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Die
Erfindung betrifft allgemein das Verpacken von Halbleiter-Bauelementen,
insbesondere das Verpacken von Halbleiter-Bauelementen auf Wafer-Ebene.
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Das
Verpacken von Halbleiter-Bauelementen, wie etwa integrierten Schaltungen
wird verbreitet auf Wafer-Ebene durchgeführt. Dies bedeutet,
daß mehrere Halbleiter-Elemente noch in einem Waferverbund
zusammengefasst sind, während eine vollständige
oder zumindest teilweise Verpackung oder Verkapselung durchgeführt
wird. Nach dem Verpacken oder Verkapseln werden die einzelnen Bauelemente
dann aus dem Wafer herausgetrennt. Vielfach werden dabei bei der
Verkapselung auch Kunststoffe eingesetzt. Beispielsweise kann ein
Kunststoff-Kleber zur Verbindung eines Halbleiter-Wafers mit den
Halbleiter-Bauelementen mit einem Abdeck- oder Trägerwafer
verwendet werden, welcher die aktive Seite der Bauelemente abdeckt
und verkapselt. Ebenfalls können mehrere Halbleiter-Wafer
mit Halbleiter-Schaltungen mit Klebstoffschichten aufeinandergestapelt
werden, um dreidimensionale, beziehungsweise mehrlagige integrierte
Schaltungen zu realisieren.
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Selbst
wenn der Abdeckwafer aber aufgrund seiner Materialeigenschaften
eine hermetische langzeitstabile Verkapselung bewirken kann, besteht
aber hierbei das Problem, daß spätestens nach
dem Abtrennen der einzelnen Bauelemente aus dem Wafer-Stapel die
Klebstoffschicht seitlich freigelegt wird. Organische Kunststoffe
haben aber gegenüber den sonst bei der Fertigung eingesetzten
anorganischen Materialien die Eigenschaft, wesentlich permeabler
für Gase und Feuchtigkeit zu sein. Damit kann entlang der
Klebstoffschicht zwischen dem Decksubstrat und den Halbleiter-Bauelementen
im Laufe der Zeit beispielsweise Feuchtigkeit eindringen, welche
die Eigenschaften des Halbleiter-Bauelements beeinträchtigt.
Auch können die mechanischen Eigenschaften des Verbunds,
wie insbesondere die Haftkraft der Klebstoffschicht durch eindringende Stoffe
negativ beeinflusst werden. So kann der verwendete Kleber durch
eindringende Feuchtigkeit quellen.
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Weiterhin
werden bei der Verpackung von Bauelementen auch Kavitäten
eingesetzt, welche die elektronischen Halbleiter-Schaltungen umgeben.
Solche Kavitäten können beispielsweise der mechanischen
Entkopplung von Decksubstrat und Schaltung dienen, und so den mechanischen
Schutz der Schaltungen verbessern. In solche Kavitäten
kann ein Schutzgas eingeschlossen sein. Bei einer permeablen Verklebung
kann hier beispielsweise nicht nur Feuchtigkeit in die Kavität
eindringen, vielmehr ist es auch möglich, daß das
eingeschlossene Gas im Laufe der Zeit entlang der Verklebung nach
außen entweicht. Dringt Feuchtigkeit in die Kavität
ein, kann sie dort kondensieren und die Leistungsfähigkeit
und/oder Funktion des Bauteils beeinträchtigen. So kann
bei Bildsensoren die Bildqualität verschlechtert oder die
Resonanzfrequenz von Gyroskopen beeinträchtigt werden.
Schließlich kann eindringende Feuchtigkeit auch zu Korrosion
oder ungewünschten anderen Reaktionen führen.
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Der
Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
das Verpacken von Halbleiter-Bauelementen auf Wafer-Ebene zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend
einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Demgemäß sieht
die Erfindung ein Verfahren zur Verpackung von Halbleiter-Bauelementen
bei welchem ein erster Wafer mit einer ersten Seite mit zumindest
einem weiteren Wafer verbunden wird, wobei zumindest einer der Wafer
welcher eine Vielzahl von Halbleiter-Schaltungen aufweist, und wobei
in die zur ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite
des ersten Wafers Gräben eingefügt werden, welche
den ersten Wafer in eine Vielzahl von Teilen auftrennen, welche
durch die Gräben voneinander getrennt, aber über
den zumindest einen weiteren Wafer mechanisch miteinander verbunden
sind, und wobei der Verbindungsbereich zwischen erstem und zumindest
einem weiteren Wafer in den Gräben seitlich freigelegt
ist oder wird, wobei auf die Bereiche der Gräben, in welchen
der Verbindungsbereich freigelegt ist, eine Beschichtung aufgebracht wird,
welche den Verbindungsbereich abdeckt.
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Auf
diese Weise wird ein entsprechendes Zwischenprodukt zur Herstellung
von verpackten Halbleiter-Bauelementen erhalten, bei welchem ein
erster Wafer mit einer ersten Seite mit zumindest einem weiteren Wafer
an einem Verbindungsbereich verbunden ist, wobei zumindest einer
der Wafer eine Vielzahl von Halbleiter-Schaltungen aufweist, und
wobei in die zur ersten Seite gegenüberliegende zweite
Seite des ersten Wafers Gräben eingefügt sind,
welche den ersten Wafer in eine Vielzahl von Teilen auftrennen,
welche durch die Gräben voneinander getrennt, aber über
den zumindest einen weiteren Wafer mechanisch miteinander verbunden
sind, und wobei der Verbindungsbereich zwischen erstem und zweiten
Wafer in den Gräben seitlich freigelegt ist, wobei auf
die Bereiche der Gräben, in welchen der Verbindungsbereich
freigelegt ist, eine Beschichtung angeordnet ist, welche den Verbindungsbereich
abdeckt.
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Das
selektive Aufbringen einer Barrierebeschichtung auf dem Verbindungsbereich
zwischen den beiden Wafern ermöglicht damit allgemein auch
eine höhere Flexibilität in der Wahl der verwendeten
Materialien.
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Die
erste Seite des ersten Wafers ist dabei besonders bevorzugt die
aktive Seite eines Halbleiterwafers mit Halbleiter-Schaltungen,
also die Seite des Wafers, auf welcher sich die Schaltungen der
Bauelemente befinden.
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Im
allgemeinen erfolgt das Einfügen der Gräben nach
dem Verbinden. Es ist aber auch möglich, den ersten Wafer
auf einem weiteren Substrat zu befestigen, dann die Gräben
einzufügen und dann die über den weiteren Wafer
miteinander verbundenen, aber durch Gräben getrennten Teile
des ersten Waferst dann vorzugsweise mittels einer Verbindungsschicht
zu verbinden. Der weitere Wafer kann Bestandteil des Waferverbunds
sein, aus dem die Bauteile herausgetrennt werden. Ebenso kann dieser
weitere Wafer aber auch als Transfer-Unterlage dienen, die nach
dem Befestigen des ersten Wafers, beziehungsweise der daraus hergestellten
Teile auf dem zweiten Wafer wieder entfernt wird.
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Für
viele Anwendungsfälle erfolgt die Beschichtung besonders
bevorzugt selektiv in den Gräben, wobei andere Bereiche
der zweiten Seite des ersten Wafers dementsprechend frei gelassen
werden und der seitlich freigelegte Verbindungsbereich bedeckt wird.
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Besonders
bevorzugt wird ein Material zur Verbindung der beiden Wafer eingesetzt,
so daß sich eine Verbindungsschicht ausbildet. Die Erfindung
kann aber auch auf eine direkte Verbindung der beiden Wafer angewendet
werden. Beispielsweise können Wafer mittels anodischem
Bonden oder einer direkten Verbindung durch das Aufeinanderpressen
aktivierter Oberflächen erfolgen. In diesen Fällen
bildet sich zwar keine ausgeprägte Verbindungsschicht aus,
allerdings kann es vorkommen, daß auch bei einer direkten
Verbindung diese nicht hermetisch ist, so daß zwischen
den Wafern beispielsweise Feuchtigkeit eindringen kann.
