DE10222959B4

DE10222959B4 - Mikro-elektromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10222959B4
Application number: DE10222959A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Leib; Florian Dipl.-Ing. Bieck
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: DE10222959A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung mikro-elektromechanischer Bauelemente (27) aus einem Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im Wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), wobei zumindest die erste Seite (2) wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element (5) aufweist, mit einem elektrisch leitenden Kanal (8), welcher die erste Seite (2) mit der zweiten Seite (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Seite (4) in das Substrat Vertiefungen eingebracht werden, die Vertiefungen mit einem Leiter aufgefüllt werden und daraufhin der Wafer auf der zweiten Seite ausgedünnt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikro-elektromechanischen Bauelementen, sowie ein gehäustes mikro-elektromechanisches Bauelement. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung gehäuster mikro-elektromechanischer Bauelemente im Waferverband mit einer strukturierten Auflage, sowie ein gehäustes mikro-elektromechanisches Bauelement mit einer strukturierten Auflage.
Die Mikro-Elektromechanik gilt als eine der heutigen Schlüsseltechnologien. Für mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) gibt es zahlreiche potentielle und bereits existierende Anwendungen, in der Sensortechnik, Optik und Kommunikationstechnik. So finden MEMS-Bauelemente bereits seit einigen Jahren Anwendungen als Beschleunigungssensoren für Airbags in der Automobilindustrie. Nach einer Marktforschungsstudie aus dem Jahr 2002 durch die Europäische Marketingorganisation für MEMS-Produkte NEXUS ist mit jährlichen Wachstumsraten der MEMS-Industrie von 20% auszugehen.
Bei MEMS-Bausteinen ergibt sich jedoch häufig das Problem, daß die Kontaktierungen in ihrer räumlichen Anordnung störend für die Funktion der mechanischen Komponenten des MEMS-Bausteins sind. In der Regel befinden sich die mikromechanischen Strukturen auf derselben Seite eines Bausteins, wie dessen elektrische Anschlüsse. Insbesondere bei MEMS-Bausteinen mit optischen Funktionen müssen die Anschlüsse jedoch auf eine Seite gelegt werden, die der Seite mit den mikromechanischen Elementen gegenüberliegt, so daß die mikromechanischen Elemente beispielsweise bei der Befestigung auf einer Platine nicht verdeckt werden.
Die Kontakte werden hierzu im allgemeinen in der Gehäusung des Bausteins seitlich um das mikro-elektromechanische Bauelement herum geführt. Nachteilig ist hierbei insbesondere, daß diese Art der Kontaktierung sehr platzraubend ist und somit eine Miniaturisierung entgegensteht. Eine derartige Kontaktierung erfordert zudem, daß die Bauelemente vereinzelt wurden, um das Herumführen von Kontakten zu ermöglichen. Dementsprechend ist diese Methode auch nicht geeignet, um im Waferverbund durchgeführt zu werden.
Die DE 4 314 907 C1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von vertikal miteinander kontaktierten Halbleiterbauelementen. Die US 6 338 284 B1 zeigt das Einbringen von Vertiefungen in einen Wafer, der anschließend kontaktiert wird. Die US 6 384 353 B1 schließlich zeigt ein elektromechanisches Bauelement.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die oben genannten Nachteile bei MEMS-Bauelementen, sowie bei deren Herstellung zu beseitigen oder zumindest zu mildern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie ein MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 25 gelöst.
Erfindungsgemäß wird dabei ein mikro-elektromechanisches Bauelement aus einem Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite im Wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei zumindest die erste Seite wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element aufweist, hergestellt, indem in das Substrat zumindest ein leitender Kanal eingefügt wird, welcher die erste Seite mit der zweiten Seite verbindet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf diese Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten und der weiten Seite des Substrats geschaffen. Somit kann in besonders platzsparender Weise die Kontaktierung der mikro-elektromechanischen Elemente auf die den Elementen gegenüberliegende Seite des Substrats verlegt werden.
Bevorzugt umfaßt das Verfahren weiterhin den Schritt des Befestigens zumindest einer Auflage auf der ersten Seite des Substrats. Dabei ist die Reihenfolge der Verarbeitungsschritte des Befestigens der Auflage und des Einfügens des leitenden Kanals nicht festgelegt.
Beispielsweise kann das Befestigen der Auflage vor oder nach dem Einfügen des Kanals vorgenommen werden. Ebenso kann das Einfügen des Kanals auch in mehreren Schritten erfolgen. In diesem Fall kann die Auflage auch zwischen zwei Prozeßschritten des Einfügens befestigt werden.
Besonders bevorzugt wird dabei zumindest einer der Schritte des Befestigens der Auflage oder des Einfügens von zumindest einem leitenden Kanal im Waferverband durchgeführt. Dies erlaubt eine besonders ökonomische Herstellung von MEMS-Bausteinen. Durch das Befestigen der Auflage wird außerdem eine zumindest teilweise Verpackung der Bausteine im Waferverband, entsprechend einem "Wafer-Level-Packaging" erreicht.
