Titel

Verkapselung, MEMS sowie Verfahren zum selektiven Verkapseln

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Verkapselung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Micro-Electro-Mechanical- System (MEMS) gemäß Anspruch 18 sowie ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 19.

Empfindliche, meist mechanische Bauelementstrukturen von MEMS müssen zum Schutz vor Beschädigung verkapselt werden. Ineratialsensoren, wie Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, werden derzeit mit KOH-geätzten Siliziumkappen gedeckelt, wobei die Kappen mit Hilfe einer Seal-Glas- Verbindung auf dem die empfindliche Bauelementstruktur aufweisenden Halbleitersubstrat verbunden werden. Ein weiteres etabliertes Verfahren zum Verkapseln von empfindlichen Bauelementstrukturen auf Halbleitersubstraten ist das anodische Bonden von dreidimensional-strukturierten Glas-Wafern. Daneben werden strukturierte Silizium-Wafer als Verkapselung mit unterschiedlichen Bondverfahren an Halbleitersubstraten fixiert. Allen vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, dass eine kostenintensive, dreidimensionalstrukturierte Kappe aus Silizium oder Glas zum Einsatz kommt .

Die DE 100 06 446 Al beschreibt ein Verfahren zum Verkapseln empfindlicher Bauelementstrukturen im Wafer-Stadium. Die bekannte Verkapselung umfasst eine die Bauelementstruktur umschließende Rahmenstruktur aus einem gehärteten Reaktionsharz sowie eine ebene, die Rahmenstruktur abdeckende und mit dieser einen Hohlraum ausbildende Kappe, bestehend aus einer flachen (zweidimensionalen) Kunststofffolie und einer darüber angeordneten gehärteten Reaktionsharzschicht. Nachteilig bei der bekannten Verkapselung ist deren aufwändiges Herstellungsverfahren unter Einsatz einer zunächst aufzubringenden und dann wieder zu entfernenden Hilfsfolie.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative, einfache und kostengünstige Verkapselung für eine Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat vorzuschlagen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein MEMS mit mindestens einer derartigen Verkapselung sowie ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer verkapselten Bauelementstruktur anzugeben.

Technische Lösung

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den die Bauele- mentstruktur umgebenden Hohlraum nicht mit einer zweidimensionalen Folie wie im Stand der Technik abzudecken, sondern zum Schutz der Bauelementstruktur vor äußeren Einflüssen eine, mit mindestens einer Kavität zum Abdecken der Bauelementstruktur versehene Folie einzusetzen. Dabei bildet die Kavität den die Bauelementstruktur schützenden Hohlraum. Je nach Beschaffenheit der Folie kann die Folie entweder unmittelbar mit dem Halbleitersubstrat oder einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbesondere einer Metallisierung, gebondet werden. Der Kerngedanke der Erfindung besteht also darin, eine dreidimensionalstrukturierte bzw. geformte Folie einzusetzen, mit der die Bauelementstruktur überdeckt und damit geschützt wird. Be- sonders bevorzugt ist es dabei, wenn die dreidimensionalstrukturierte, vorzugsweise eine Vielzahl von Kavitäten aufweisende, Folie bereits im Wafer-Stadium bei der Herstellung von MEMS eingesetzt wird, um somit eine Vielzahl von empfindlichen, vorzugsweise mechanischen Bauelement- strukturen einer Vielzahl von MEMS gleichzeitig zu verkapseln. Von besonderem Vorteil ist dabei eine Ausführungsform der Verkapselung, bei der es sich bei der Bauelementstruktur um eine mechanische Bauelementstruktur, vorzugsweise eines Inertialsensors, eines Mikrophons (Schwingungsmemb- ran) oder eines Drucksensors (Druckmembran) handelt. Die vorgeschlagene Verkapselung eignet sich aufgrund der deutlich reduzierten Herstellungskosten optimal für Consumer- Inertialsensoren zum Einsatz in Handgeräten, so genannten Handhelds, wie Mobiltelefonen, Pocket-PCs etc. Darüber hin- aus hat eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verkapselung große Potentiale im Hinblick auf eine Dicken- und Größenreduzierung im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verkapselungen.

Im Hinblick auf die Ausbildung der dreidimensionalstrukturierten, also mit mindestens einer Kavität versehenen, Folie gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es denkbar, die Folie als Einschichtpolymerfolie auszubilden, also aus einer einzigen Materialschicht. Alternativ kann die Folie als Mehrschichtfolie, also als Verbundfolie mit mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen Schichten ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der zumindest eine Schicht der Mehr- schichtfolie als Polymerschicht ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Polymerschichten vorgesehen werden.

