW filter is preferably a surface acoustic wave filter (also AOW filter), which in particular represents a bandpass filter for electrical signals. BAW filters (English: bulk acoustic wave) are preferably similar electronic filters with bandpass characteristics. However, in contrast to the SAW filter, these preferably have a base substrate in which the acoustic waves are propagated.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauteil ein MEMS-Element. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauteil eine elektronische Schaltung. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauteil ein MEMS-Element und eine elektronische Schaltung. In preferred embodiments, the semiconductor component comprises a MEMS element. In further preferred embodiments, the semiconductor component comprises an electronic circuit. In further preferred embodiments, the semiconductor component comprises a MEMS element and an electronic circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dadurch gekennzeichnet, dass die die elektronische Schaltung ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine Recheneinheit, einen Prozessor, einen Mikroprozessor, eine integrierte Schaltung (IC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) und/oder eine speicherprogrammierbare Schaltung. In a preferred embodiment, the semiconductor component is characterized in that the electronic circuit is selected from a group comprising a computing unit, a processor, a microprocessor, an integrated circuit (IC), an application-specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic circuit ( PLD), a Field Programmable Gate Array (FPGA) and/or a programmable logic circuit.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellung eines Grundsubstrats, b) Anbringung eines MEMS-Bauteils und/oder einer elektronischen Schaltung auf oder in das Grundsubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial umfasst, eine Isolierschicht umfassend ein Betonmaterial zur Isolierung einer elektrischen Verbindung aufgetragen wird und/oder eine Schutzhülle umfassend Betonmaterial aufgebracht wird, welche das MEMS-Bauteil und/oder die elektronische Schaltung mindestens teilweise umschließt. In a further aspect, the invention relates to a method for producing a semiconductor component comprising the following steps: a) provision of a base substrate, b) attachment of a MEMS component and/or an electronic circuit on or in the base substrate, characterized in that the base substrate is a concrete material comprises, an insulating layer comprising a concrete material for insulating an electrical connection is applied and/or a protective cover comprising concrete material is applied, which at least partially encloses the MEMS component and/or the electronic circuit.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen, Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen für das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil, auch für ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils gelten und umgekehrt. The average person skilled in the art will recognize that technical features, definitions, advantages and preferred embodiments for the semiconductor component according to the invention also apply to a method for producing the semiconductor component and vice versa.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils erzielt vorteilhaft eine erhebliche Prozessverbesserung, da insbesondere die Selbstaushärtung des Betonmaterials genutzt werden kann. Die Selbstaushärtung kann beispielsweise bereits bei Raumtemperaturen erfolgen. Somit ist es nicht notwendig, weitere Prozessschritte zu integrieren, um eine Aushärtung des Betonmaterials und damit eine finale Formgebung auszuführen. Dies spart vorteilhaft sowohl den Aufwand des Verfahrens als auch die Kosten, da beispielsweise Betonmaterial kostengünstiger ist als der Einsatz eines Heizofens, um eine Trocknung und/oder Aushärtung durchzuführen. So kann es beispielsweise sein, dass das Betonmaterial im pastösen Zustand unter Berücksichtigung einer gewünschten Form eingeführt wird, um daraufhin selbstständig zu trocknen. The preferred method for producing the semiconductor component advantageously achieves a significant process improvement, since in particular the self-hardening of the concrete material can be used. Self-curing can, for example, take place at room temperature. It is therefore not necessary to integrate further process steps in order to harden the concrete material and thus carry out the final shaping. This advantageously saves both the complexity of the process and the costs, since, for example, concrete material is more cost-effective than using a heating oven to carry out drying and/or curing. For example, it may be that the concrete material is introduced in a pasty state, taking into account a desired shape, in order to then dry independently.
