WO2003086956A2

WO2003086956A2 - Verfahren zum herstellen eines gehäuses für einen chip mit einer mikromechanischen struktur

Info

Publication number: WO2003086956A2
Application number: PCT/EP2003/002756
Authority: WO
Inventors: Frank Daeche; Hans-Jörg TIMME
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2003-10-23
Also published as: WO2003086956A3; US20050106785A1; US7011986B2; DE10216267B4; DE10216267A1

Abstract

Bei einem Gehäuseherstellungsverfahren wird eine Basis mit ersten Kontaktelementen mit einer photolithographisch strukturierbaren Schicht versehen, die zum Freilegen der Kontaktelemente strukturiert wird. Ein Chip mit einer mikromechanischen Struktur, die zwischen zweiten Kontaktelementen an dem Chip liegt, wird mit einer photolithographisch strukturierbaren Schicht versehen, welche strukturiert wird, um eine Ausnehmung im Bereich der mikromechanischen Struktur und im Bereich der zweiten Kontaktelemente zu schaffen. Nach dem Zusammenfügen der Basis und des Chips wird die Basis durch Ätzen entfernt.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für einen Chip mit einer mikromechanischen Struktur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für einen Chip mit einer mikromechanischen Struktur.

Chips mit mikromechanischen Strukturen bzw. sogenannte mikromechanische Schaltungen haben einen zunehmend größeren Marktanteil bei Hochfrequenz-Schaltern und Hochfrequenz-Filtern. Einer der Hauptmärkte für derartige Chips mit mikromechanischen Strukturen ist der Mobilfunkmarkt. Ein Chip mit einer mikromechanischen Struktur, der auch als mikromechanische

Schaltung bezeichnet wird, ist eine Halbleitervorrichtung, an deren Oberfläche eine mikromechanische Struktur ausgebildet ist. Für derartige Schaltungen werden eigene Gehäusungstech- niken benötigt, wobei das Gehäuse einen Hohlraum um die mik- romechanische Struktur herum festlegen muß.

Eine im Stand der Technik übliche Vorgehensweise für die Ge- häusung eines Chips mit einer mikromechanischen Struktur besteht darin, aus Keramik bestehende Gehäusungselemente mit einem Hohlraum einzusetzen. Diese Keramikgehäusestrukturen sind für die sich heute ergebenden Technikanforderungeh sowohl zu teuer als auch zu groß. Typische Dimensionen derartiger Keramikgehäuse für einen Chip mit einer mikromechanischen Struktur liegen bei etwa 3 mm x 3 mm x 1,3 mm. Diese Abmes- sungen können mit den üblichen Keramikgehäusetechnologien nicht weiter reduziert werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Her- stellen eines Gehäuses für einen Chip mit einer mikromechanischen Struktur zu schaffen, das nicht länger den kostenmäßigen und größenmäßigen Beschränkungen bekannter Gehäu- sungstechniken unterworfen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2 gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf eine Basis mit ersten Kontaktelementen auf einer ersten Hauptfläche eine erste photolithographisch strukturierbare Schicht innerhalb eines Teilbereichs der Hauptfläche der Basis aufgebracht und photolithographisch strukturiert, um die ersten Kontaktelemente freizulegen. Eine zweite photo- lithographisch strukturierbare Schicht wird auf die Hauptfläche eines Chips mit einer mikromechanischen Struktur aufgebracht, die an der Hauptfläche zwischen zweiten Kontaktelementen angeordnet ist. Durch geeignete photolithographische Strukturierung wird eine von einer Wand umgebene Ausnehmung in der zweiten Schicht gebildet, wobei die zweiten Kontaktelemente freigelegt werden. Sodann werden die Basis und der Chip derart zusammengefügt, daß die Hauptfläche des Chips und die Hauptfläche der Basis einander zugewandt sind und daß jeweils erste und zweite Kontaktelemente miteinander verbunden werden. Abschließend wird die Basis entfernt, um die ersten Kontaktelemente an der freigelegten Hauptfläche der ersten photolithographischen Schicht freizulegen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für einen Chip mit einer mikromechanischen Struktur geschaffen, das zunächst von einer Basis mit ersten Kontaktelementen und einem Plattenelement auf einer Hauptfläche der Basis ausgeht. Ein Chip it einer mikromechanischen Struktur, die an einer Hauptfläche des Chips zwischen zweiten Kontaktelementen angeordnet ist, wird mit einer photolithographischen strukturierbaren Schicht auf zumindest einem Teilbereich der Hauptfläche des Chips versehen. Sodann erfolgt ein photolithographisches Strukturieren dieser Schicht zur Erzeugung einer von einer Wand umgebenen Ausnehmung in der Schicht im Bereich der mikromechanischen Struktur und zum Freilegen der zweiten Kontaktelemente. Anschließen werden die Basis und der Chip der- art zusammengefügt, daß die Hauptfläche des Chips und die