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Als
Verbindungsschicht kommt insbesondere eine Kunststoffschicht, beziehungsweise
ein organischer Kleber oder eine Klebstoffschicht in Betracht. Es
hat sich gezeigt, daß die Erfindung aber auch besondere
Vorteile für eine Verbindung mittels einer Sol-Gel-Schicht
aufweist. Sol-Gel-Schichten weisen bereits eine sehr geringe Permeabilität
auf, allerdings können auch diese Schichten unter Einwirkung
von Feuchtigkeit aufquellen oder unter Einwirkung von Basen angegriffen
werden. Weiterhin können auch anorganische poröse Verbindungsschichten,
die sich insbesondere auch mittels eines Sol-Gel-Prozesses herstellen
lassen, eine hohe Permeabilität aufweisen. Auch derartige
Verbindungsschichten, die beispielsweise zur thermischen Entkopplung
der verbundenen Substrate einsetzbar sind, können erfindungsgemäß abgedichtet
und so die Halbleiter-Schaltungen besser geschützt werden.
Weiterhin ist auch eine Verbindung der Wafer mittels Legierungslöten
möglich. Hier kann eine erfindungsgemäße
Beschichtung in den Gräben unter anderem vor Korrosion schützen.
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Neben
Halbleiterwafern mit elektronischen oder optoelektronischen Schaltungen
können erfindungsgemäß weiterhin alternativ
oder zusätzlich auch Wafer verpackt werden, die Mikro-elektromechanische
Komponenten aufweisen.
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Die
Gräben sind insbesondere linienförmige Vertiefungen,
entlang welchen später die Elemente durch Auftrennen entlang
der Gräben vom Verbund mit dem zumindet einen weiteren
Wafer abgetrennt werden können. Die Gräben verlaufen
demgemäß entlang der vorgesehenen Trennbereiche,
die auf dem Gebiet der Halbleiter-Fertigung auch als "Dicing streets"
bekannt sind. Halbleiter-Bauelemente, die mittels Vereinzeln durch Auftrennen
entlang der Gräben des erfindungsgemäßen
Zwischenprodukts herstellbar sind, zeichnen sich demgemäß durch
eine Schicht auf den Seiten des Halbleiter-Substrats mit der Schaltungen
auf, welche den Verbindungsbereich am Übergang zwischen
dem Decksubstrat und dem Halbleiter-Substrat abdeckt.
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Das
Abdecken kann mit einer anorganischen Beschichtung erfolgen. Derartige
Schichten weisen im allgemeinen eine besonders niedrige Permeabilität
auf. Neben solchen anorganischen Beschichtungen können
alternativ oder zusätzlich auch organische Materialien,
insbesondere Polymere zum Einsatz kommen. Eine Weiterbildung der
Erfindung sieht daher vor, daß das Abdecken des seitlich
freigelegten Verbindungsbereiches das Aufbringen einer organischen
Beschichtung, insbesondere einer Polymerschicht umfasst. So kann beispielsweise
eine Klebstoffschicht als Verbindungsschicht mit einem anderen Polymer
seitlich in den Gräben abgedeckt werden, um die Beständigkeit
der Bauteile zu erhöhen. Vielfach wird Epoxydharz zur Verbindung von
Substraten zur Verpackung von Bauelementen eingesetzt. Dieser Kunststoff
weist zwar eine sehr hohe Haftkraft auf, allerdings ist er in gewissem
Maße hygroskopisch und kann unter Einfluss von Feuchtigkeit
quellen. Damit einhergehend kann sich unter anderem auch die Haftkraft
verringern. Um hier eine verbesserte Haltbarkeit der Bauelemente
zu bewirken, kann auch ein anderes Polymer, vorzugsweise selektiv über
der freigelegten oder freiliegenden Verbindungsstelle aufgebracht
werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, oder zumindest
zu verlangsamen.
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Geeignete
Polymere mit guter Barrierewirkung zur erfindungsgemäßen
Verwendung als Abdeckung der freigelegten oder freiliegenden Verbindungsschicht
sind unter anderem BCB (Bisbenzozykloten) oder PI (Polyimid). Weiterhin
sind auch Kunststoffe möglich, die in Vakuum-Beschichtungsprozessen
oder aus der Gasphase abscheidbar sind. So kann eine Abdeckung beispielsweise
mit Parylen oder einer Beschichtung erfolgen, die fluorierte Kohlenwasserstoffen,
wie PTFE (Polytetrafluorethylen) enthält. Beschichtungen
mit fluorierten Kohlenwasserstoffen können beispielsweise
in chemischer Dampfphasenabscheidung aus einem SF6-haltigen
Plasma hergestellt werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
der erste Wafer auf der zweiten Seite nach dem Verbinden, wie beispielsweise
dem Verkleben mit dem zumindest einen weiteren Wafer gedünnt.
Der weitere Wafer dient in diesem Fall nicht nur zur Verpackung,
sondern gleichzeitig auch als Träger für den ersten
Wafer. Der Verbund des ersten mit dem zumindest einen zweite Wafer
sorgt für eine hinreichende mechanische Stabilität
für das Ausdünnen.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn das Aufbringen der Beschichtung, welche
den Verbindungsbereich in den Gräben seitlich abdeckt,
nach dem Ausdünnen erfolgt. Besonders bevorzugt kann insbesondere
auch das Einfügen der Gräben nach dem Ausdünnen
erfolgen. Auf diese Weise kann die Tiefe der Gräben beim
Einfügen entsprechend reduziert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird eine dielektrische Schicht
zur seitlichen Abdeckung des Verbindungsbereichs, wie etwa der Klebstoffschicht
abgeschieden. Beispielsweise kann dazu eine Glasschicht aufgedampft
werden.
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Als
Aufdampfglas zur seitlichen Verkapselung der Klebstoffschicht können
allgemein Borosilikatgläser, insbesondere Gläser
verwendet werden, die folgende Zusammensetzungsbereiche in Gewichtsprozent
aufweisen:
Komponenten | Glasbereich1 | Glasbereich2 |
SiO2 | 75–85 | 65–75 |
B2O3 | 10–15 | 20–30 |
Na2O | 1–5 | 0,1–1 |
Li2O | 0,1–1 | 0,1–1 |
K2O | 0,1–1 | 0,5–5 |
Al2O3 | 1–5 | 0,5–5 |
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Bevorzugte
Aufdampfgläser aus diesen Gruppen sind Gläser
der Firma Schott mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
Komponenten | Glas1 | Glas2 |
SiO2 | 84,1% | 71% |
B2O3 | 11,0% | 26% |
%Na2O | ≈2,0% | 0,5% |
Li2O | ≈0,3% | 0,5% |
K2O | ≈0,3% | 1,0% |
Al2O3 | 0,5% | 1,0% |
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Die
bevorzugt verwendeten Gläser besitzen insbesondere die
in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften:
Eigenschaften | Glas1 | Glas2 |
linearer
Temperaturausdehnungskoeffizient α20-300 [10-6K-1] | 2,75 | 3,2 |
Dichte
(g/cm3) | 2,201 | 2,12 |
Transformationspunkt
[°C] | 562°C | 466°C |
Brechungsindex | nD = 1,469 | 1,465 |
Wasserbeständigkeitklasse
nach ISO 719 | 1 | 2 |
Säurebeständigkeitsklasse
nach DIN 12 116 | 1 | 2 |
Laugenbeständigkeitsklasse
nach DIN 52322 | 2 | 3 |
Dielektrizitätskonstante ε (25°C) | 4,7
(1 MHz) | 3,9
(40 GHz) |
tanδ (25°C) | 45·10–4 (1 MHz) | 26·10–4 (40 GHz) |
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Ebenso
ist alternativ oder zusätzlich auch die Abscheidung einer
dielektrischen Schicht auf den Gräben mittels chemischer
Dampfphasenabscheidung, vorzugsweise mittels plasmaunterstützter,
insbesondere plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung
möglich. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Siliziumoxid-Schichten
abgeschieden werden, indem ein Plasma über der zu beschichtenden
Oberfläche in einer Gasatmosphäre mit einer Siliziumverbindung
gezündet wird. Geeignete Siliziumverbindungen dafür
sind beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan
(TEOS), Silan oder Siliziumchlorid. Auch die Abscheidung von Nitriden
ist mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfphasenabscheidung
zur Abdeckung möglich.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform der Erfindung, die auch mit der
Abscheidung einer dielektrischen Schicht kombiniert werden kann,
wird eine Metallschicht zur Abdeckung des Verbindunsbereiches auf den
Gräben aufgebracht.