Betonmaterial verfestigt sich nicht nur durch das Trocknen selbst, sondern durch den chemischen Prozess des Abbindevorgangs. Der Zement und das Wasser im Betonmaterial können bevorzugt einen Zementleim bilden, der kristallisiert und sich fest mit anderen Bestandteilen des Betons verbindet. Im Betonmaterial ist das Verdunsten des Wasser vorzugsweise nicht für die Aushärtung relevant und erfolgt nur teilweise. Stattdessen bleibt durch den Abbindevorgang Wasser im Betonmaterial und ist wichtig für die Festigkeit. Beim Abbindevorgang erfolgt die Aushärtung auf Basis des Bindemittels, welches im Falle von Betonmaterial Zement ist. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Abmaße von Halbleiterbauteilen in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik im Vergleich zum üblichen Einsatz von Betonmaterial um ein Vielfaches geringer sind, kann die Selbstaushärtung des Betonmaterials effizient genutzt werden, um vorteilhaft schnell fertige Halbleiterbauteile zu erhalten, insbesondere auch im Rahmen einer Massenproduktion. Von besonderem Vorteil ist, dass Betonmaterial im Rahmen einer Prozessierung bei Temperaturen verwandt werden kann, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegen, welche sich nachteilig auf Komponenten des Halbleiterbauteils auswirken könnten. Insbesondere wird eine hinreichend zuverlässige Formgebung von Komponenten des Halbleiterbauteils, z. B. MEMS-Strukturen zur Bereitstellung des MEMS-Elementes, gewährleistet. Des Weiteren kann vorteilhaft die Selbstaushärtung des Betonmaterials bei Temperaturen erfolgen, die unterhalb von Temperaturbereichen liegen, die für Komponenten und/oder Materialien des Halbleiterbauteils kritisch sein könnten. So ist vorteilhafterweise eine Selbstaushärtung möglich bei Temperaturen zwischen 20°C - 100°C, bevorzugt zwischen 20°C - 80°C, besonders bevorzugt zwischen 30°C - 60°C. Insbesondere kann vorteilhafterweise eine Selbstaushärtung bei einer Raumtemperatur stattfinden kann. Von besonderem Vorteil ist, dass eine externe Energiezufuhr zur Aushärtung und/oder Verfestigung nicht notwendig ist. Concrete material solidifies not only through drying itself, but through the chemical process of setting. The cement and water in the concrete material can preferably form a cement paste that crystallizes and bonds firmly with other components of the concrete. In the concrete material, the evaporation of water is preferably not relevant for curing and only occurs partially. Instead, water remains in the concrete material as a result of the setting process and is important for strength. During the setting process, curing takes place based on the binder, which in the case of concrete material is cement. In particular, given the fact that the dimensions of semiconductor components in semiconductor and/or microsystem technology are many times smaller than the usual use of concrete material, the self-curing of the concrete material can be used efficiently in order to advantageously obtain quickly finished semiconductor components, in particular in the context of mass production. It is particularly advantageous that concrete material can be used as part of processing at temperatures that are below a critical temperature, which could have a detrimental effect on components of the semiconductor component. In particular, a sufficiently reliable shaping of components of the semiconductor component, e.g. B. MEMS structures for providing the MEMS element. Furthermore, the self-curing of the concrete material can advantageously take place at temperatures that are below temperature ranges that could be critical for components and/or materials of the semiconductor component. Self-curing is advantageously possible at temperatures between 20°C - 100°C, preferably between 20°C - 80°C, particularly preferably between 30°C - 60°C. In particular, self-curing can advantageously take place at room temperature. It is particularly advantageous that an external energy supply is not necessary for hardening and/or solidification.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass das Betonmaterial mit einer Vielzahl von funktionellen Materialien kombinierbar ist, insbesondere um eine chemische Reaktion hervorzurufen, die zu Komponenten des Halbleiterbauteils führen kann, wie z. B. eine Metallisierung für die Erzeugung von elektrischen Verbindungen. Die Eigenschaft, dass das Betonmaterial basisch ist, gilt es hierbei zu berücksichtigen, die jedoch ebenfalls vorteilhaft genutzt werden kann, da Hydroxidionen als aktive Ionen vorliegen und eine schnelle Anbindung und/oder Reaktion ermöglichen. In addition, it is advantageous that the concrete material can be combined with a variety of functional materials, in particular to cause a chemical reaction that can lead to components of the semiconductor component, such as. B. metallization for creating electrical connections. The property that the concrete material is basic applies to be taken into account here, which can, however, also be used advantageously, since hydroxide ions are present as active ions and enable rapid binding and/or reaction.