Mittels des leitenden Kanals kann in vorteilhafter Weise insbesondere eine elektrische Durchkontaktierung zum elektrischen Anschluß der mikromechanischen Komponenten von der gegenüberliegenden Seite des Substrats her geschaffen werden. Auf diese Weise können auf der Seite des Substrats, welche die mikromechanischen Komponenten aufweist, platzraubende und die Funktion des Bauteils störende Kontaktierungen vermieden werden.
Das Einfügen des elektrisch leitenden Kanals kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen, wobei die verschiedenen Bearbeitungsmöglichkeiten auch abhängig vom Material des Substrats gewählt werden können.
Insbesondere kann der Schritt des Einfügens des leitenden Kanals den Schritt des Herstellens einer Vertiefung durch Abtragen von Substratmaterial umfassen.
Die Vertiefungen können abhängig vom Substratmaterial mit verschiedenen Verfahren erzeugt werden. Beispielsweise sind solche Vertiefungen mittels eines Trockenätzverfahrens herstellbar. Geeignet ist beispielsweise für Silizium-Halbleitersubstrate insbesondere ein anisotropes Trockenätzverfahren wie zum Beispiel der auf SF₆-Radikalen basierende „ASE-Prozeß". Auch verschiedene Naßätzverfahren sind für solche Halbleitersubstrate geeignet, wie etwa das anisotrope Ätzen mit KOH-Lauge, welche sich bei Si-Wafern in (100)-Orientierung anbietet. Auch Schleifen oder Ultraschallschwingläppen kann zur Herstellung von Vertiefungen angewendet werden.
Vorteilhaft kann das Verfahren außerdem beim Schritt des Einfügens des leitenden Kanals den Schritt des Auffüllens des Kanals mit einem elektrisch leitenden Material umfassen.
Als Material kann unter anderem ein leitendes Epoxid verwendet werden. Das Auffüllen mit einem solchen Epoxid stellt dabei eine einfach durchzuführende Variante des Verfahrens dar. Um einen leitenden Kanal mit besonders niedrigem elektrischen Widerstand erreichen zu können, ist es von Vorteil, wenn das leitende Material ein Metall umfaßt, welches galvanisch in der Vertiefung abgeschieden wird.
Elektrisch leitende Verbindungen können ebenso auch mittels Dotierung oder Ionenimplantation hergestellt werden, so daß zumindest für die dotierten Bereiche ein Abtrag des Substratmaterials entbehrlich ist.
Insbesondere um eine Verbindung des mikro-elekromechanischen Elements zu dem elektrisch leitenden Kanal für die Durchkontaktierung elektrischer Verbindungen zu schaffen, ist es von Vorteil, wenn das Verfahren zusätzlich den Schritt des Herstellens zumindest einer elektrischen Kontaktfläche umfaßt. Der elektrisch leitende Kanal kann dabei in direktem Kontakt mit der Kontaktfläche stehen oder an diese über eine elektrische Verbindung, wie etwa eine Leiterbahn angeschlossen sein.
Bevorzugt wird dabei die Kontaktfläche auf der ersten Seite des Substrats erzeugt.
Das Substrat kann weiterhin mit Vorteil gedünnt werden. Dadurch wird unter anderem erreicht, daß die erforderliche Tiefe des leitenden Kanals reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn das Dünnen des Substrats nach dem Befestigen der Auflage erfolgt. Da die mit dem Substrat verbundene Auflage dem Substrat zusätzliche Festigkeit verleiht, kann auf diese Weise das Substrat weiter ausgedünnt werden, ohne das Substrat mechanisch zu überlasten und somit zu zerstören, als dies ohne befestigte Auflage möglich wäre. Beispielsweise wird gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens das Substrat auf der ersten Seite mit der Auflage, etwa einer dünnen Glasscheibe verklebt. Die mikromechanischen Elemente auf dem Substrat werden dadurch geschützt und die Anordnung gewinnt zusätzliche Stabilität. Als Kleber kann allgemein ein geeignetes Epoxidharz verwendet werden. Das Substrat kann danach auf der Rückseite mechanisch durch einen Schleifprozeß ausgedünnt werden, wobei die mechanische Stabilität weiterhin durch die Auflage gewährleistet wird.
Elektrisch leitende Kanäle können unter anderem unter Zuhilfenahme des Dünnschleifens des Substrats hergestellt werden, indem die erste Seite des optischen Chips photolithographisch strukturiert und Vertiefungen in der Form von Ätzgruben eingebracht werden. Die leitenden Kanäle befinden sich in dieser Variante bevorzugt neben den Kontaktflächen oder Bondpads zum Anschluß der mikro-elektromechanischen Elemente. Die Ätzgruben werden danach mit einem Leiter aufgefüllt und eine Leiterbahn von der Ätzgrube zum Bondpad aufgebracht. Danach kann die transparente Abdeckung aufgebracht werden und der Wafer wird daraufhin auf der Rückseite solange gedünnt, bis die leitenden Auffüllungen der Ätzgruben auf der zweiten Seite hervortreten.