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Die
Anzahl der notwendigen Prozeßschritte kann in vorteilhafter
Weise reduziert werden, wenn das Aufbringen der anorganischen Beschichtung
zusammen mit dem Abscheiden einer anderen funktionellen Beschichtung
durchgeführt wird, beziehungsweise, wenn eine funktionelle
Beschichtung gleichzeitig als seitliche Abdeckung für den
Verbindungsbereich in den Gräben verwendet wird. So kann
mit dem Abscheiden einer Metallschicht zur Abdeckung gleichzeitig
eine Metallisierung zur Herstelllung elektrischer Kontakte der Bauelemente
erfolgen. Wird eine dielektrische Schicht, beispielsweise eine Glasschicht
durch Aufdampfen oder eine Oxidschicht mittels plasmaunterstützter
chemischer Dampfphasenabscheidung als Abdeckung abgeschieden, so
kann dieser Schritt gemäß einer anderen, alternativen
oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung gleichzeitig
dazu dienen, eine elektrische Isolationsschicht auf der zweiten
Seite abzuscheiden. Diese Isolationsschicht kann beispielsweise
zur Isolation elektrischer Kontakte oder Leitungen dienen. Je nach
Anordnung kann dabei die Isolationsschicht auf einer elektrisch
leitenden Struktur oder die elektrisch leitende Struktur auf die
Isolationsschicht aufgebracht werden. Auch kann alternativ oder
zusätzlich eine Passivierungsschicht abgeschieden werden.
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Durch
das gleichzeitige Herstellen der Abdeckung für den Verbindungsbereich,
wie insbesondere einer Klebstoffschicht, oder auch einer anorganischen
Sol-Gel-Schicht und einer anderen funktionellen Schicht durch Abscheiden
einer Beschichtung gemäß den beiden vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung stimmt die
Abdeckung in ihrem Aufbau dementsprechend mit der gleichzeitig abgeschiedenen
weiteren funktionellen Schicht überein. Dies kann sich
auf die chemische Zusammensetzung der Schicht, sowie auch auf deren
Morphologie beziehen. Dementsprechend stimmt eine Metallschicht
zur seitlichen Abdeckung des Verbindungsbereichs in ihrem Aufbau
bei gleichzeitigem Aufbringen metallisierter Bereiche zur Herstelllung
elektrischer Kontakte der Schaltungen der Bauelemente überein.
Wird andererseits eine dielektrische Schicht zur seitlichen Abdeckung
des Verbindungsbereichs in den Gräben gleichzeitig mit
einer Isolationsschicht aufgebracht, so entspricht diese dabei in
ihrem Aufbau mit einer auf der zweiten Seite des ersten Wafers angeordneten
Isolationsschicht zur Isolation elektrischer Kontakte.
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Nicht
notwendigerweise bezieht sich die Übereinstimmung im Aufbau
mit einer weiteren funktionellen Schicht aber auf die Schichtdicke.
Wird beispielsweise eine Schicht, sei es eine Metallschicht oder
eine dielektrische Schicht, durch Aufdampfen abgeschieden, so hängt
die Schichtdicke selbstverständlich vom Winkel der Bedampfungsquelle
zur beschichteten Oberfläche ab.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
bei Verwendung einer Verbindungsschicht, wie insbesondere einer
Klebstoffschicht diese in den eingefügten Gräben,
vorzugsweise in deren Bodenbereich zumindest teilweise vor dem Aufbringen
der Beschichtung entfernt, so daß die Verbindungsschicht
im Bodenbereich der eingefügten Gräben zumindest
teilweise fehlt. Damit wird ein seitliches Abdecken des Übergangs
zwischen den beiden verbundenen Substraten ermöglicht.
Anderenfalls würde nach dem Auftrennen des Verbunds wieder
die Verbindungsschicht seitlich freigelegt werden.
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Eine
weitere, alternative oder zusätzliche Möglichkeit
dazu, die Verbindungsschicht seitlich in den Gräben freizulegen,
besteht darin, die Verbindungsschicht lateral strukturiert unter
Aussparung von Bereichen, in welchen die Gräben eingefügt
werden, aufzubringen. Damit fehlt die Verbindungsschicht, wie vorzugsweise eine
Klebstoffschicht – zumindest teilweise – von vorneherein
innerhalb der Bereiche, in welche die Gräben eingefügt
werden.
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Die
Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit einer rückseitigen
Kontaktierung der Halbleiter-Elemente geeignet. Dabei werden elektrische
Kontakte zum Anschluß der Halbleiter-Elemente auf der Rückseite, beziehungsweise
zweiten Seite des Wafersubstrats erzeugt, welche mit elektrischen
Anschlußkontakten auf der ersten Seite verbunden sind.
Um dies zu bewerkstelligen, ist gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, in den ersten
Wafer leitende Vias, beziehungsweise leitende Kanäle durch
das Substrat des ersten Wafers einzufügen, welche quer
zur verbundenen Seite des Wafers, insbesondere senkrecht zur verbundenen
Seite des Wafers verlaufen.
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Vorzugsweise
werden dazu in das Substrat des ersten Wafers Löcher eingefügt,
in welche dann zur Herstellung einer leitenden Verbindung zu einem
Kontakt auf der gegenüberliegenden Seite ein leitendes
Material eingebracht wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn
die Gräben und Löcher in einem gemeinsamen Prozeßschritt
in das Substrat des ersten Wafers eingefügt werden. Vorzugsweise
kann zum Einfügen der Löcher und/oder Gräben
ein geeignetes Ätzverfahren eingesetzt werden, wobei sowohl
Plasmaätzen, als auch Ätzen mittels einer geeigneten Ätzlösung
in Frage kommt. Ebenso kommen mechanische Abtragsverfahren, wie
Schleifen in Frage. Weiterhin ist auch das Einfügen von
Gräben durch lokalen Materialabtrag mittels intensiver
Laserstrahlung möglich. Ein solcher Laserabtrag kann insbesondere
eine Laserverdampfung des Substratmaterials sein. Das Einfügen
der Gräben kann insbesondere vorteilhaft dergestalt erfolgen,
daß die Gräben schräge Seitenwandungen
aufweisen.
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Eine
derartige Querschnittsform, beispielsweise mit trapezförmigem
Querschnitt ist günstig, um beispielsweise nachfolgend
Beschichtungen, wie insbesondere die seitliche Abdeckung der Klebstoffschicht
aufzubringen. Gleiches gilt entsprechend auch für die Löcher
zur Kontaktierung der Schaltungen. Auf die schrägen Wände
lassen sich Beschichtungen mit einer gerichteten Abscheidung, wie
etwa beim Aufdampfen oder Sputtern leichter herstellen, da Abschattungen
der Seitenwände der Gräben und/oder Löcher
bezüglich zur Beschichtungsquelle auf diese Weise vermieden
werden.