Vorteilhaft lässt sich Betonmaterial auch besonders einfach bearbeiten, beispielsweise um eine gewünschte Formgebung und/oder Struktur zu erhalten. So lassen sich besonders einfach MEMS-Strukturen in das Grundsubstrat bilden, um das MEMS-Element bereitzustellen. Insbesondere lassen sich Formen und/oder Strukturen durch ein Verfahren einstellen, mit denen das Betonmaterial für eine Komponente des Halbleiterbauteils hergestellt werden kann. Advantageously, concrete material can also be processed particularly easily, for example in order to obtain a desired shape and/or structure. This makes it particularly easy to form MEMS structures in the base substrate in order to provide the MEMS element. In particular, shapes and/or structures can be set using a method with which the concrete material for a component of the semiconductor component can be produced.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial durch ein Verfahren ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Foliengießen, Spritzguss, additive Fertigung, Prägen und/oder Fügen aufgebracht und/oder bearbeitet wird, wobei bevorzugt durch eine Auswahl von Parametern des Verfahrens eine Porenstruktur und/oder eine Rauheit eingestellt werden kann. In a preferred embodiment, the method is characterized in that the concrete material is applied and/or processed by a method selected from a group comprising film casting, injection molding, additive manufacturing, embossing and/or joining, preferably by a selection of parameters of the method Pore structure and/or roughness can be adjusted.
Vorteilhaft lässt sich Betonmaterial in eine Reihe von Fertigungsverfahren einsetzen, die im Kontext der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, um Halbleiterbauteile herzustellen. Die genannten Verfahren haben sich im Stand der Technik bewährt und gewährleisten einen optimalen Betrieb sowie eine im Wesentlichen fehlerfreie Fertigung von Halbleiterbauteilen. Mit den genannten Verfahren lässt sich vorteilhaft auch zuverlässig die Formgebung und/oder Struktur des Betonmaterials für eine oder mehrere Komponenten des Halbleiterbauteils einstellen. Concrete material can advantageously be used in a number of manufacturing processes that are used in the context of semiconductor and/or microsystems technology to produce semiconductor components. The methods mentioned have proven themselves in the state of the art and ensure optimal operation and essentially error-free production of semiconductor components. The methods mentioned can also advantageously be used to reliably adjust the shape and/or structure of the concrete material for one or more components of the semiconductor component.
Das Foliengießen bezeichnet ein Urformverfahren, mit dem dünne und/oder großflächige Folien umfassend Betonmaterial hergestellt werden können. Dabei fließt bevorzugt das Betonmaterial aus einem Vorratsbehälter mit regulierbarem Schlitz am Boden drucklos und blasenfrei unter eine Trommel (Trommelgießen) oder ein endloses Kupferband (Bandgießen). Das Betonmaterial kann bevorzugt auch mit einer einstellbaren Klinge gleichmäßig aufgestrichen werden. Film casting refers to a primary molding process that can be used to produce thin and/or large-area films comprising concrete material. The concrete material preferably flows from a storage container with an adjustable slot on the bottom, pressure-free and bubble-free, under a drum (drum casting) or an endless copper strip (strip casting). The concrete material can preferably also be spread evenly with an adjustable blade.
Prozess para meter können beim Foliengießen besonders einfach und zuverlässig überwacht werden. Vorteilhaft zeichnen sich Folien umfassend Beton material, welche durch Foliengießen bereitgestellt wurden, durch eine sehr homogene, luftblasen- und schwindungsfrei Oberfläche aus. Process parameters can be monitored particularly easily and reliably during film casting. Films comprising concrete material, which were provided by film casting, are advantageously characterized by a very homogeneous surface free of air bubbles and shrinkage.