Hauptfläche der Basis einander zugewandt sind, das Plattenelement gegen die Wand anliegt und die Ausnehmung überdeckt und jeweils erste und zweite Kontaktelemente miteinander verbunden werden. Abschließend wird die Basis zum Freilegen der ersten Kontaktelemente entfernt. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das vorzugsweise durch eine großflächige Metallinsel auf der Basis gebildete Plattenelement den späteren "Deckel" der Ausnehmung in der photolithographisch strukturierten Schicht bilden, so daß bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die photolithographisch strukturierbare Schicht auf der Basis entfallen kann, wenngleich es ebenfalls denkbar ist, ^"das Plattenelement mit einer photolithographisch strukturierbaren Schicht zu überdecken, indem nach dem Bereitstellen der Basis mit den ersten Kontaktelementen und dem Plattenelement auf diese eine photolithographisch strukturierbare Schicht aufgebracht wird; ' welche sodann strukturiert wird, um die Kontaktelemente der Basis freizulegen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fign. la bis 1c eine Basis eines Gehäuses bei drei Verfahrensschritten zum Herstellen des Gehäuses;

Fign. 2a bis 2d einen Chip bei vier Verfahrensschritten zur Herstellung des Gehäuses;

Fign. 3a bis 3c die zu einem Gehäuse mit dem Chip zusammengefügte Basis bei drei weiteren Ver- fahrensschritten zum Herstellen des Gehäuses;

Fign. 4a bis 4c Darstellungen der Basis bzw. des Gehäuses bei abgewandelten Ausführungsformen des Verfahrens.

Wie in Fig. la gezeigt ist, wird zunächst eine aus Kupfer bestehende Basis 1 bereitgestellt, auf der Metallinseln 2, 3 ausgebildet sind. Bevorzugt sind die Metallinseln als nickel- plattierte Inseln auf der Kupfer-Basis 1 ausgeführt, welche mit einer Goldplattierung überzogen sind. Die Art der Anordnung dieser Inseln 2, 3 und die Größe dieser Inseln 2, 3 sind so gewählt, daß sie noch zu diskutierenden Kontakthügeln (bumps) an der Unterseite eines Chips entsprechen. Wie in Fig. lb gezeigt ist, wird in einem ersten Verfahrensschritt eine erste photoempfindliche Epoxidschicht 4 auf diejenige Hauptfläche der Basis 1 aufgebracht, an der die Metallinseln 2, 3 angeordnet sind.

Wie in Fig. lc gezeigt ist, wird im nächsten Verfahrensschritt ein photolithographisches Strukturieren der ersten photoempfindlichen Epoxidschicht 4 vorgenommen, um die Metallinseln 2, 3 zumindest an ihrer Oberseite freizulegen. Bei dieser Photolithographie müssen zumindest diejenigen Bereiche der photoempfindlichen ersten Epoxidschicht 4 belichtet werden, so daß sie nach der Entwicklung stehenbleiben, welche dem "aktiven" Bereich um die mikromechanische Struktur des Chips herum nach Zusammenbau des Gehäuses gegenüberliegen.

Die nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 2a bis 2d zu erläuternden Verfahrensschritte werden an dem Chip 5 ausgeführt. Unter dem Begriff "Chip" im Sinne der vorliegenden An- meidung sei jede Halbleitervorrichtung verstanden, an der eine mikromechanische Struktur ausgebildet ist.

Wie in Fig. 2a gezeigt ist, hat der Chip 5 an seiner Unterseite eine mikromechanische Struktur 6, die elektrisch an e- benfalls an der Unterseite des Chips 5 angeordnete Kontakthügel 7, 8 angeschlossen ist. Soweit der bereitgestellte Chip mit der mikromechanischen Struktur diese Kontakthügel 7, 8 noch nicht aufweist, bedarf es der Durchführung eines Metallisierungsverfahrensschrittes zur Erzeugung der unterseitigen^' Kontakthügel 7, 8 ("Underbump-Metallisierung") .