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Es
ist weiterhin besonders bevorzugt, daß die Gräben
und/oder Löcher von der zweiten Seite des Substrats des
ersten Wafers her, insbesondere in ein bereits gedünntes
Substrat eingefügt werden. Um den Kontakt herzustellen
ist es insbesondere bei der Variante, bei welcher die Löcher
von der zweiten Seite des Substrats her eingefügt werden,
bevorzugt, daß die Löcher direkt auf Anschlußkontakte
an der ersten Seite des ersten Wafers, beziehungsweise des Substrats
dieses Wafers stoßen, so daß die elektrischen Anschlußkontakte
den Boden der Löcher oder zumindest einen Bodenbereich
bilden.
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Die
Erfindung ist insbesondere auch für das Verpacken optoelektronischer
Bauelemente geeignet. Um derartige Halbleiter-Bauelemente zu verpacken,
ist es weiterhin zweckmäßig, wenn einer der Wafer,
vorzugsweise der zweite Wafer einen Glaswafer umfasst. Bei einem
derartigen Verbund dient der zweite Wafer oder ein weiterer mit
diesem direkt oder mittelbar verbundener Wafer zusätzlich
neben seiner Eigenschaft als Verkapselung und eventuellen Stabilisierung
auch allgemein als Fenster für den Ein- oder Austritt für
zu detektierendes oder emittiertes Licht.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, unerwünschte Diffusionskanäle
an der Verbindungsstelle zwischen zwei Wafern selektiv durch Abscheiden
von Beschichtungsmaterial zu schließen. Gasdurchlässige Verbindungen
können in einer Weiterführung der grundlegenden
Idee aber auch während eines Teils der Verfahrensschritte
für das Verpacken von Halbleiter-Bauelementen auf Wafer-Ebene
durchaus erwünscht sein. Dies betrifft insbesondere die
Verpackung von Halbleiterwafern, wobei der Waferverbund Kavitäten
aufweist. Hier hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt,
wenn eine gasdurchlässige Verbindung während einiger
Prozeßschritte offen gehalten und dann mittels einer Beschichtung,
insbesondere durch selektives Aufbringen von Beschichtungsmaterial
geschlossen wird, um die Kavität hermetisch zu versiegeln.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht daher auch ein Verfahren zur
Verpackung von Bauelementen auf Waferebene, insbesondere gemäß dem
vorstehend beschriebenen Verfahren vor, bei welchem ein erster Wafer
mit einem zweiten Wafer verbunden wird, wobei zumindest einer der
Wafer eine Vielzahl von elektronischen, optoelektronischen und/oder
mikroelektromechanischen Bauelementen aufweist, wobei bei der Verbindung
der beiden Wafer Kavitäten geschaffen werden, welche die
Bauelemente zumindest teilweise umgeben, und wobei die Kavitäten über
gasleitende Kanäle mit der Umgebung kommunizieren und die
gasleitenden Kanäle durch Aufbringen einer Beschichtung
verschlossen werden.
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Damit
wird ein Zwischenprodukt zur Herstellung von verpackten Halbleiter-Bauelementen
erhalten, bei welchem ein erster Wafer mit einem zweiten Wafer verbunden
ist, wobei zumindest einer der Wafer eine Vielzahl von elektronischen,
optoelektronischen und/oder mikroelektromechanischen Bauelementen
aufweist, wobei bei der Verbindung der beiden Wafer Kavitäten
geschaffen sind, welche die Bauelemente zumindest teilweise umgeben,
und wobei von den Kavitäten gasleitende Kanäle
ausgehen, welche durch eine aufgebrachte Beschichtung gegenüber
der Umgebung verschlossen sind. Dieses Zwischenprodukt kann weiterhin
vorteilhaft auch die Merkmale der oben beschriebenen Zwischenprodukte
mit abgedecktem Verbindungsbereich aufweisen.
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Diese
Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es beispielsweise,
an den bereits verbundenen Wafern Vakuumbeschichtungsschritte durchzuführen,
ohne daß sich aufgrund von in der Kavität eingeschlossenem
Gas zur Umgebung eine große Druckdifferenz aufbauen kann.
Andererseits können durch Aufbringen der Beschichtung,
welche die Kanäle abdeckt, im Vakuum auch evakuierte Kavitäten
hergestellt werden.
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Das
Verfahren gemäß dieser Ausführungsform
kann ganz ähnlich zu dem oben beschriebenen Verfahren zur
Verpackung des seitlich freigelegten Verbindungsbereiches der beiden Wafer
durchgeführt werden, wenn Kanäle geschaffen werden,
die seitlich in die Gräben münden und sich vorzugsweise
entlang des Verbindungsbereiches der Wafer erstrecken. Demgemäß ist
wird dieser Weiterbildung der Erfindung ein erster Wafer mit einer
ersten Seite mit zumindest einem weiteren Wafer verbunden, wobei
zumindest einer der Wafer welcher eine Vielzahl von aktiven Elementen,
insbesondere Halbleiter-Schaltungen aufweist, und wobei in die zur
ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des ersten
Wafers Gräben eingefügt werden, welche den ersten
Wafer in eine Vielzahl von Teilen auftrennen, welche durch die Gräben
voneinander getrennt, aber über den zumindest einen weiteren
Wafer mechanisch miteinander verbunden sind, und wobei zumindest
einer der Wafer auf der Seite, mit welcher er mit dem anderen Wafer
verbunden wird, sich entlang der Oberfläche erstreckende
Vertiefungen aufweist, welche nach dem Verbinden der Wafer Kanäle
entlang des Verbindungsbereichs zu den Kavitäten bilden,
und wobei der Verbindungsbereich zwischen erstem und zweiten Wafer
in den Gräben seitlich freigelegt ist oder wird, so daß die
Kanäle seitlich in die Gräben münden.
Auf die Bereiche der Gräben, in welchen der Verbindungsbereich
freigelegt wird, beziehungsweise freigelegt ist, kann dann eine
Beschichtung aufgebracht werden, welche die Kanäle bedeckt
und somit verschließt. Dabei kann selbstverständlich
gleichzeitig auch wieder der Verbindungsbereich mit abgedeckt und
damit verkapselt werden. Das entsprechende Zwischenprodukt weist
demgemäß Kanäle auf, die von den Kavitäten
ausgehen und entlang des Verbindungsbereiches verlaufen und in die
Gräben münden und in den Gräben durch
eine Beschichtung, vorzugsweise wieder eine selektiv aufgebrachte
Beschichtung in den Gräben verschlossen sind.
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Alternativ
dazu, die Kanäle in die Wafer selber einzubringen, ist
es weiterhin auch möglich, die Vertiefungen auf einer Schicht
auf dem Wafer einzubringen. So können die Wafer beispielsweise
auch mittels einer geeigneten Verbindungsschicht verbunden werden,
in welcher die Kanäle eingefügt sind.
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Gemäß einer
weiteren, alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung
dieser Ausführungsform der Erfindung werden in zumindest
einen der Wafer Kanäle durch das Substrat des Wafers eingefügt,
welche quer zum verbundenen Oberflächenbereich verlaufen
und die Kavität mit der Umgebung verbinden, Die Kanäle können
dann später mit der Beschichtung abgedeckt und abgedichtet
werden. Die Kanäle verlaufen demgemäß bei
einem so hergestellten Zwischenprodukt von der Außenseite
eines der Wafer durch das Substrat hindurch zur mit dem anderen
Wafer verbundenen Seite und münden dort in die Kavität.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher Kanäle zu Kavitäten mittels einer
Beschichtung abgedeckt werden, können ansonsten auch alle
Beschichtungsmaterialien und Beschichtungsschritte eingesetzt werden,
welche auch bei der Beschichtung des Verbindungsbereiches zwischen
zwei Wafern eingesetzt werden. Vorzugsweise wird beim Verschließen
der Kavitäten durch die Beschichtung eine kontrollierte
Atmosphäre in den Kavitäten eingeschlossen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher
erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche
oder ähnliche Teile.