Das Substrat kann eine Vielzahl von geeigneten Materialien umfassen. Neben den für MEMS-Bausteine gebräuchlichen Halbleitermaterialien kann das Substrat ebenso auch Gläser, Metalle, Keramiken, piezoelektrische Materialien, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe umfassen.
Das Verfahren kann außerdem vorteilhaft weiter verfeinert werden, indem eine strukturierte Auflage hergestellt wird. Das Strukturieren kann dabei sowohl ganz oder teilweise im bereits mit dem Substrat zusammengefügten Zustand, als auch getrennt von diesem erfolgen.
Das Strukturieren der Auflage kann mit Vorteil das Einfügen zumindest einer eine Kavität und/oder eine Durchgangsöffnung bildenden Struktur umfassen. Die Kavität kann beispielsweise zur Aufnahme von Fluiden dienen, oder auch hervorstehende Teile der mikro-elektromechanischen Elemente auf dem Substrat umschließen. Mit einer Durchgangsöffnung kann beispielsweise eine Verbindung der mikro-elektromechanischen Elemente zur Umgebung geschaffen werden, so daß etwa Licht ungehindert auf die mikromechanischen Komponenten treffen kann.
Die Auflage kann außerdem so strukturiert werden, daß sie zumindest einen Graben, insbesondere eine V-Nut umfaßt, wobei der Graben sich vorzugsweise in einer Richtung entlang der Oberfläche der Auflage erstreckt. Solche Gräben können unter anderem dazu verwendet werden, optische Fasern aufzunehmen.
Allgemein kann mittels des Strukturierens eine mechanische Passung in oder auf der Auflage geschaffen werden. Damit kann ein in die Passung eingefügtes Element unter genauer Ausrichtung zum Substrat, beziehungsweise den mikromechanischen Elementen eingefügt werden. Eine solche Passung ist insbesondere. für optische Elemente, wie beispielsweise Wellenleiter, optische Linsen oder Prismen geeignet.
Die optischen Elemente können mit der Auflage jedoch nicht nur durch mechanische Passungen verbunden werden. Vielmehr kann die Auflage auch selbst so strukturiert werden, daß sie optische Komponenten aufweist. Solche integrierten optischen Elemente können etwa Linsen oder Gitter umfassen.
Vorteilhaft für bestimmte MEMS-Anwendungen kann es auch sein, wenn der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens eines Abstandhalters, insbesondere für zumindest ein optisches Element und/oder zumindest eine weitere Auflage umfaßt. Mit Abstandhaltern kann beispielsweise die Brennweite von Linsen erhöht und damit deren Bildfehler erniedrigt werden. Ein Abstandhalter kann jedoch auch für andere Komponenten und andere Zwecke nützlich sein. Der Abstandhalter kann beispielsweise auch einen definierten Abstand zu einer weiteren mikromechanischen Komponente schaffen.
MEMS-Bausteine für komplexere Anwendungen lassen sich erfindungsgemäß unter anderem mit Vorteil herstellen, indem außerdem der Schritt des Herstellens einer strukturierten Auflage den Schritt des Herstellens einer Aufnahme, insbesondere für Fluide und/oder optische Elemente und/oder piezoelektrische Elemente und/oder mikromechanische Elemente und/oder elektronische Bauelemente umfaßt. Mit dieser Verfeinerung des Herstellungsverfahrens wird die Möglichkeit geschaffen, vielfältige Funktionen parallel in ein MEMS-Bauelement zu integrieren.
Für bestimmte Anwendungen können MEMS-Elemente sich auch auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden. Für derartige Strukturen kann es besonders von Vorteil sein, wenn zwischen den Strukturen auf gegenüberliegenden Seiten eine Verbindung geschaffen wird. Das Verfahren kann daher außerdem den Schritt des Einfügens weiterer Kanäle umfassen, welche eine funktionelle Verbindung zwischen den Strukturen herstellen. Besonders geeignet dafür sind beispielsweise lichtleitende, fluidleitende oder wärmeleitende Kanäle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumindest eine leitende Kanal von der ersten Seite des Substrats her eingefügt und die Auflage nach dem Einfügen des zumindest einen leitenden Kanals befestigt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der zumindest eine leitende Kanal von der zweiten Seite des Substrats her eingefügt. Dabei kann die Abdeckung vor oder nach dem Einfügen des Kanals befestigt werden.