Die Einschichtpolymerfolie oder die mindestens eine Polymerschicht der Folie kann entweder unmittelbar mit dem Halbleitersubstrat, beispielsweise durch Herstellen einer Polymerbondverbindung, oder mit einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbesondere einer Kunststoffbeschichtung oder einem dünnen Film, der die Ver- kapselung chemisch mit dem MEMS-Substrat verbindet, gebon- det werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht der Mehrschichtfolie, vorzugsweise die gesamte Folie, eine Formbeständigkeit bei den beim Bonden der Folie auftretenden Temperaturen hat. Bevorzugt soll die Warmformbeständigkeit bei Temperaturen von über 230 °C noch gewährleistet sein. Bei kurzfristiger Temperaturbelastung bis beispielsweise 230°C sollte die Einschichtpolymerfolie oder die Polymerschicht weitgehend formbeständig sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht der Folie einen möglichst niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um eine unzulässige Verformung der Verkapselung und damit des MEMS im späteren Einsatz des mit einer entsprechenden Verkapselung ausgestatteten MEMS auch bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden. Bevorzugt beträgt der Ausdehnungskoeffizient weniger als 20 ppm/K, ganz besonders bevorzugt weniger als 10 ppm/K. Idealerweise verhält sich die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht der Mehrschichtfolie, ganz besonders bevorzugt die gesamte Folie, im Hinblick auf ihren Ausdehnungskoeffizienten in x- als auch in y-Richtung isotrop. Hierzu kann die Einschichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht, ganz besonders bevorzugt die gesamte Folie biaxial gereckt werden.

Polymerfolien, insbesondere zur Ausbildung der Polymer- Schicht, mit den genannten Eigenschaften werden beispielsweise unter der Bezeichnung „Vectra 54Oi" von der Firma Ticona oder unter „Zenite 6330 NC" von der Firma Dupont vertrieben. Darüber hinaus sind die biaxial gereckten Folien des Vectra-Typs (Hersteller Kuraray) sogar mit in x- und y- Richtung isotropen Ausdehnungskoeffizienten von unter 5 ppm/K erhältlich.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht aus Liquid- Crystal-Polymer (LCP-Flüssigkeitspolymer) besteht oder diese Verbindung zumindest umfasst. Flüssigkristallines Polymer weist in der Schmelze (thermophob) oder gelöst (Iy- otrop) flüssigkristalline Eigenschaften auf. LCP ist äußerst temperaturstabil (formbeständig) und weist einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf. Ein weiterer Vorteil von LCP besteht darin, dass dieses wesentlich dichter ist als ein Reaktionsharz, wie dieses bei Verkapselungen aus dem Stand der Technik zum Einsatz kommt. Ferner ist es möglich, die Einschichtpolymerfolie oder die mindestens ei- ne Polymerschicht aus einem Ormocer auszubilden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein die Einschichtpolymerfolie bzw. die mindestens eine Polymerschicht aus Polyetheretherketon (PEEK) auszubilden. Dessen Schmelztemperatur beträgt 335°C. Polyetheretherketon zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es gegen fast alle organischen und anorganischen Chemikalien beständig ist. Auch ist es möglich, die Ein- schichtpolymerfolie bzw. die Polymerschicht aus folgenden chemischen Polymerverbindungen auszubilden: Polyamidimid (PAI) oder Polybenzimidazol (PBI), oder Polyvenylensulfid (PPS) oder Polyarylsulfon (PAS) .

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Dicke der Folie geringer als 200 μm, vorzugsweise geringer als 150 μm ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Foliendicke etwa 100 μm ± 10 μm, oder weniger beträgt.

Um die Verkapselung, insbesondere im Hinblick auf Gase und/oder Feuchtigkeit, zu hermetisieren ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die mindestens eine Polymerschicht, vorzugsweise ausschließlich eine Polymerschicht aufweisende Mehrschichtfolie mindestens eine Metallschicht umfasst. Wenn die Metallschicht auf der dem Halbleitersubstrat zugewandten Seite der Mehrschichtfolie vorgesehen ist erlaubt die Metallschicht ein erleichtertes Bonden der Folie mit dem Halbleitersubstrat bzw. bevorzugt mit einer auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Beschichtung, insbeson- dere einer Metallisierung, vorzugsweise über ein Lötbondverfahren, ein Solid-Liquid-Inter-Diffusion-Lötverfahren (SLID) oder ein Thermokompressionsbondverfahren . Bei Zugrundelegung eines SLID-Bondprozesses kann der auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Bondrahmen (Metallisierung) sehr klein ausgestaltet werden. Die SLID-Bondtechnik zeichnet sich dadurch aus, dass eine Schicht niedrig schmelzendes Metall, beispielsweise Zinn, zwischen einer oberen und einer unteren Schicht aus höher schmelzendem Metall, bei- spielsweise Kupfer, aufgebracht und bei niedriger Temperatur aufgeschmolzen wird. Das höher schmelzendere Metall diffundiert nun in die obere und die untere Schicht, wobei sich eine höher schmelzende Legierung bildet und erstarrt. Bei weiteren Bond-/Lötprozessen wird somit ein Wiederaufschmelzen der Verbindung sicher verhindert.