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Es
zeigen:
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1 bis 7 erste
Verfahrensschritte zur Herstellung eines Waferverbund-Zwischenerzeugnisses mit
verkapselter Klebstoffschicht,
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8 bis 10 weitere
Verfahrensschritte zur Herstellung eines Waferverbund-Zwischenerzeugnisses
gemäß einer ersten Variante,
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11 ein
durch Abtrennen von dem in 10 gezeigten
Ausführungsbeispiel eines Zwischenerzeugnisses hergestelltes
elektronisches Bauelement,
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12 und 13 weitere
Verfahrensschritte zur Herstellung eines Waferverbund-Zwischenerzeugnisses
gemäß einer zweiten Variante,
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14 ein
durch Abtrennen von dem in 10 gezeigten
Ausführungsbeispiel eines Zwischenerzeugnisses hergestelltes
elektronisches Bauelement, und
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15 eine
Weiterbildung des in 13 gezeigten Ausführungsbeispiels
eines Zwischenerzeugnisses.
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16 bis 21 anhand
schematischer Querschnittansichten und Aufsichten Verfahrensschritte
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher Kavitäten eines Waferverbunds über
Kanäle mit der Umgebung kommunizieren und die Kanäle
zur hermetischen Verkapselung der Kavitäten verschlossen werden,
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22 einen
Waferverbund gemäß einer Variante des in 21 gezeigten
Ausführungsbeispiels, und
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23 bis 26 eine
Variante der Verfahrensschritte, bei welcher vor dem Verbinden zweier
Wafer Gräben eingefügt werden.
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Anhand
von 1 bis 7 wird nachfolgend die Verpackung
von Halbleiter-Bauelementen auf Wafer-Level, beziehungsweise im
Waferverbund beschrieben, an welche sich weitere Verfahrensschritte
zur Herstellung eines Zwischenerzeugnisses mit Gräben für
ein nachfolgendes Abtrennen der Halbleiter-Bauelemente anschließen.
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1 zeigt
dazu im Querschnitt einen ersten Wafer mit Seiten 11, 12 und
einer Vielzahl von Halbleiter-Schaltungen 5. Diese Schaltungen 5 wurden
durch Halbleiter-Fertigungstechnik auf und/oder im Substrat 3 auf
der ersten Seite 11 gefertigt. Derartige Schaltungen können
beispielsweise optoelektronische Schaltungen eines CCD- oder CMOS-Sensors,
insbesondere auch eines Bildsensors sein. Im gezeigten Ausschnitt
des Wafers 1 sind zwei solcher Schaltungen dargestellt.
Die Halbleiter-Schaltungen 5 sind jeweils mit auf der ersten
Seite 11 angeordneten elektrischen Anschlußkontakten 7 verbunden, über
welche im Betrieb beispielsweise die Spannungsversorgung, die Signalzuführung
und der Signalabgriff erfolgt. Der Einfachheit halber ist für jedes
der Halbleiter-Bauelemente 5 nur ein Anschlußkontakt 7 dargestellt.
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Der
Wafer 1 wird nun, wie in 2 dargestellt,
mit seiner ersten Seite 11 mittels einer Verbindungsschicht
in Form einer Klebstoffschicht 15 mit einem zweiten Wafer 13 zur
Verkapselung der Halbleiter-Schaltungen 5 verbunden. Anstelle
einer Klebstoffschicht 13 könnte beispielsweise
auch eine Sol-Gel-Schicht eingesezt werden. Der zweite Wafer 13 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel ein Glaswafer. Glas ist
nicht nur ein Verkapselungsmaterial mit sehr geringer Permeabilität,
sondern ist auch transparent und kann so gleichzeitig als Fenster
für optoelektronische Schaltkreise der Halbleiter-Schaltungen 5 dienen.
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Der
erste Wafer 1 wird nach dem Verkleben, wie in 3 dargestellt,
auf der zweiten Seite 12 gedünnt. Aufgrund der
vorhergehenden Verklebung mit dem weiteren Wafer 13 ist
der Wafer 1 hinreichend stabil, um ein Ausdünnen
des Substrats 3 ohne Bruch oder Beschädigung zu überstehen.
Je nach Anwendung kann ein Ausdünnen auf 300 μm
oder weniger erfolgen. Ein Ausdünnen, beispielsweise ausgehend
von einer üblichen Dicke von etwa 0,5 Millimetern bis auf
Dicken im Bereich von 180 bis 80 Mikrometern gelingt aufgrund der
Unterstützung durch den weiteren Wafer 13 im allgemeinen
ohne Beschädigung. Es können sogar noch geringere Dicken,
beispielsweise bis auf höchstens 40 Mikrometern oder sogar
bis auf 10 Mikrometer durch Ausdünnen des Wafers erzielt
werden. Der Schritt des Ausdünnens ist insbesondere für
die nachfolgenden Schritte der Rückseitenkontaktierung
und dem Einfügen der Gräben in die vorgesehenen
Trennbereiche von Vorteil.
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Die
zweite Seite 12 des gedünnten Substrats wird,
wie in 4 schematisch dargestellt, mit einer Maske 17 beschichtet.
Diese Maske wird vorzugsweise photolithographisch strukturiert.
Beispielsweise kann die Maske eine Photoresist-Schicht sein, deren
Strukturierung in bekannter Weise durch entsprechendes Belichten
und Entwickeln erfolgt. Die Maske 17 wird dabei so strukturiert,
daß die Seite 12 an vorgesehenen linienförmigen
Trennbereichen 21 und Bereichen 19 zum Einfügen
elektrisch leitender Kanäle zur Seite 12 offen liegt.
Die freigelassenen Bereiche 19 sind dabei gegenüberliegend
zu den Anschlußkontakten 7 angeordnet.
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In
einem nachfolgenden Ätzschritt wird der Wafer 1 auf
der Seite 12 einer Ätzprozedur unterzogen, wobei
in den offen liegenden Bereichen 19, 21 Substratmaterial
durch das Ätzen entfernt wird. Dies kann beispielsweise
durch Naßätzen oder Plasmaätzen erfolgen.
Das Ergebnis ist in 5 dargestellt.
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Damit
werden entlang der Trennbereiche 21 verlaufende Gräben 27 eingefügt,
welche den ersten Wafer 1 in eine Vielzahl von Teilen 30 auftrennen,
welche durch die Gräben 27 voneinander getrennt,
aber über den zumindest einen weiteren Wafer 13 mechanisch
miteinander verbunden sind. Zusätzlich entstehen durch das Ätzen
Löcher 25 durch das gedünnte Substrat 1.
Diese Löcher 25 stoßen dabei direkt auf
die Anschlußkontakte 7 auf der ersten Seite 11 des
ersten Wafers 1. Dementsprechend bilden die Anschlußkontakte 7 den Boden
dieser Löcher 25. Nach dem Ätzen kann
die Maske 17 dann entfernt werden. Vorzugsweise werden sowohl
die Löcher 25, als auch die Gräben 27 in
einem gemeinsamen Ätzschritt eingefügt. Dabei
wird weiterhin bevorzugt ein Ätzprozeß eingesetzt,
welcher, wie schematisch in 5 dargestellt,
Löcher 25 und Gräben 27 mit
schrägen Seitenwandungen 26, beziehungsweise 28 erzeugt.
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6 zeigt
schematisch eine Aufsicht auf die so behandelte Seite 12 des
Waferverbunds. Bei dem in 6 gezeigten
Beispiel weisen die Teile 30, die später zur Herstellung
der elektronischen Bauelemente abgetrennt werden, beispielhaft jeweils
sechs Löcher 25 zur Herstellung quer durch das
Substrat 3 hindurch verlaufender elektrisch leitender Kanäle
auf. Ein realer Waferverbund wird im Unterschied zu der schematischen Darstellung
der 6 jedoch, je nach Größe des
Wafers und der darauf hergestellten elektronischen Bauelemente im
allgemeinen eine wesentlich größere Anzahl an
Teilen 30, beziehungsweise Trenngräben 27 aufweisen.
Die Gräben 27 verlaufen geradlinig von Rand zu
Rand, um das spätere Abtrennen der Bauelemente, beispielsweise
mit einer Säge zu erleichtern.