Um den MEMS-Baustein entweder auf einer Platine oder auf einem weiteren Substrat zu befestigen und die erforderliche elektrische Kontaktierung des Bausteins herzustellen, kann das Verfahren außerdem den Schritt des Aufbringens einer Lötperle auf den zumindest einen leitenden Kanal umfassen. Bei einer Vielzahl von elektrischen Anschlüssen mit entsprechenden zugeordneten leitenden Kanälen zur Durchkontaktierung durch das Substrat wird auf diese Weise ein "Ball Grid Array" auf der zweiten Seite des Substrats erzeugt.
Durch die mittels des in das Substrat eingefügten leitenden Kanals geschaffene Durchkontaktierung ergibt sich außerdem die besonders vorteilhafte Möglichkeit, weitere Substrate anzufügen. Beispielsweise können die Substrate integrierte Halbleiter-Schaltungsanordnungen oder Substrate mit weiteren MEMS-Elementen umfassen. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung dreidimensionaler MEMS-Systeme, beziehungsweise dreidimensionaler MEMS-Bausteine ermöglicht.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, ein mikro-elektromechanisches Bauelement anzugeben, welches insbesondere mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei das mikro-elektromechanische Bauelement ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite im Wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite, aufweist und wobei die erste Seite des mikro-elektromechanischen Bauelements wenigstens ein mikromechanisches Element umfaßt. Dabei weist das Substrat zusätzlich zumindest einen elektrisch leitenden Kanal auf, welcher die erste und die zweite Seite verbindet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Auflage auf, welche mit der ersten Seite des Substrats verbunden ist. Die Auflage schützt die mikro-elektromechanischen Elemente vor schädlichen Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise vor der Gefahr mechanischer Beschädigungen.
Die Abdeckung des Bauelements kann zumindest ein optisches Element, insbesondere ein Prisma und/oder ein Gitter und/oder eine Linse und/oder einen optischen Filter aufweisen. Damit können für optische Anwendungen vorteilhaft bestimmte optische Funktionen bereits in das Bauelement integriert werden, wodurch sich etwa auch ein Gesamtaufbau eines optischen Systems mit MEMS-Bauelement in kompakterer Bauweise realisieren läßt.
Die Auflage kann außerdem zumindest eine Kavität und/oder eine Durchgangsöffnung aufweisen, beispielsweise um Fluide aufnehmen oder leiten zu können.
Die Auflage kann vorteilhaft auch zumindest eine Passung aufweisen. Eine solche Passung gestattet die exakte Ausrichtung darin aufgenommener Elemente. Beispielsweise kann die Passung zur Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere einer Linse und/oder eines Wellenleiters und/oder eines Gitters und/oder eines Prismas angepaßt sein.
Neben solchen Passungen kann die Auflage auch zumindest eine Aufnahme umfassen. In der Aufnahme können unter anderem eine Schaltungsanordnung und/oder eine piezoelektrische Komponente und/oder ein aktives oder passives elektronisches Element untergebracht sein. Auf diese Weise lassen sich zusätzliche Funktionen in das Bauelement integrieren. Beispielsweise kann dort eine elektronische Schaltung aufgenommen sein, welche die Spannungen zur Ansteuerung der mikro-elektromechanischen Elemente bereitstellt. Es können auf diese Weise auch zum Beispiel aktive oder passive elektronische Filterelemente aufgenommen werden, welche etwa zur Stabilisierung der Steuerspannungen eines mikro-elektromechanischen Elements dienen können.
In besonders einfacher Weise kann die Auflage mit dem Substrat durch eine Verklebung, insbesondere mittels Epoxidharz verbunden sein.
Insbesondere kann die Auflage auch mehrere Schichten aufweisen. Diese können unter anderem zur Erhöhung der Festigkeit dienen. Auch lassen sich durch Kombination mehrerer Schichten verschiedene funktionelle Strukturen auf und innerhalb der Auflage miteinander kombinieren. Beispielsweise kann in die Auflage so eine mehrelementige Optik integriert werden.
Mittels der durch die leitenden Kanäle hergestellten Durchkontaktierung kann insbesondere auch ein Bauelement hergestellt werden, welches mehrere aufeinander gestapelte Substrate aufweist. Neben aufeinander gestapelten Substraten mit MEMS-Elementen können mit dem ersten Substrat auch beispielsweise Substrate mit integrierten elektronischen Schaltkreisen kombiniert werden. Entsprechend ihrer Funktion können die einzelnen Substrate auch unterschiedliche Materialien umfassen. Dazu umfaßt ein solches mehrschichtiges Bauelement zumindest zwei übereinander angeordnete Substrate, wobei das weitere Substrat zumindest einen Anschlußkontakt aufweist und wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem zumindest einen elektrisch leitenden Kanal des Substrats und der Anschlußfläche des zumindest einen weiteren Substrats besteht.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehen.