Die Hermitizität der Verkapselung kann noch weiter verbessert werden, wenn die Folie mindestens zwei, vorzugsweise ausschließlich zwei, Metallschichten aufweist, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die beiden Metallschichten die beiden äußersten Schichten der Folie bilden. Ganz besonders bevorzugt nehmen die beiden Metallschichten eine Polymerschicht sandwichartig zwischen auf.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Metallschicht der Mehrschichtfolie eine hohe Duktilität (Bruchdehnung) aufweist. Ferner sollte die Metallschicht einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise von weniger als 17 ppm/K und/oder einen Schmelzpunkt von, insbesondere deutlich, größer als 240°C, vorzugsweise von größer als 300°C aufweisen .

Die Metallschicht, die vorzugsweise sämtliche oben genann- ten Eigenschaften aufweist, kann aus einer Vielzahl von Metallen, insbesondere aus duktilem Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl, etc. gebildet werden.

Die oben genannten Eigenschaften werden beispielsweise von Kupfer-kaschierten LCP-Folien der Firma Rogers erfüllt. Diese Folien werden bisher für die Herstellung flexibler und mehrlagiger Leiterplatten bei der Firma Dyconnex verwendet . In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass nicht nur die Polymerschicht sondern die gesamte Folie zur Gewährleistung von in x- und y-Richtung isotropen Aus- dehnungskoeffizienten biaxial gereckt ist.

Im Hinblick auf die Ausformung der Kavität gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es denkbar, diese beispielsweise gekrümmt (gebogen, rundlich) auszuformen. Daneben sind eckige oder kombinierte rund-/eckige Formen realisierbar. Rundungen haben dabei eine erhöhte Stabilität und verhindern eine flächige Anlagerung und damit Anhaftung der aktiven Strukturen des MEMS.

Die mindestens eine Kavität kann durch Spritzgießen, Prägen, insbesondere Spritzprägen, Thermoformen, Tiefziehen oder Casting eingebracht werden, wobei in die vorgenannten Prozesse auch ein Stanzprozess integriert werden kann, um Aussparungen für Bondpads in der Verkapselung zu erzeugen. Diese Aussparungen lassen sich auch über nachgeschaltete Stanzprozesse, Laserschneiden oder mit lithographischen Prozessen gekoppelter Ätzverfahren (Nasschemisch, Plasma oder in Kombination) herstellen. Beim Casting wird das Folienpolymer in eine Form eingegossen und daraufhin ther- misch oder durch UV-Bestrahlung gehärtet.

Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Folie mindestens einen Endanschlag zum Schutz der verkapselten Bauelementstruktur aufweist. Unter einem Endanschlag ist dabei eine in Richtung Bauelementstruktur vorstehende, kleinflächige Erhebung zu verstehen, die ein zu großes Austreten der Bauelementstruktur oder ein Anhaften der Bauelementstruktur am Deckel verhindert. Ferner führt die Erfindung auf ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat mit den Schritten: Bereitstellen einer mindes- tens eine Kavität aufweisenden Folie, Relativpositionieren der Kavität (relativ) zu der zu verkapselnden Bauelementstruktur und Bonden der Folie mit dem Halbleitersubstrat oder einer Beschichtung, vorzugsweise einem Bondrahmen, insbesondere einer Metallisierung des Halbleitersubstrates. Als vorgelagerten Schritt ist vorzugsweise vorgesehen, die Kavität in die Folie einzuformen. Dies kann entweder unmittelbar bei dem Herstellungsprozess der Folie, beispielsweise im Spritzgussverfahren erfolgen, oder in einem nachgelagerten Verformungsschritt, insbesondere durch Tiefziehen und/oder Thermoformen .

Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Verkapselung bereits im Wafer-Stadium von MEMS durchgeführt wird, so dass eine Vielzahl von empfindlichen, vorzugsweise mechanischen, Bauelementstrukturen gleichzeitig verkapselt werden können. Hierzu wird eine in ihrer Flächenerstreckung bevorzugt zumindest näherungsweise der Wafer-Flächenerstreckung entsprechende Folie relativ zu dem Wafer, genauer zu den auf dem Wafer vorgesehenen Bauelementstrukturen positioniert, woraufhin die Folie mit dem Wafer gebondet wird.