Das Spritzgießen bezeichnet ebenfalls ein Urform verfahren. Dabei wird mit einer Spritzgießmaschine das Betonmaterial in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt. Im Spritzgießwerkzeug geht das Betonmaterial durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeuges als Fertigteil entnommen. Injection molding is also a primary molding process. The concrete material is injected under pressure into a mold, the injection molding tool, using an injection molding machine. In the injection molding tool, the concrete material returns to its solid state through cooling or a crosslinking reaction and is removed as a finished part after the injection molding tool is opened.
Die additive Fertigung umfasst Fertigungsverfahren, bei denen das Material umfassend Betonmaterial Schicht für Schicht aufgetragen wird, um dreidimensionale Gegenstände bereitzustellen. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert nach einem oder mehreren vorgegebenen Maßen und/oder Formen. Beim Aufbau finden physikalische und/oder chemische Härtungs- und/oder Schmelzprozesse statt. Beim Prägen wird mithilfe von Gesenken die Oberfläche des Betonmaterials bearbeitet, um gewünschte Strukturen zu erhalten, wie beispielsweise, Poren, Reliefe, Senkungen, Kavitäten, usw. Das Prägen kann bevorzugt auch eingesetzt werden, um Maß- und/oder Formabweichungen einer Komponente des Halbleiterbauteils zu korrigieren. Additive manufacturing includes manufacturing processes in which the material comprising concrete material is applied layer by layer to provide three-dimensional objects. The layer-by-layer structure is computer-controlled according to one or more predetermined dimensions and/or shapes. Physical and/or chemical hardening and/or melting processes take place during construction. During embossing, the surface of the concrete material is processed using dies in order to obtain desired structures, such as pores, reliefs, depressions, cavities, etc. Embossing can preferably also be used to correct dimensional and/or shape deviations of a component of the semiconductor component to correct.
Das Fügen bezeichnet allgemeine Verfahren, mit denen mindestens zwei Komponenten des Halbleiterbauteils dauerhaft verbunden (gefügt) werden können. Im Kontext der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik zählen hierzu insbesondere das Schweißen, Löten, Kleben und/oder Aufbau-und Verbindungstechniken, wie z. B. Bonden. Joining refers to general processes with which at least two components of the semiconductor component can be permanently connected (joined). In the context of semiconductor and/or microsystem technology, this includes in particular welding, soldering, gluing and/or assembly and connection techniques, such as: B. Bonding.
Während im Stand der Technik Betonmaterialien zumeist nur für makroskopische Bauelemente verwandt werden, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass insbesondere mit den vorgenannten Urformverfahren auch äußert filigrane Strukturen bereitgestellt werden können, welche die Herstellung eines Halbleiterbauelemente umfassend Strukturen und/oder Komponenten im Mikrometerbereich erlauben. While in the prior art concrete materials are mostly only used for macroscopic components, it was recognized according to the invention that, in particular with the aforementioned primary molding processes, extremely delicate structures can also be provided, which allow the production of a semiconductor component comprising structures and/or components in the micrometer range.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial in pastöser Form aufgebracht wird, wobei bevorzugt eine Selbstaushärtung des Betonmaterials durch eine exotherme Reaktion genutzt wird. In a preferred embodiment, the method is characterized in that the concrete material is applied in a paste-like form, preferably using self-hardening of the concrete material through an exothermic reaction.
Eine pastöse Form des Betonmaterials meint, dass das Betonmaterial als Paste vorliegt, d.h. als ein Festkörper-Flüssigkeitsgemisch. Das Betonmaterial als Paste kann durch den Festkörperanteil und/oder die Viskosität charakterisiert werden. Das Betonmaterial in Form einer Paste umfasst vorzugsweise einen Festkörperanteil zwischen 30 % - 80 %, bevorzugt zwischen 50 % - 70 %. Besonders bevorzugt liegt der Festkörperanteil bei mehr als 50 %. Vorzugsweise weist das Betonmaterial in seinem pastösen Zustand eine Viskosität zwischen 1 - 3000 mPa s (Millipascal mal Sekunde) auf, bevorzugt zwischen 1 - 1000 mPa s, besonders bevorzugt zwischen 1 - 500 mPa s, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 - 200 mPa s. Insbesondere zeichnet sich die Paste dadurch aus, dass sie bevorzugt nicht fließfähig, jedoch streichfest ist.A pasty form of the concrete material means that the concrete material is present as a paste, i.e. as a solid-liquid mixture. The concrete material as a paste can be characterized by the solids content and/or the viscosity. The concrete material in the form of a paste preferably comprises a solids content between 30% - 80%, preferably between 50% - 70%. The solids content is particularly preferably more than 50%. Preferably, the concrete material in its pasty state has a viscosity between 1 - 3000 mPa s (millipascal times second), preferably between 1 - 1000 mPa s, particularly preferably between 1 - 500 mPa s, very particularly preferably between 1 - 200 mPa s. In particular, the paste is characterized by the fact that it is preferably non-flowable, but is spreadable.