Es zeigen:
1A bis 1E: die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnittsansichten durch einen Wafer,
2A bis 2B: eine Variante der anhand der 1D und 1E dargestellten Verfahrensschritte,
2C: eine Querschnittsansicht durch einen vom Wafer abgetrennten MEMS-Baustein,
3A bis 3D die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnittsansichten durch einen Wafer, und
4 einen MEMS-Baustein mit mehrlagiger, strukturierter Auflage und aufeinander gestapelten Substraten.
Im Folgenden wird zunächst Bezug auf die 1A bis 1E genommen, welche anhand von Querschnittsansichten eines Ausschnitts eines Substratwafers 1 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. darstellen.
Die im Folgenden dargestellten Verfahrensschritte werden in diesem Ausführungsbeispiel im Waferverbund durchgeführt. Der Wafer 1 wurde bis zu der in 1A dargestellten Verarbeitungsphase mit mikro-elektromechanischen Strukturen 5 versehen. Auf dem Wafer 1 befinden sich eine Vielzahl von Dies 11, 12, 13, von denen der mit 11 bezeichnete Die vollständig gezeigt ist. Die einzelnen mikro-elektromechanischen Bauelemente werden nach den im Waferverbund durch Abtrennen der Dies 11, 12, 13 gewonnen. Die mikro-elektromechanischen Elemente 5 sind für die Spannungsversorgung mit Kontaktflächen 3 verbunden. Kontaktflächen und mikro-elektromechanische Strukturen befinden sich auf der ersten Seite 2 des Substrats 6 des Wafers 1. Ziel ist es nun, eine elektrische Kontaktierung an der zweiten Seite 4 des Substrats 6 herzustellen, um eine besonders platzsparende Anordnung der Elemente eines MEMS-Bauelements und die Möglichkeit des Stapelns mit weiteren Substraten zu realisieren.
1B zeigt dazu einen weiteren Verarbeitungsschritt. In das Substrat 6 sind Vertiefungen 7 eingefügt. Diese können beispielsweise mittels einer geeigneten Ätzprozedur in das Substrat eingefügt werden. Für die Herstellung der Ätzgruben ist unter anderem anisotropes Ätzen eines Si(100)-Substrats mit KOH geeignet, wobei sich in diesem Fall Ätzgruben mit einem Öffnungswinkel von etwa 70° bilden. Das Einfügen der Vertiefungen ist unabhängig von der Herstellung der mikro-elektromechanischen Elemente und der Kontaktflächen. Somit ist die Reihenfolge dieser Verarbeitungsschritte nicht zwingend.
In einer nachfolgenden Verarbeitungsphase werden dann, wie in 1C gezeigt, elektrische Verbindungen 9 zwischen den Vertiefungen 7 und den Kontaktflächen 3 hergestellt. Zur Herstellung der Kontaktierungen können die Ätzgruben 7, sowie Bereiche der ersten Seite 2 zwischen den Ätzgruben 7 mit einem Metall beschichtet werden. Dadurch wird eine Metallschicht als elektrische Verbindung 9 ausgebildet, die sich auf den Wänden der Ätzgruben und auf Bereichen zwischen den Ätzgruben befindet, wobei die Schicht die Kontaktflächen zumindest teilweise überdeckt, um eine sichere Kontaktierung herzustellen. Als kontaktgebendes Metall ist dabei beispielsweise Aluminium geeignet.
Anschließend werden die metallbeschichteten Vertiefungen 7, wie anhand von 1D gezeigt ist, mit einem leitenden Material aufgefüllt, so daß sich Füllungen 15 in den Vertiefungen 7 befinden.
Die Vertiefungen 7 reichen bei diesem Ausführungsbeispiel nicht durch das Substrat 6 hindurch. Sie bilden daher in der in 1D gezeigten Verarbeitungsphase noch keine leitenden Kanäle, welche die erste Seite 2 mit der zweiten Seite 4 verbinden. Um diese Kanäle herzustellen, kann der Wafer 1 in einem weiteren Verarbeitungsschritt, der in 1E dargestellt ist, von der zweiten Seite 4 her dünn geschliffen werden, bis das leitende Material der Füllungen an der zweiten Seite 4 zutage tritt und Kontaktflächen 17 bildet. Die mit der Füllung 9 aufgefüllte Vertiefung 7 bildet so einen elektrisch leitenden Kanal, der die erste Seite 2 des Substrats 6 mit der zweiten Seite 4 verbindet.
In den 2A und 2B ist eine Variante der anhand der 1D und 1E gezeigten Verarbeitungsschritte gezeigt. Das Verfahren unterscheidet sich dahingehend, daß auf der ersten Seite 2 des Substrats 6 eine Auflage 19 befestigt wird. Beispielsweise kann die Auflage 19 für optische MEMS-Anwendungen einen transparenten Wafer umfassen, so daß Licht auf die MEMS-Elemente 5 fallen kann. Die Auflage 19 weist außerdem eine Strukturierung auf, welche im mit dem Wafer 1 zusammengefügten Zustand eine Kavität 21 bildet. Die Kavität schafft beispielsweise eine hermetische Abdichtung der MEMS-Elemente 5, ohne deren Beweglichkeit einzuschränken. Die Kavität 21 kann andererseits auch für die Aufnahme und Leitung von Fluiden ausgebildet sein. Die Auflage kann beispielsweise mit dem Substrat 6 verklebt sein, so daß sich zwischen Auflage 19 und erster Seite 2 des Substrats 6 eine Verklebung 20 befindet.