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Nachfolgend
wird, wie in 7 dargestellt, die Klebstoffschicht 15 in
den eingefügten Gräben 27 in deren Bodenbereich
entfernt, so daß die Klebstoffschicht 15 seitlich
in einem Bereich 150 der Wände der Gräben 27 zugänglich
ist. Außerdem wird dabei entsprechend die vorher von der
Klebstoffschicht 15 bedeckte, mit dem ersten Wafer 1 verklebte
Seite des Wafers 13 im Bodenbereich freigelegt. Das Entfernen
der Klebstoffschicht 15 im Bodenbereich der Gräben 27 kann
allgemein beispielsweise durch Anwendung eines geeigneten Lösemittels,
durch eine Plasmabehandlung oder auch durch Abtrag mittels eines
Lasers erfolgen.
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Anhand
der 8 bis 10 wird nachfolgend ausgehend
von der in 7 gezeigten Fertigungsstufe eine
erste Variante zur Herstellung eines Zwischenprodukts mit im Waferverbund
verpackten Halbleiter-Bauelementen erläutert. Nachdem wie
in 7 gezeigt, die Klebstoffschicht im Bodenbereich
der Gräben 27 entfernt wurde, kann die zweite
Seite 12 des ersten Wafers 1, wie in 8 dargestellt,
mit einer Passivierungs- und/oder Isolationsschicht 32 versehen
werden. Dies kann beispielsweise durch Oxidation des Substratmaterials
an der Oberfläche der Seite 12 des ersten Wafers 1,
vorzugsweise aber durch Abscheidung einer Schicht, wie etwa einer
Oxidschicht erfolgen. Bevorzugtes Verfahren ist dabei chemische
Dampfphasenabscheidung, insbesondere plasmaunterstützte
chemische Dampfphasenabscheidung. Die Seite 12 wird weiterhin
wieder mit einer Maske 17 versehen. Die Maske 17,
vorzugsweise wieder eine photolithographisch strukturierte Photoresist-Schicht
läßt sowohl die Löcher 25, als
auch die Gräben 27 offen.
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Anschließend
wird, wie in 9 gezeigt, eine Metallschicht 34 auf
der Seite 12 abgeschieden. Diese Metallschicht 34 bedeckt
dementsprechend sowohl die Maske 17, als auch die Gräben 27 und
Löcher 25. Eine Bedeckung der Seitenwandungen 28 und 26 der
Gräben 27 und Löcher 25 wird
dadurch ermöglicht, daß die Seitenwandungen 28 und 26,
beispielsweise aufgrund des Ätzprozesses schräg
verlaufen, so daß eine Bedampfungs- oder Sputterquelle
zum Abscheiden der Schicht 34 nicht abgeschattet wird,
oder die Wandungen unter einem Einfallswinkel im Bereich um 90° trifft.
Durch die Metallisierung werden außerdem auch die Bereiche 150 der
Grabenwandungen 28 mit bedeckt, so daß die seitlich
in den Gräben 27 freigelegte Klebstoffschicht 15 mit
abgedeckt wird.
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Anschließend
wird, die Maske 17 entfernt, wobei damit auch die Bereiche
der Metallschicht 34, welche die Maske bedecken, mit abgehoben
und entfernt werden. Das Ergebnis zeigt 10. Aufgrund
der lateralen Struktur der Maske 17 ist nun eine Metallschicht 34 selektiv
in den Gräben 27 und Löchern 25 abgeschieden. Die
Metallschicht 34 bedeckt insbesondere auch den Boden der
Löcher 25, welcher durch die Anschlußkontakte 7 auf
der ersten Seite 11 des Wafers 1 gebildet werden.
Auf diese Weise werden leitende Kanäle 250 durch
das Substrat 3 des ersten Wafers 1 erzeugt, welche
quer zur verklebten Seite 11 des Wafers 1, insbesondere
senkrecht zur verklebten Seite des Wafers 1 verlaufen und
direkt an die Anschlußkontakte 7 der Halbleiter-Bauelemente
anschließen.
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Alternativ
ist entsprechend dem üblichen Prozeß zur Herstellung
strukturierter Metallschichten auch eine ganzflächige Metallisierung
und nachfolgende Strukturierung durch Aufbringen einer Maske, beispielsweise
einem Photoresist, und selektivem Entfernen der von der Maske freigelassenen
Bereiche der Metallschicht 34 möglich.
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10 zeigt
außerdem das so erhaltene Zwischenerzeugnis nach einigen
weiteren beispielhaften Verarbeitungsschritten. Die Kanäle 250 werden
zusätzlich mit einem leitenden Material 36 aufgefüllt,
um die Kanäle 250 besser elektrisch kontaktieren
zu können. Beispielsweise eignet sich dazu ein leitendes
Epoxid. Außerdem wurden Lötperlen 38 auf
die Kanäle aufgeschmolzen. Auf diese Weise können
die vom Waferverbund dann entlang der Gräben 27 abgetrennten
elektronischen Bauelemente dann direkt mit einem Leiter-Substrat,
beispielsweise einer dafür vorgesehenen Platine verlötet
werden.
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In 11 ist
schließlich ein elektronisches Bauelement 50 dargestellt,
wie es aus dem in 10 gezeigten Zwischenerzeugnis
durch Abtrennen entlang der Gräben 27 erhältlich
ist. Die Bauelemente 50 werden dabei vorzugsweise mit einem
Sägeblatt, welches möglichst mittig entlang der
Gräben 27 geführt wird, vom Waferverbund
des Zwischenerzeugnisses gemäß 10 abgetrennt.
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Wie
anhand von 11 zu erkennen ist, wird dabei
dann ein bereits vollständig gekapseltes Bauelement 50 erhalten,
so daß weitere Verkapselungsschritte entfallen können.
Insbesondere ist das Substrat 3 des Halbleiter-Bauelements
dabei auch vollständig mit anorganischen Materialien verkapselt,
beziehungsweise von anorganischen Materialien umschlossen. Die vorderseitige
Verkapselung wird dabei durch ein aus dem Wafer 13 beim
Abtrennen hervorgegangenes Glassubstrat 130 bewerkstelligt.
Die rückseitige Verkapselung erfolgt durch die Passivierungsschicht 32.
Insbesondere ist aber auch der Kleber der Klebstoffschicht 15 am Übergang
zwischen den Substraten 3 und 130 seitlich durch
die Metallschicht 34 abgedeckt, so daß der Eintritt von
Feuchtigkeit oder Sauerstoff seitlich entlang der Klebstoffschicht 15 verhindert,
oder zumindest stark reduziert wird.
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Anhand
der 12 und 13 wird
nachfolgend eine Variante der Verfahrensschritte gemäß den 8 bis 11 erläutert. 12 zeigt
den Waferverbund mit den verklebten Wafern 1 und 13,
welcher entsprechend den anhand der 1 bis 7 erläuterten
Verfahrensschritten hergestellt wurde. Außerdem wurde wie
bei 8 eine Passivierungsschicht 32 auf der
Seite 12 des Wafers, sowie in den Gräben 27 und
Löchern 25 erzeugt. Auf der Seite 12 des
ersten Wafers 1 wurden außerdem metallische Kontaktflächen 42 erzeugt. Ähnlich
wie anhand der 8 bis 10 beschrieben,
wurde eine strukturierte Metallschicht 34 abgeschieden.
Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel
werden mit der Metallschicht 34 zusätzlich Leiter 40 auf
der Seite 12 definiert, welche die durch die Metallisierung
der Löcher 25 erhaltenen leitenden Kanäle 250 und
damit die Anschlußkontakte 7 mit den Kontaktflächen 42 elektrisch
verbinden. Durch die Leiter 40 wird demgemäß eine
Umverlegung der rückseitigen Anschlüsse bewerkstelligt.
Dies ist beispielsweise günstig, um die Anschlußkontakte
besser auf der Rückseite verteilen zu können,
etwa, wenn eine große Anzahl von Kontaktierungen herzustellen
ist und/oder die Teile 30, beziehungsweise die elektronischen
Bauelemente verhältnismäßig klein sind.