Bei dem in Fig. 2b gezeigten Verfahrensschritt wird eine Beschichtung auf die Oberfläche des Chips 5d(bzw. Halbleiterwa- fers 5) durch Schleuderbeschichtung mit einer photoempfindli- chen Epoxidschicht vorgenommen. Diese Schleuderbeschichtung kann zum Aufbau einer gewünschten Schichtdicke, die die _'Stärke des später zu realisierenden Hohlraumes festlegt, mehrfach wiederholt werden, bis sich eine zweite photoempfindliche E- poxidschicht 9 von der gewünschten Stärke aufgebaut hat.

Wie in Fig. 2c verdeutlicht ist, erfolgt nunmehr ein photolithographisches Strukturieren der zweiten Epoxidschicht 9 zur Erzeugung einer von einer Wand 10 umgebenen Ausnehmung 11 so- wie zum Freilegen der Kontakthügel 7, 8. Die Wand 10 schließt den "aktiven Bereich" um die mikromechanische Stuktur 6 herum ein. Bei einem in Fig. 2d verdeutlichten Verfahrensschritt werden Lotmittelkugeln 12, 13 auf die Kontakthügel (bumps) 7, 8 aufgebracht.

Wie in Fig. 3a gezeigt ist, werden sodann die Basis 1 und der Chip 5 in der Weise zusammengefügt, daß deren erwähnte Hauptflächen einander zugewandt sind und daß jeweils die aneinan- der gegenüberliegenden Metallinseln 2, 3 und Kontakthügel 7, 8 über die Lotmittelkugeln 12, 13 durch Löten oder einen Thermokompressionsprozeß miteinander verbunden werden.

Bei der hier diskutierten ersten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens bildet die Wand 10 zusammen mit der zweiten Epoxidschicht 9 die Ausnehmung 11 in Form eines geschlossenen Hohlraums, der die mikromechanische Struktur 6 umgibt. Bei dem in Fig. 3b gezeigten folgenden Verfahrensschritt wird die soweit erzeugte Struktur mit einer Deck- schicht 14 abgeschlossen. Dieser Verfahrensschritt findet vorzugsweise bei einem erhöhten Temperaturniveau statt, bei dem ein die Deckschicht 14 bildendes- -Kunststoffmaterial verflüssigt ist. Bei dem abschließenden Absenken des Temperaturniveaus kommt es zu einer Kontraktion der Kontaktstrukturen, wodurch die Wand 10 fest an die gegenüberliegende zweite Epoxidschicht 9 angepresst wird.

Bei dem in Fig. 3c gezeigten abschließenden Verfahrensschritt wird die Basis 1 durch einen Kupfer-Ätzprozeß entfernt, wo- durch die Metallinseln 2, 3 an der freigelegten Hauptfläche der ersten Schicht 4 für eine spätere Kontaktierung zugänglich werden. Wie in den Figuren 3a bis 3c verdeutlicht ist, ist es bevorzugt, daß die Metallinseln 2, 3 eine Außenkontur mit Vorsprüngen und Rücksprüngen haben, durch die eine verbesserte Verankerung der ersten Epoxidschicht 4 gegenüber den Metall- inseln 2, 3 erreicht wird, um ein Abrutschen der ersten Epoxidschicht 4 von den Metallinseln 2, 3 bei der Temperaturabsenkung nach dem Abschluß des in Fig. 3b gezeigten Verfahrensschrittes zu verhindern.

Nach Durchführung des unter Bezugnahme auf Fig. 3c beschriebenen Kupferätzschrittes wird vorzugsweise ein Goldplattieren der freigelegten Kontaktbereiche der Metallinseln 2, 3 an der nun freiliegenden Hauptfläche der ersten Epoxidschicht 4 vorgenommen.

Bei dem vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen Verfahren bildet die erste Epoxidschicht 4 den "Deckel" der Ausnehmung 11.

Bei dem nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 4a und 4b zu beschreibenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausnehmung 11 nicht ^"durch die erste Epoxidschicht 4 abgedeckt, sondern durch ein vorzugsweise aus Metall bestehendes Plattenelement. Diejenigen Teile des erfin- dungsgemäßen Verfahrens, die gegenüber dem vorgehend beschriebenen Verfahren unverändert bleiben, sind mit dem' gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß eine erneute Beschreibung dieser Teile entfallen kann.