Die Auflage 19 verleiht außerdem dem Gesamtaufbau zusätzliche mechanische Festigkeit. Insbesondere wird der Wafer 1 mechanisch durch die Auflage unterstützt. Dadurch wird erreicht, daß der Wafer 1 dünner geschliffen werden kann, als dies bei einem freitragenden Wafer wie in 1E der Fall ist. Der Verarbeitungsschritt des Dünnens ist in 2B dargestellt. Das Befestigen der Auflage bietet hier zusätzlich den Vorteil, daß die empfindlichen MEMS-Elemente 5 während der Bearbeitung vor Beschädigungen geschützt sind.
Zusätzlich sind in der in 2B gezeigten Verarbeitungsphase Lötperlen 23 auf die Kontaktflächen 17 der leitenden Kanäle 8 aufgebracht, um einen elektrischen Anschluß, etwa an eine Platine oder einen weiteren Baustein herstellen zu können. Die Lötperlen bilden dabei auf dem Wafer 1 einen "Ball Grid Array".
In 2C ist ein MEMS-Baustein 27 in Querschnittsansicht gezeigt, welcher nach weiteren Verarbeitungsschritten aus einem wie in 2B gezeigten Waferverbund erhalten wird. Der Baustein wird durch Dicen, beziehungsweise Abtrennen des Dies 11 vom Wafer 1 hergestellt.
Um eine den Baustein 27 vollständig umschließende Gehäusung zu erreichen, wird der Baustein zusätzlich mit einer Verkapselung 25 versehen. Die Verkapselung kann beispielsweise aus einem Epoxidharz hergestellt werden. Die Verkapselung kann auf der Seite des Bausteins, auf welcher sich die Lötperlen 23 befinden, wieder teilweise abgeschliffen werden, so daß die Lötperlen teilweise freigelegt werden. Dies ermöglicht eine anschließende Verlötung mit einer anderen Komponenten durch Aufschmelzen der teilweise abgeschliffenen Lötperlen.
Die 3A bis 3E zeigen die Verarbeitungsschritte für die Herstellung eines MEMS-Bausteins gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Auch in dieser Ausführungsform des Verfahrens werden die Verarbeitungsschritte im Waferverbund durchgeführt.
Der Verarbeitungszustand des in 3A gezeigten Wafers entspricht dabei im Wesentlichen dem des in 1A dargestellten Wafers. Als mikro-elektromechanisches Element 5 ist in 3A beispielhaft eine elektromechanisch verstellbare Spiegelanordnung dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform sind die mikro-elektromechanischen Elemente 5 der Dies für die elektrische Versorgung an jeweils eine oder mehrere Kontaktflächen 3 angeschlossen.
3B zeigt den Waferverbund nach der Verbindung des Wafers 1 mit einer strukturierten Auflage 19. Die Auflage 19 weist in diesem Fall eine Durchgangsöffnung 29 auf. Neben der Durchgangsöffnung umfaßt die Auflage 19 zusätzlich eine mechanischen Passung 31. Die mechanische Passung ist für die Aufnahme einer Linse 33 angepaßt. Die Linse fokussiert Licht auf den Spiegel des mikro-elektromechanischen Elements 5. Die gezeigte Strukturierung der Auflage, sowie die in die Passung eingefügte Linse sind nur beispielhaft. Vielmehr kann die Auflage auch auf viele andere Weisen zweckmäßig strukturiert sein. Die Strukturierung kann dabei sowohl vor dem Zusammenfügen, als auch teilweise oder vollständig im mit dem Substrat 6 zusammengefügten Zustand erfolgen.
In 3C ist der Waferverbund nach dem Einfügen von Vertiefungen 7 gezeigt. Im Gegensatz zu den anhand der 1A bis 1E und 2A bis 2C erläuterten Verfahren wird bei dieser Ausführungsform des Verfahrens der leitende Kanal von der zweiten Seite 4 des Substrats 6 her eingefügt. Dazu werden von der zweiten Seite 4 des Substrats, wie 3C zeigt, den Kontaktflächen auf der ersten Seite 2 gegenüberliegend Vertiefungen 7 eingefügt. Die Vertiefungen reichen dabei bis zu den Kontaktflächen 3.