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Um
die Leiter 40 und die leitenden Kanäle 25 in
den Löchern zur Unterseite hin zu isolieren, wird nachfolgend,
wie in 13 gezeigt, eine dielektrische
Isolationsschicht 45 auf der zweiten Seite 12 des
ersten Wafers 1 abgeschieden, welche gleichzeitig auch
die Gräben 27 und insbesondere die seitlich in
den Gräben freigelegte Klebstoffschicht 15 bedeckt.
Auch diese Schicht 45 wird strukturiert aufgebracht, wobei
die Kontaktflächen 42 für die elektrische
Kontaktierung nicht bedeckt werden. Die dielektrische Isolationsschicht 45 kann
beispielsweise durch Aufdampfen einer Glasschicht, vorzugsweise
mittels Elektronenstrahlverdampfung eines Glastargets hergestellt
werden.
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Um
das Zwischenerzeugnis für die spätere Vereinzelung
derart vorzubereiten, daß bereits fertig verkapselte elektronische
Bauelemente mit dem Abtrennen vom Waferverbund erhalten werden,
können noch, ebenso wie bei dem in 10 gezeigten
Beispiel Lötperlen 36 auf die Kontaktflächen 42 aufgebracht
werden.
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In 14 ist
ein elektronisches Bauelement 50 dargestellt, wie es durch
Abtrennen, insbesondere Sägen entlang der Gräben 27 des
in 13 gezeigten Zwischenprodukts erhalten werden
kann. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist, ähnlich
wie bei dem in 11 gezeigten elektronischen
Bauelement 50 das Substrat 3 mit der Halbleiter-Schaltung 5 vollständig
von anorganischem Material zur Verkapselung umgeben. Insbesondere
ist die Klebstoffschicht 15 zwischen den Substraten 1 und 130 von
der dielektrischen Schicht 45, ebenso wie die Seite 12 des Substrats 3 abgedeckt,
so daß auch seitlich entlang der Kunststoffschicht des Klebers
keine schädlichen Atmosphärenbestandteile eindringen
können.
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15 zeigt
eine Weiterbildung des in 13 gezeigten
Ausführungsbeispiels eines Zwischenerzeugnisses. Bei dieser
Weiterbildung ergeben sich besondere Vorteile durch die seitliche
Abdeckung der Klebstoffschicht 15 durch eine anorganische
Beschichtung. Im Unterschied zu den vorangegangenen Beispielen ist
der erste Wafer 1 hier mit einem Verbund mit zwei Wafern 13 und 14 verklebt.
Der mit dem ersten Wafer 1 verklebte Wafer 14 weist
hier Aussparungen 16 auf. Durch die Verbindung mit dem
Wafer 13 und der aktiven Seite 11 des ersten Wafers
werden geschlossene Hohlräume 18 geschaffen, welche
von der aktiven Seite 11 des ersten Wafers, insbesondere
den Bereichen mit den Schaltungen 5 dieses Wafers 1 begrenzt
werden. Der mit dem Wafer 14 verbundene Wafer 13 weist
hier beispielhaft noch optische Elemente 132 in Form von
Linsen auf. Der Wafer 14 dient hier als Abstandhalter,
um den Abstand zwischen den Linsen 132 und der Schaltung an
die Brennweite der Linsen anzupassen. Die Klebstoffschicht 15 ist
hier außerdem so strukturiert, daß sie die Schaltungen 5,
oder zumindest deren optisch aktive Elemente nicht bedeckt. Hier
verhindert die Abdeckung der Klebstoffschicht in den Gräben 27,
daß Feuchtigkeit seitlich durch die Klebstoffschicht 15 in
die Hohlräume 18 gelangen kann. Hier könnten
nicht nur die Schaltungen 5 selbst, sondern auch die optischen
Eigenschaften der Anordnung durch kondensierende Feuchtigkeit sehr
nachteilig gestört werden.
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Anhand
der 16 bis 21 werden
im folgenden anhand schematischer Ansichten Verfahrensschritte dargestellt,
bei welchen ein erster Wafer mit einem zweiten Wafer verbunden wird,
wobei zumindest einer der Wafer eine Vielzahl von elektronischen,
optoelektronischen und/oder mikroelektromechanischen Bauelementen
aufweist, und wobei bei der Verbindung der beiden Wafer Kavitäten
geschaffen werden, welche die Bauelemente zumindest teilweise umgeben
und über gasleitende Kanäle mit der Umgebung kommunizieren.
Die gasleitenden Kanäle werden dann durch Aufbringen einer
Beschichtung verschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die gasleitenden Kanäle insbesondere entlang
des Verbindungsbereiches und münden seitlich in den Gräben. Ähnlich
wie bei dem anhand der 1 bis 10 beschriebenen Verfahren
wird dann der Verbindungsbereich seitlich in den Gräben
abgedeckt, wobei gleichzeitig die Kanäle verschlossen werden. 16 zeigt
dazu einen Verbund aus einem ersten Wafer 1 und eine zweiten
Wafer 13. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist
der Wafer 1 neben Halbleiter-Schaltungen 5 auch
noch mikro-elektromechanische Elemente 6 auf. Der zweite
Wafer 13 ist auf der Seite, mit welcher er mit dem ersten
Wafer 1 verbunden ist, strukturiert. Im speziellen weist
dabei der Wafer 13 Vertiefungen 47 und 48 auf.
Die Vertiefungen 47 bilden dabei im Verbund mit dem ersten
Wafer 1 Kavitäten, beziehungsweise Hohlräume 18,
welche die Halbleiter-Schaltungen 5 und mikro-elektromechanischen
Elemente 6 umschließen. Die langgestreckten, rillen-
oder nutartigen Vertiefungen 48 erstrecken sich entlang
des Verbindungsbereiches mit der Klebstoffschicht 15 und
schließen an die Vertiefungen 47 an.
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17 zeigt
zur Verdeutlichung eine Aufsicht auf die Seite des zweiten Wafers 13,
die mit dem ersten Wafer 1 verbunden wird. Die Vertiefungen 48 enden
bei dem in dieser Abbildung gezeigten Beispiel jeweils vor einer
benachbarten Vertiefung 47. Ebenso können die
Vertiefungen 48, anders als in 17 gezeigt,
jeweils Vertiefungen 47 verbinden und ein Raster sich über
die Waferoberfläche erstreckender linienförmiger
Vertiefungen bilden, wie es in der Variante gemäß 18 gezeigt
ist.
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19 zeigt
den Waferverbund mit den Wafern 1 und 13 nach
dem Ausdünnen des Wafers 1 und dem Einfügen
der Löcher 25 zur Kontaktierung der Anschlußkontakte 7 und
Gräben 27. Ähnlich wie bei dem in 7 gezeigten
Ausführungsbeispiel wurde die Klebstoffschicht 15 im
Bodenbereich der Gräben 27 entfernt. Die Gräben 27 sind
so eingefügt, daß sie auf die Vertiefungen 48 stoßen.
Diese langgestreckten Vertiefungen 48 bilden nun gasleitende
Kanäle, die über die eingefügten Gräben 27 mit
der Umgebung kommunizieren um einen Gassaustausch aus der Umgebung
von und in die durch die Vertiefungen 47 gebildeten Kavitäten
zu ermöglichen.
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In 20 ist
der Waferverbund nach einer Weiterverarbeitung dargestellt, wie
sie ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der 12 vorgenommen
werden kann. Auf die gedünnte Seite 12 des ersten
Wafers 1 wurde eine Passivierungs- und/oder Isolationsschicht 32 abgeschieden.