Wie in Fig. 4a gezeigt ist, beginnt diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Bereitstellen einer Basis 1, die neben der als Kontakt dienenden Metallinsel 3 ein durch eine großflächige Metallinsel gebildetes Plattenelement 15 umfaßt, dessen Abmessungen und Lage so gewählt sind, daß das Plattenelement 15 die die mikromechanische Struktur 6 umfassenden aktiven Bereiche des Chips 5 und somit die Ausnehmung 11 innerhalb der Wand 10 überdeckt. Gleichzeitig kann das Plattenelement 15 zur elektrischen Kontaktierung verwendet werden, wie im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 4b noch weiter verdeutlicht wird.

In Fig. 4b ist der zusammengebaute Zustand des nach den Ver- fahrensschritten gemäß den Figuren 2a bis 2d vorprozessierten Chips 5 mit der Basis 1 gezeigt. Wie hier verdeutlicht wird, werden die vorverarbeiteten Komponenten, nämlich der Chip 5 und die Basis 1 derart zusammengefügt, daß die Hauptfläche des Chips 5, an der die mikromechanische Struktur 6 und die Kontakthügel 7, 8 angeordnet sind, der Hauptfläche der Basis 1 gegenüberliegen, welche die Metallinsel 3 und das Plattenelement 15 umfaßt, so daß die Metallinsel 3 mit dem Kontakthügel 8 über die Lotmittelverbindung 12 und der Kontakthügel 7 mit dem Plattenelement 15 verbunden werden.

Es ist bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, jedoch nicht zwingend, -vor dem Zusammenfügen der Basis und des Chips auf die in Fig. 4a gezeigte Basis eine photolithographisch strukturierbare Epoxidschicht aufzu- schleudern und diese dann so zu strukturieren, daß das Plattenelement 15 und die Metallinsel 3 freigelegt werden. Nach dem Zusammenfügen der genannten Teile gemäß Fig. 4b wird wiederum die Gesamtstruktur mit Kunststoff vergossen, die Kupferbasis 1 weggeätzt und eine Goldplattierung der dann frei- liegenden Kontaktflächen der Metallinsel 3 und des Plattenelements 15 vorgenommen. Eine Variante der vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 4a und 4b beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die zu der in Fig. 4c gezeigten Struktur des Gehäuses führt, wird durch einen zusätzlichen Verfahrensschritt nach Bereitstellen der Basis 1 mit Plattenelement 15 und Metallinsel 3 dadurch erreicht, daß auf die Basis eine photolithographisch strukturierbare Epoxidschicht 16 aufgeschleudert wird, die das Plattenelement 15 überdeckt, woraufhin diese Epoxidschicht derart strukturiert wird, daß lediglich die Me- tallinsel 3 und ein Kontaktierungsbereich 17 des Plattenelements 15 freigelegt werden, während das Plattenelement 15 im Bereich der Ausnehmung 11 und der Wand 10 von der Epoxidschicht 16 bedeckt bleibt.

Bei den oben beschriebenen Verfahren wird von einer aus Kupfer bestehenden Basis ausgegangen. Da die Basis lediglich eine Opferstruktur darstellt, kann anstelle von Kupfer jedes andere leicht entfernbare Material, vorzugsweise ätztechnisch entfernbare Material verwendet werden.

Für die Metallinselnund Kontakthöcker können anstelle der Verwendung von Nickel als Grundmaterial mit Goldplattierung als Überzug beliebige andere Kontaktmaterialien eingesetzt werden.

Bei den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen' bestehen photolithographisch strukturierbare Schichten aus einem photoempfindlichen Epoxidmaterial, das selbst durch Be- lihten bzw. Nicht-Belichten von Teilen des Epoxidmaterials entfernt wird oder stehenbleibt. Gleichfalls ist es jedoch möglich, die photolithographisch strukturierbaren Schichten durch beliebige ätzbare Materialien zu bilden, die mit Photomasken abgedeckt sind. In Abweichung zu den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine Umhüllung der gefertigten Gehäusestruktur mittels Vakuum-Siebdruck oder Umspritzen vorgenommen werden.