3D zeigt den Waferverbund nach dem Einfügen von Füllungen 15 aus leitendem Material in die Vertiefungen 7. Durch die leitenden Füllungen, welche in elektrischem Kontakt mit den Kontaktflächen 3 stehen, wird ein leitender Kanal 8 geschaffen, welcher die erste Seite 2 mit der zweiten Seite 4 des Substrats 6 verbindet. Auf der zweiten Seite 4 werden durch das Einfügen der Füllungen 15 wieder Kontaktflächen 17 geschaffen. Diese können für den elektrischen Anschluß der MEMS-Strukturen 5 wieder mit Lötperlen 23 versehen werden. Außerdem wurde der Wafer 1 auf der zweiten Seite 4 wieder mit einer Verkapselung 26, versehen, so daß eine weitgehende Verpackung im Waferverbund hergestellt ist. Die Verkapselung kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, wie etwa einem Epoxidharz bestehen. Um die Lötperlen für eine spätere Kontaktierung wieder zugänglich zu machen, kann vor dem Abtrennen der Dies vom Wafer 1, beziehungsweise vom Waferverbund aus Wafer 1 und Auflage 19 die Verkapselung teilweise abgeschliffen werden, bis die Lötperlen an der Oberfläche teilweise freigelegt sind.
Im Folgenden wird auf 4 Bezug genommen, welche einen MEMS-Baustein mit mehrlagiger, strukturierter Auflage und aufeinander gestapelten Substraten in Querschnittsansicht zeigt. Das MEMS-Bauelement umfaßt ein Substrat 6, welches entsprechend der anhand der 3A bis 3D gezeigten Verfahrensschritte verarbeitet wurde. Im Unterschied umfaßt die in 4 gezeigte Ausführungsform jedoch eine mehrlagige Auflage 19. Die Auflage 19 setzt sich aus den Lagen 191, 192, 193 und 194 zusammen. Die Lagen 191 und 193 weisen dabei jeweils eine Durchgangsöffnung 29 auf. Zwischen diesen Lagen ist eine Lage 192 eingefügt, die so strukturiert ist, daß sie ein optisches Element, in diesem Ausführungsbeispiel eine integrierte optische Linse 37 aufweist. Die Lagen 191 und 193 dienen dabei als Abstandhalter für die Linse 37, sowie für die Lage 194, welche mechanische Passungen 31 für Wellenleiter 39 aufweist.
Beim Herstellen der MEMS-Bauelemente im Waferverbund wurde außerdem ein weiteres Substrat 35 am Substrat 6 befestigt. Das weitere Substrat 35 umfaßt eine aktive Schicht 87 mit integrierten Halbleiter-Schaltungen. Diese können beispielsweise zur Ansteuerung der MEMS-Elemente 5 dienen. Alternativ ist auf diese Weise auch das stapeln mit einem oder mehreren MEMS-Bausteinen möglich.
Das weitere Substrat 35 weist ebenfalls wie Substrat 6 Kontaktflächen 3 auf. Die Kontaktierung der MEMS-Elemente 5 erfolgt in diesem Fall über die Durchkontaktierung mittels der leitenden Kanäle 8 des Substrats 6 und den auf den Kanälen 8 angebrachten Lötperlen 23, welche mit den Kontaktflächen 3 des weiteren Substrats 35 verlötet werden. Die Kontaktflächen 3 des weiteren Substrats 35 sind ihrerseits in gleicher Weise, wie oben beschrieben, über elektrisch leitende Kanäle 8 mit der gegenüberliegenden Seite des weiteren Substrats 35 verbunden. Ebenso können auch die Kontakte zur Versorgung der aktiven Schicht 87 auf die gegenüberliegende Seite des Substrats 35 verlegt werden. Auf diese Weise befinden sich alle elektrischen Kontakte des gestapelten Bauelements auf der den Wellenleitern gegenüberliegenden Seite. Die Seite des Bauelements 27, von der die Wellenleiter zugeführt werden, bleibt so völlig frei von störenden Bonding-Drähten oder anderen Kontaktierungen des Bauelements.
Auf die leitenden Kanäle 8 des weiteren Substrats sind wieder Lötperlen aufgebracht. Eine Verkapselung, beziehungsweise Verpackung der im Waferverbund zusammengefügten Teile 6, 35 und 191 bis 194 kann in gleicher Weise wie anhand von 2C erläutert erfolgen, indem auf die Seite des Substrats 35 mit den Lötperlen eine Verkapselungsschicht 26 aufgebracht und diese anschließend wieder abgeschliffen wird, bis die Lötperlen an der abgeschliffenen Oberfläche hervortreten.