Bevorzugt wird die Selbstaushärtung des Betonmaterials genutzt, um das Halbleiterbauteil und/oder Komponenten des Halbleiterbauteils bereitzustellen. Insbesondere erfolgt dabei eine Hydratation, d. h. die Anlagerung von Wassermolekülen. Insbesondere ist die Hydratation von Calciumoxid, Magnesiumoxid und/oder Zement zu Calciumhydroxid, Magnesiumhydroxid und/oder Calciumsilicathydraten relevant für den Einsatz von Betonmaterial. Ohne auf die Theorie beschränkt zu sein, ist der Abbindevorgang, auf den die Selbstaushärtung des Betonmaterials basiert, eine exotherme Reaktion. The self-curing of the concrete material is preferably used to provide the semiconductor component and/or components of the semiconductor component. In particular, hydration occurs, i.e. H. the attachment of water molecules. In particular, the hydration of calcium oxide, magnesium oxide and/or cement to calcium hydroxide, magnesium hydroxide and/or calcium silicate hydrates is relevant for the use of concrete material. Without being limited to theory, the setting process on which the self-hardening of the concrete material is based is an exothermic reaction.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Material umfassend Beton aufweist sowie das Grundsubstrat ein Additiv aufweist, wobei bevorzugt das Additiv mit einem Ablationsverfahren aktiviert wird, sodass sich aktive Bereiche bilden und die aktiven Bereichen durch eine Metallisierung zur Bereitstellung für eine elektrische Verbindung des MEMS-Bauteils genutzt werden, wobei bevorzugt die elektrische Verbindung, bevorzugt eine Leiterbahn, durch ein galvanisches Verfahren eingebracht wird.In a preferred embodiment, the method is characterized in that the base substrate has a material comprising concrete and the base substrate has an additive, the additive preferably being activated using an ablation process so that active areas are formed and the active areas are made available by metallization an electrical connection of the MEMS component can be used, wherein the electrical connection, preferably a conductor track, is preferably introduced by a galvanic process.
Das Additiv kann bevorzugt ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Alumosilikate, bevorzugt Tektoalumosilikate. Durch eine Aktivierung weist das Additiv einen Zustand auf, bei der eine Reaktion oder ein Reaktionstyp mit höherer Geschwindigkeit oder Ausbeute ablaufen kann. Der Einsatz eines Ablationsverfahrens hat sich vorteilhaft als besonders zuverlässige Methode erwiesen, um eine Aktivierung des Additivs herbeizuführen. Durch eine Aktivierung des Additivs kann vorteilhaft eine zuverlässige Verbindung mit dem Material zur Metallisierung ermöglicht werden, um beispielsweise elektrische Verbindungen, bevorzugt Leiterbahnen, bereitzustellen. Bevorzugt erfolgt die Metallisierung durch ein galvanisches Verfahren. The additive can preferably be selected from a group comprising aluminosilicates, preferably tectoalumosilicates. When activated, the additive has a state in which: a reaction or type of reaction can occur at a higher rate or yield. The use of an ablation procedure has proven to be a particularly reliable method for activating the additive. By activating the additive, a reliable connection to the material for metallization can advantageously be made possible, for example in order to provide electrical connections, preferably conductor tracks. The metallization is preferably carried out using a galvanic process.