Nach dem Bondprozess erfolgt bevorzugt die Aufteilung (Separierung) des Wafers (mit Folie) in eine Vielzahl von separaten MEMS, insbesondere Inertialsensoren, wobei es rea- lisierbar ist, die Folie und das Halbleitersubstrat gleichzeitig, beispielsweise durch Laserschneiden zu durchtrennen, oder die Folie und den Wafer nacheinander, beispielsweise indem die Folie mit Hilfe einer Säge oder eines La- sers vorgeschnitten und in einem darauffolgenden Schritt das freigelegte Halbleitersubstrat durchtrennt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigen in:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verkapse- lung mit einer gerundeten Kavität,

Fig. 2: ein alternatives, sehr schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel an einer eckig ausgeformten Verkapselung und

Fig. 3: ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer komplex ausgeformten Verkapselung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ein MEMS 1 (Micro-Electro-Mechanical-System) gezeigt. Das MEMS 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 mit einer darauf ausgebildeten, empfindlichen, mechanischen Bauelementstruktur, die aus Halbleitermaterial ausgebildet ist. Die Bauelementstruktur 3 ist mit einer Verkapselung 4 vor mechanischen und sonstigen Umgebungseinflüssen, wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie Gas geschützt. Die Höhe h der Verkapselung 4 (gemessen senkrecht zur Flächenerstreckung des Halbleitersubstrates 2) beträgt in dem Ausführungsbeispiel etwa 200 μm. Die Verkapselung 4 ist gebildet mit Hilfe einer als Mehrschichtfolie ausgebildeten Folie 5. Diese umfasst eine Polymerschicht 6, hier aus LCP, sowie eine äußere, dem Halbleitersubstrat 2 zugewandte Metallschicht 7, hier aus duktilem Kupfer. Die Folie 5 zeichnet sich durch eine dreidimensionale Strukturierung in der Form einer Kavität 8 aus. Die Kavität 8 bildet einen Hohlraum 9 oberhalb der Bauelementstruktur 3.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Folie 5, die alternativ zusätzlich zu der hier einzigen Metallschicht 7 eine weitere, auf der von der Metallschicht 7 abgewandten Seite der Polymerschicht 6 angeordnete, Metallschicht aufweisen kann, mit einer als Metallisierung ausgebildeten Be- schichtung 10 (Bondrahmen) des Halbleitersubstrates 2 ge- bondet. Zur Realisierung des gezeigten Ausführungsbeispiels wurde dabei das SLID-Bondverfahren angewendet, wobei zwischen die aus Kupfer ausgebildete Beschichtung und die aus Kupfer bestehende Metallschicht 7 der Folie 5 eine dünne Zinnschicht 11 abgeschieden wurde. Dies kann beispielsweise galvanisch, der CVD (chemische Gasphasenabscheidung) oder durch PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) realisiert werden. Alternativ zu einer dünnen Zinnschicht 11 mit einer Dicke von etwa 0,lμm bis etwa 5μm können beispielsweise alternativ eutektisches SnCu oder SnAg abgeschieden werden. Ebenso sind Indium- und Gallium-Legierungen einsetzbar. Nach dem Aufbringen der dünnen Zinnschicht 11 wurde die Folie 5 zum Bonden gegen das im Bondbereich mit der (Kupfer-) Beschichtung 10 beschichtete Halbleitersubstrat 2 (Wafer) gepresst und die Temperatur über den Schmelzpunkt des Zinns angehoben. Dabei schmolz das Zinn auf, wobei sich eine höher schmelzende Bronzelegierung ausbildete, die bei anschließenden Lötprozessen, insbesondere SMD-Lötprozessen mechanisch stabil bleibt.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, weist die Kavität 8 eine gerundete Form auf. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Verkapse- lung 4 ist es möglich, die Schichtdicke der Metallschicht 7, hier der Kupferschicht, insbesondere galvanisch, zu er- höhen. So ist es möglich, andere Metalle oder Sandwich- Schichten, beispielsweise Cu-Ni-Cu abzuscheiden. Alternativ ist es, wie bereits zuvor erläutert denkbar 2-seitig mit Metallschichten kaschierte Polymerschichten als Mehrschichtfolien einzusetzen.

Wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, sind nicht nur gerundete Kavitäten 8, sondern auch eckige und teilweise äußerst komplex geformte Kavitäten 8 realisierbar. Bei sämtlichen Kavitätsformen können die in Fig. 3 gezeigten Endanschläge 12 zum Schutz der verkapselten Bauelementstrukturen 3, hier Sensoren, realisiert werden.