Bezugszeichenliste

Claims

Verfahren zur Herstellung mikro-elektromechanischer Bauelemente (27) aus einem Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im Wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), wobei zumindest die erste Seite (2) wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element (5) aufweist, mit einem elektrisch leitenden Kanal (8), welcher die erste Seite (2) mit der zweiten Seite (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Seite (4) in das Substrat Vertiefungen eingebracht werden, die Vertiefungen mit einem Leiter aufgefüllt werden und daraufhin der Wafer auf der zweiten Seite ausgedünnt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt des Befestigens zumindest einer Auflage (19) auf der ersten Seite (2) des Substrats (6).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Schritte des Befestigens der Auflage (19) oder des Einfügens von zumindest einem elektrisch leitenden Kanal (8) im Waferverbund erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einfügens des leitenden Kanals (8) den Schritt des Herstellens einer Vertiefung (7) durch Abtragen von Substratmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abtragens von Substratmaterial den Schritt des Trockenätzens und/oder den Schritt des Naßätzens und oder den Schritt des Schleifens und/oder den Schritt des Ultraschallschwingläppens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Auffüllens der Vertiefung mit einem leitenden Material (15).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (15) ein leitendes Epoxid umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (15) ein Metall umfaßt, welches galvanisch in der Vertiefung abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Herstellens eines leitenden Kanals (8) den Schritt des Dotierens und/oder Ionenimplantierens umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Herstellens zumindest einer elektrischen Kontaktfläche (3, 17).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kontaktfläche (3, 17) auf der ersten Seite (2) des Substrats (6) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (6) ein Halbleitermaterial und/oder ein Glas und/oder ein Metall und/oder ein keramisches Material und/oder ein piezoelektrisches Material und/oder einen Kunststoff und/oder einen Verbundwerkstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Strukturierens der Auflage (19).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Strukturierens den Schritt des Einfügens zumindest einer eine Kavität (21) und/oder einer eine Durchgangsöffnung (29) bildenden Struktur umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens zumindest eines Grabens, insbesondere einer V-Nut umfaßt, wobei der Graben sich vorzugsweise in einer Richtung entlang der Oberfläche der Auflage erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens einer mechanischen Passung (31) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die mechanische Passung (31) für die Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere eines Wellenleiters und/oder einer optischen Linse (33) und/oder eines Prismas geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage (19) den Schritt des Herstellens einer Auflage umfaßt, welche optische Komponenten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Herstellens einer Auflage (19), welche optische Komponenten aufweist, den Schritt des Herstellens von optischen Linsen und/oder Gittern umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der Schritt des Strukturierens der Auflage den Schritt des Herstellens eines Abstandhalters, insbesondere für zumindest ein optisches Element und/oder zumindest eine weitere Auflage umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei der Schritt des Herstellens einer strukturierten Auflage den Schritt des Herstellens einer Aufnahme, insbesondere für Fluide und/oder optische Elemente und/oder piezoelektrische Elemente und/oder mikromechanische Elemente und/oder elektronische Bauelemente umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch den Schritt des Einfügens zumindest eines lichtleitenden und/oder fluidleitenden und/oder wärmeleitenden Kanals in das Substrat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens einer Lötperle (23) auf den zumindest einen leitenden Kanal (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch den Schritt des Befestigens zumindest eines weiteren Substrats an dem Substrat (6), welches insbesondere integrierte Halbleiter-Schaltungsanordnungen und/oder MEMS-Elemente umfaßt.
Mikro-elektromechanisches Bauelement (27), welches ein Substrat (6) mit einer ersten Seite (2) und einer der ersten Seite (2) im Wesentlichen gegenüberliegenden zweiten Seite (4), aufweist, wobei zumindest die erste Seite wenigstens ein mikro-elektromechanisches Element (5) umfaßt und zumindest einen elektrisch leitenden Kanal (8) aufweist, welcher die erste (2) und die zweite Seite (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ausgedünnt ist und der zumindest eine elektrisch leitende Kanal (8) von der zweiten Seite (4) des Substrats (6) eingefügt ist.
Bauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflage (19) zumindest ein optisches Element, insbesondere ein Prisma und/oder ein Gitter und/oder eine Linse (5) und/oder einen optischen Filter aufweist.
Bauelement nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) zumindest eine Kavität (21) und/oder eine Durchgangsöffnung (29) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) zumindest eine Passung (31) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Passung (31) zur Aufnahme eines optischen Elements, insbesondere einer Linse (5) und/oder eines Wellenleiters und/oder eines Gitters und/oder eines Prismas geeignet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 29, wobei die Auflage eine Aufnahme aufweist.
Bauelement nach Anspruch 30, wobei die Aufnahme für eine Schaltungsanordnung und/oder eine piezoelektrische Komponente und/oder ein aktives oder passives elektronisches Element angepaßt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) mit dem Substrat (6) verklebt ist, insbesondere mit einem Epoxidharz verklebt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (19) mehrere Schichten (191, 192, 193, 194) aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 33, welches zumindest ein weiteres Substrat (35) umfaßt, wobei das Substrat (6) und das zumindest eine weitere Substrat (35) übereinander angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine weitere Substrat (35) zumindest einen Anschlußkontakt (3) aufweist, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem leitenden Kanal (8) und dem Anschlußkontakt (3) besteht.
Mikro-elektromechanisches Bauelement (27), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 24.