Durch das galvanische Verfahren kann über einen elektrischen Strom durch ein Bad, das einen Elektrolyt enthält, ausgehend von einem Pluspol (Anode) ein Metall, aufgelöst und zum Minuspol (Kathode) transferiert werden. Die im Bad gelösten Metallionen lagern sich durch Reduktion auf die aktivierten Bereiche ab, wobei dazu bevorzugt eine elektrische Kontaktierung mit dem Minuspol bereitgestellt wird. Alternativ können die Metallionen auch bereits im Elektrolyt als Lösung enthalten sein. Durch ein galvanisches Verfahren lagern sich die Metallionen vorteilhaft besonders gleichmäßig ab, sodass hinsichtlich der Struktur homogene elektrische Verbindungen erzeugt werden können. The galvanic process can be used to dissolve a metal using an electric current through a bath containing an electrolyte, starting from a positive pole (anode) and transferring it to the negative pole (cathode). The metal ions dissolved in the bath are deposited on the activated areas by reduction, for which purpose electrical contact with the negative pole is preferably provided. Alternatively, the metal ions can already be contained in the electrolyte as a solution. Using a galvanic process, the metal ions are advantageously deposited particularly evenly, so that electrical connections that are homogeneous in terms of structure can be created.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die eine Verwendung eines Betonmaterials zur Herstellung eines Halbleiterbauteils. In a further aspect, the invention relates to the use of a concrete material for producing a semiconductor component.
Die Erfinder haben erkannt, dass Betonmaterial im Kontext der Halbleiter und/oder Mikrosystemtechnik eingesetzt werden kann, was sich vorteilhaft auf die Struktur und das Herstellungsverfahren von Halbleiterbauteilen auswirkt. Hierbei können eine oder mehrere Komponenten des Halbleiterbauteils Betonmaterial aufweisen, wie z. B. das Grundsubstrat, eine Isolierschicht und/oder eine Schutzhülle. Betonmaterial eignet sich zudem überaus gut, um in im Stand der Technik bewährte Prozesse zur Herstellung von Komponenten des Halbleiterbauteils integriert zu werden. Mithin wird durch die Verwendung von Betonmaterial bei der Herstellung eines Halbleiterbauteils eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik erzielt. Eine derartige Verwendung von Betonmaterialien war im Stand der Technik bisher nicht bekannt. The inventors have recognized that concrete material can be used in the context of semiconductor and/or microsystem technology, which has an advantageous effect on the structure and manufacturing process of semiconductor components. One or more components of the semiconductor component can have concrete material, such as. B. the base substrate, an insulating layer and / or a protective cover. Concrete material is also extremely suitable for being integrated into state-of-the-art processes for producing components of the semiconductor component. The use of concrete material in the production of a semiconductor component therefore achieves a significant improvement over the prior art. Such use of concrete materials was previously unknown in the prior art.
LITERATURVERZEICHNIS BIBLIOGRAPHY
Fedder, Gary K. "MEMS fabrication." International Test Conference, 2003. Proceedings. ITC 2003. IEEE Computer Society, 2003. Fedder, Gary K. "MEMS fabrication." International Test Conference, 2003. Proceedings. ITC 2003. IEEE Computer Society, 2003.
Rahman, Md Atikur. "A review on semiconductors including applications and temperature effects in semiconductors." American Academic Scientific Research Journal for Engineering, Technology, and Sciences 7.1 (2014): 50-70. Rahman, Md Atikur. "A review on semiconductors including applications and temperature effects in semiconductors." American Academic Scientific Research Journal for Engineering, Technology, and Sciences 7.1 (2014): 50-70.
Shamiryan, Denis, et al. "Low-k dielectric materials." Materials today 7.1 (2004): 34-39. Shamiryan, Denis, et al. "Low-k dielectric materials." Materials today 7.1 (2004): 34-39.