Zusätzlich wurde auf dieser Seite eine strukturierte Metallschicht 34 auf
die Wandungen der Löcher 25 aufgebracht. Die Bereiche
der Metallschicht erstrecken sich auch teilweise entlang der Seite 12 und
bilden metallische Anschlußkontakte auf der Seite 12, die über
die Schicht 34 mit den Anschlußkontakten 7 auf
der Seite 11 des Wafers 1 elektrisch leitend verbunden
sind. Sowohl das Aufbringen der Passivierungs- und/oder Isolationsschicht 32,
als auch die Metallisierung zur Herstellung der strukturierten Metallschicht 34 sind
bevorzugt Vakuumabscheideprozesse. Beispielsweise kann die Passivierungsschicht 34 mittels
plasmaunterstützer chemischer Dampfphasenabscheidung und
die Metallschicht 34 durch Aufdampfen oder Aufsputtern
hergestellt werden. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil, daß sich
auch im Vakuum kein Druckunterschied zwischen den Kavitäten
und der Umgebung aufbauen kann, da das in den Kavitäten
eingeschlossene Gas beim Evakuieren der Umgebung des Waferverbunds durch
die von den Vertiefungen 48 gebildeten Kanäle
in die Gräben hinein entweichen kann.
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Nach
Abschluß der Vakuumbeschichtungsschritte kann dann, wie
in 21 dargestellt ist, selektiv eine Beschichtung 46 aufgebracht
werden, welche sowohl die seitlich in den Gräben 27 freigelegte
Klebstoffschicht 15, als auch die Öffnungen der
durch die Vertiefungen 48 gebildeten Kanäle zu
den Kavitäten abdeckt und versiegelt. Beispielsweise kann
dazu ein geeigneter Kunststoff verwendet werden, wobei vorzugsweise ein
Kunststoff mit einer höheren Barrierewirkung verglichen
mit dem Kunststoff der Klebstoffschicht 15 verwendet wird.
Wird beispielsweise Epoxidharz als Kleber verwendet, können
Kunststoffe wie Polyimid oder BCB zur Abdeckung als Material der
selektiv aufgebrachten Schicht 46 eingesetzt werden. Das
Aufbringen des Beschichtungsmaterials kann dabei in einer Schutzgasatmosphäre
erfolgen, die dann auch in den Kavitäten eingeschlossen
wird.
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Es
können sich dann auch noch weitere Verfahrensschritte für
das Verpacken auf Waferebene anschließen, wie etwa das
ebenfalls beispielhaft in 21 gezeigte
Aufbringen einer Isolationsschicht 45 auf der Seite 12 und
von Lotkugeln 36 auf von der Isolationsschicht 45 freigehaltene
Bereiche der Metallschicht 34.
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22 zeigt
eine Variante des in 21 dargestellten Ausführungsbeispiels
eines Waferverbund-Zwischenprodukts zur Herstellung elektronischer,
optoelektronischer oder mikroelektromechanischer Bauelemente. Bei
dieser Variante verlaufen die Verbindungskanäle nicht entlang
des Verbindungsbereiches der beiden Wafer 1, 13 und
münden in eingefügte Gräben 27,
sondern es werden Kanäle 29 durch das Substrat 3 des Wafers 1 eingefügt,
welche quer zum verbundenen Oberflächenbereich verlaufen
und die Kavitäten mit der Umgebung verbinden, wobei die
Kanäle 29 selektiv mit einer Beschichtung abgedeckt
und damit versiegelt werden. Die Kanäle 29 können
beispielsweise zusammen mit den Löchern 25 für
die Kontatkierung der Bauelemente und den Gräben 27 eingefügt
werden. Zur Abdeckung der Klebstoffschicht 15 und zum Verschluß 25 wird
bei dem in 22 gezeigten Beispiel eine Isolationsschicht 45 aufgetragen,
welche gleichzeitig auch die Seite 12, insbesondere dabei
auch die Metallschicht 34 elektrisch nach außen
hin isoliert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen
nicht zwangsläufig wie bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen die Schritte des Verbindens der beiden
Wafer und des Einfügens der Gräben in dieser Reihenfolge
hintereinander ausgeführt werden. Vielmehr kann das Auftrennen
in Teile auch vor dem Verbinden der beiden Wafer erfolgen. Hierzu
kann ein Hilfssubstrat verwendet werden, auf welchem ein Wafer befestigt
wird. Dieser Wafer wird dann durch Einfügen von Gräben
in eine Vielzahl von Teilen aufgetrennt, die über das Hilfssubstrat
miteinander verbunden sind. Der so in Teile aufgetrennte, am Hilfssubstrat
befestigte Wafer wird dann mit dem weiteren Wafer verbunden, so
daß wieder ein Waferverbund erhalten wird, bei welchem
der erste Wafer durch Gräben in eine Vielzahl von Teilen
aufgetrennt ist, die am weiteren Wafer befestigt und über
diesen auch wieder miteinander verbunden sind. Nach dem aneinander
Befestigen des ersten und zweiten Wafer kann das Hilfssubstrat dann
wieder entfernt werden. Weiterhin können die Gräben
auch in den Wafer eingefügt werden, welcher mit dem Wafer
mit den Halbleiterschaltungen verbunden wird.
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In
den 23 bis 26 ist
ein Ausführungsbeispiel gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
Zunächst wird, wie in 23 dargestellt,
ein erster Wafer 60 mit Seiten 61, 62 mit
der Seite 62 auf einem Hilfssubstrat 65 befestigt.
Die Befestigung ist dabei lösbar, so daß das Hilfssubstrat 65 später
wieder abgenommen werden kann. Geeignet ist dazu beispielsweise
ein geeigneter Klebstoff, dessen Haftkraft wieder gelöst
werden kann.
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Anschließend
werden, wie in 24 dargestellt, Gräben 27 in
die Seite 61 eingefügt, welche den Wafer 60 in
eine Vielzahl von Teilen auftrennen, die aber über das
Hilfssubstrat miteinander verbunden sind. Der Wafer 60 dient
bei diesem Beispiel als Abdeckung für die Schaltungen eines
Halbleiterwafers und kann beispielsweise ein Glaswafer sein, was
sich insbesondere für die Verpackung optoelektronischer
Bauteile eignet.
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Nach
dem Einfügen der Gräben 27 wird der auf
dem Hilfssubstrat 65 befestigte, in Teile zerteilte Wafer 60 dann
mit einem zweiten Wafer 70 mittels einer Klebstoffschicht 15 verbunden,
so daß die Halbleiter-Schaltungen 5 abgedeckt
werden (25).
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Das
Hilfssubstrat 65 wird anschließend entfernt, so
daß ein Waferverbund erhalten wird, bei welchem der Wafer 60 in
Teile zerteilt ist, die durch die Gräben 27 voneinander
getrennt, aber über den Halbleiter-Wafer 70 miteinander
verbunden sind. Die in den Gräben seitlich freiliegende
Klebstoffschicht 115 wird dann mittels einer selektiven
Beschichtung 57 auf den Gräben seitlich abgedeckt.
Dieser Verarbeitungszustand ist schematisch in 26 dargestellt.
Es können sich nun weitere Verarbeitungsschritte anschließen,
insbesondere um fertig im Waferverbund verpackte Bauteile zu erhalten,
die dann durch Abtrennen vereinzelt werden. So können sich
beispielsweise wieder Verarbeitungsschritte für das rückseitige
Kontaktieren der Schaltungen durch Einfügen leitender Kanäle
durch das Substrat des Halbleiter-Wafers 70 anschließen,
welche die Anschlußkontakte auf der verbundenen Seite mit
der gegenüberliegenden Seite verbinden.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist,
sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden
kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen beispielhaften
Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. So
können etwa die beiden Varianten gemäß den 8 bis 10 und 12 und 13 selbstverständlich
auch in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Demgemäß kann die Klebstoffschicht 15 allgemein
auch mit einer mehrlagigen Abdeckung, etwa mit einer Metallschicht
und einer davor oder danach abgeschiedenen dielektrischen Schicht
verkapselt werden.
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- - ISO 719 [0023]
- - DIN 12 116 [0023]
- - DIN 52322 [0023]