Bezugs zeichenliste

1 Basis

2, 3 Metallinseln

4 Erste photoempfindliche Epoxidschicht

Chip

5 Mikromechanische Struktur

7,8 Kontakthügel

9 Zweite photoempfindliche Epoxidschicht

10 Wand

11 Ausnehmung

12, 13 Lotmittelkugeln

14 Deckschicht

15 Plattenelement

16 Epoxidschicht

17 Kontaktierungsbereich

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für einen Chip (5) mit einer mikromechanischen Struktur (6) , mit folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Basis (1) mit ersten Kontaktelementen (2, 3) auf einer Hauptfläche der Basis;

- Aufgeben einer ersten photolithographisch strukturierbaren Schicht (4) auf zumindest einen Teilbereich der Hauptfläche der Basis (1) ;

Photolithographisches Strukturieren der ersten Schicht (4) zum Freilegen der ersten Kontaktelemente (2, 3) ;

Bereitstellen eines Chips (5) mit einer mikromechanischen Struktur (6), die an einer Hauptfläche des Chips (5) zwischen zweiten Kontaktelementen (7, 8) angeordnet ist;

Aufbringen einer zweiten photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) auf zumindest einen Teilbereich der Hauptfläche des Chips (5) ;

- Photolithographisches Strukturieren der zweiten phptoli- thographisch strukturierbaren Schicht (9) zur Erzeugung 'einer von einer Wand (10) umgebenen Ausnehmung (11) in der zweiten photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) im Bereich der mikromechanischen Struktur (6) und zum Freilegen der zweiten Kontaktelemente (7, 8);

Zusammenfügen der Basis (1) und des Chips (5) in der Weise, daß die Hauptfläche des Chips (5) und die Hauptfläche der Basis (1) einander zugewandt sind und jeweils erste und zweite Kontaktelemente (2, 3, 7, 8) miteinander verbunden werden; und

- Entfernen der Basis (1) zum Freilegen der ersten Kontaktelemente (2, 3) an der freigelegten Hauptfläche der ersten photolithographisch strukurierbaren Schicht (4) .

2. Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für einen Chip (5) mit einer mikromechanischen Struktur (6), mit folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Basis (1) mit ersten Kontaktelementen (2, 3) und einem Plattenelement (15) auf einer Hauptflä- ehe der Basis;

Aufbringen einer photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) auf zumindest einen Teilbereich der Hauptfläche des Chips (5) ;

- Photolithographisches Strukturieren der photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) zur "Erzeugung einer' on einer Wand (10) umgebenen Ausnehmung (11) in der photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) im Bereich der mikromechanischen Struktur (6) und zum Freilegen der zweiten Kon- taktelemente (7, 8);

Zusammenfügen der Basis (1) und des Chips (5) in der Weise , daß die Hauptfläche des Chips (5) und die Hauptfläche der Basis (1) einander zugewandt sind, das Plattenelement (15) gegen die Wand (10) anliegt und die Ausnehmung (11) ü- berdeckt und jeweils erste und zweite Kontaktelemente (2, 3, 7, 8) miteinander verbunden werden; und

Entfernen der Basis (1) zum Freilegen der ersten Kontaktelemente (3) .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten Kontaktelemente Metallinseln (2, 3) sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Metallinseln aus gold-plattierten Nickelinseln (2, 3) bestehen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit dem Verfahrensschritt des Aufbringens von Lotmittelkugeln (12, 13) auf die ersten Kontaktelemente (2, 3) vor dem Schritt des Zu- sammenfügens .

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Basis (1) aus einem Metall besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Basis (1) aus Kupfer besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Schritt des Entfernens der Basis (1) ein Wegätzen der Basis umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die photolithographische strukturierbaren Schichten (4, 9) aus einem photoempfindlichen Epoxidharz bestehen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der- Schritt des photolithographischen Strukturierens der auf den Chip (5) aufgebrachten photolithographisch strukturierbaren Schicht (9) derart durchgeführt wird, daß zusätzlich zur Wand (10) Teilbereiche der Schicht, die die zweiten Kontaktelemente (7, 8) umgeben, verbleiben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, nach dem die Teilbereiche der Schicht, die die zweiten Kontaktelemente (7, 8) umgeben, eine verglichen mit der Schichtdicke der Wand (10) reduzierte Dicke haben.