Park, Heakyoung. "Sealing dispensing requirements to meet MEMS packaging and throughput impact." Additional Papers and Presentations 2013. DPC (2013): 000535-000570. Park, Heakyoung. "Sealing dispensing requirements to meet MEMS packaging and throughput impact." Additional Papers and Presentations 2013. DPC (2013): 000535-000570.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1 . Halbleiterbauteil umfassend ein MEMS-Element und/oder eine elektronische Schaltung, wobei das MEMS-Element und/oder die elektronische Schaltung auf oder in einem Grundsubstrat eingebracht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial umfasst, das Halbleiterbauteil eine Isolierschicht umfassend Betonmaterial zur Isolierung einer elektrischen Verbindung aufweist und/oder das MEMS-Bauteil und/oder die elektronische Schaltung von einer Schutzhülle umfassend Betonmaterial mindestens teilweise umschlossen ist. 1 . Semiconductor component comprising a MEMS element and/or an electronic circuit, wherein the MEMS element and/or the electronic circuit is introduced on or in a base substrate, characterized in that the base substrate comprises a concrete material, the semiconductor component comprises an insulating layer comprising concrete material for insulation an electrical connection and / or the MEMS component and / or the electronic circuit is at least partially enclosed by a protective cover comprising concrete material.
2. Halbleiterbauteil nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial ein Zement aufweist, wobei bevorzugt der Zement ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend, Hüttensand, Silicastaub, Puzzolane, Flugasche, gebrannter Schiefer, Kalkstein, Calciumsulfat, Torerdezementklinker und/oder Zementklinker, wobei bevorzugt der Zementklinker Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat, Tetracalciumaluminatferrit, Tricalciumaluminat und/oder freies Calciumoxid aufweist. 2. Semiconductor component according to the preceding claim, characterized in that the concrete material has a cement, the cement preferably being selected from a group comprising blastfurnace sand, silica fume, pozzolans, fly ash, burnt slate, limestone, calcium sulfate, tar clay cement clinker and / or cement clinker, where preferably the cement clinker has tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate, tetracalcium aluminate ferrite, tricalcium aluminate and / or free calcium oxide.
3. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial ein Faserbeton umfassend Fasern ist, wobei bevorzugt die Fasern ein Material umfassen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Kunststoff, Stahl und/oder Glas. 3. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the concrete material is a fiber concrete comprising fibers, the fibers preferably comprising a material selected from a group including plastic, steel and / or glass.
4. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial eine Porenstruktur aufweist, wobei bevorzugt die Porenstruktur Poren aufweist mit einem Durchmesser ausgewählt zwischen 1 nm - 200 nm, bevorzugt zwischen 2 - 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 5 nm - 40 nm. 4. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the concrete material has a pore structure, the pore structure preferably having pores with a diameter selected between 1 nm - 200 nm, preferably between 2 - 50 nm, particularly preferably between 5 nm - 40 nm.
5. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial eine Rauheit aufweist, wobei bevorzugt die Rauheit einen Mittenrauwert aufweist in einem Bereich zwischen 0,01 pm und 100 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 50 pm, besonders bevorzugt zwischen 5 pm und 20 pm. 5. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the concrete material has a roughness, the roughness preferably having an average roughness in a range between 0.01 pm and 100 pm, preferably between 1 pm and 50 pm, particularly preferably between 5pm and 8pm.
6. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial sowie ein Additiv aufweist, wobei bevorzugt das Additiv mit einem Ablationsverfahren aktivierbar ist zur Ausbildung von aktiven Bereichen und die aktiven Bereichen durch eine Metallisierung zur Bereitstellung für die elektrische Verbindung des MEMS-Elements und/oder der elektronischen Schaltung nutzbar sind. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht ein Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Isolierschicht zumindest teilweise auf der elektrischen Verbindung vorliegt und/oder eine elektrische Verbindung ummantelt. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Isolierschicht eine Porenstruktur aufweist. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil eine Schutzschicht umfassend Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt die Schutzschicht oberflächen konform auf dem MEMS-Element und/oder der elektronischen Schaltung vorliegt. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil ein Deckelsubstrat umfassend Betonmaterial aufweist, wobei bevorzugt das Deckelsubstrat das MEMS-Bauteil abdeckt und mit dem Grundsubstrat stoffschlüssig verbunden ist. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Element ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend akustischer MEMS- Transducer, optischer MEMS-Transducer, MEMS-Sensor, insbesondere MEMS- Gassensor und/oder MEMS-Filter und/oder die elektronische Schaltung ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine Recheneinheit, einen Prozessor, einen Mikroprozessor, eine integrierte Schaltung (IC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) und/oder eine speicherprogrammierbare Schaltung. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 11 umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellung eines Grundsubstrats, b) Anbringung eines MEMS-Bauteils und/oder einer elektronischen Schaltung auf oder in das Grundsubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Betonmaterial umfasst, eine Isolierschicht umfassend ein Betonmaterial zur Isolierung einer elektrischen Verbindung aufgetragen wird und/oder eine Schutzhülle umfassend Betonmaterial aufgebracht wird, welche das MEMS-Bauteil und/oder die elektronische Schaltung mindestens teilweise umschließt. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial durch ein Verfahren ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Foliengießen, Spritzguss, additive Fertigung, Prägen und/oder Fügen aufgebracht und/oder bearbeitet wird, wobei bevorzugt durch eine Auswahl von Parametern des Verfahrens eine Porenstruktur und/oder eine Rauheit eingestellt werden kann. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 - 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Betonmaterial in pastöser Form aufgebracht wird, wobei bevorzugt eine Selbstaushärtung des Betonmaterials durch eine exotherme Reaktion genutzt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 - 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat ein Material umfassend Beton aufweist sowie das Grundsubstrat ein Additiv aufweist, wobei bevorzugt das Additiv mit einem Ablationsverfahren aktiviert wird, sodass sich aktive Bereiche bilden und die aktiven Bereichen durch eine Metallisierung zur Bereitstellung für eine elektrische Verbindung des MEMS-Bauteils genutzt werden, wobei bevorzugt die elektrische Verbindung, bevorzugt eine Leiterbahn, durch ein galvanisches Verfahren eingebracht wird. 6. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the base substrate has a concrete material and an additive, wherein preferably the additive can be activated using an ablation process to form active areas and the active areas can be used by metallization to provide the electrical connection of the MEMS element and/or the electronic circuit. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the insulating layer has a concrete material, wherein preferably the insulating layer is at least partially present on the electrical connection and / or encases an electrical connection. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the insulating layer has concrete material, the insulating layer preferably having a pore structure. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component has a protective layer comprising concrete material, the protective layer preferably being present in a surface-conform manner on the MEMS element and/or the electronic circuit. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component has a cover substrate comprising concrete material, wherein preferably the cover substrate covers the MEMS component and is cohesively connected to the base substrate. Semiconductor component according to one or more of the preceding claims, characterized in that the MEMS element is selected from a group comprising acoustic MEMS transducers, optical MEMS transducers, MEMS sensors, in particular MEMS gas sensors and/or MEMS filters and/or the electronic circuit is selected from a group comprising a computing unit, a processor, a microprocessor, an integrated circuit (IC), an application-specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic circuit (PLD), a field programmable gate array (FPGA) and / or a programmable logic circuit. Method for producing a semiconductor component according to one or more of claims 1 - 11 comprising the following steps: a) providing a base substrate, b) attaching a MEMS component and / or an electronic circuit on or in the base substrate, characterized in that the base substrate comprises a concrete material, an insulating layer comprising a concrete material is applied to insulate an electrical connection and/or a protective cover comprising concrete material is applied, which at least partially encloses the MEMS component and/or the electronic circuit. Method according to the previous claim, characterized in that the concrete material is applied and / or processed by a method selected from a group comprising film casting, injection molding, additive manufacturing, embossing and / or joining, preferably by a selection of parameters of the method a pore structure and /or a roughness can be adjusted. Method according to one or more of claims 12 - 13, characterized in that the concrete material is applied in a pasty form, self-hardening of the concrete material being preferably used by an exothermic reaction. Method according to one or more of claims 12 - 14, characterized in that the base substrate has a material comprising concrete and the base substrate has an additive, the additive preferably being activated with an ablation process so that active areas are formed and the active areas through metallization can be used to provide an electrical connection of the MEMS component, wherein the electrical connection, preferably a conductor track, is preferably introduced by a galvanic process.
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