DE112011104873T5

DE112011104873T5 - MEMS-Vorrichtung, umfassend eine Under-Bump-Metallisierung

Info

Publication number: DE112011104873T5
Application number: DE112011104873T
Authority: DE
Inventors: Leif Steen Johansen; Jan Tue Ravnkilde
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: WO2012107094A1; JP5797779B2; JP2014507297A; US9369066B2; CN103384639B; CN103384639A; US20140035434A1; DE112011104873B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Vorrichtung, umfassend eine Under-Bump-Metallisierung (UBM (4)), um die Vorrichtung über Flip-Chip-Bonding mit einem Substrat in Kontakt zu bringen. Die UBM (4) ist auf der Oberfläche der MEMS-Vorrichtung und nahe den Ecken der Oberfläche angeordnet. Ferner ist die Form der UBM (4) an die Form der Ecken angepasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Vorrichtung, die eine Under-Bump-Metallisierung (UBM) umfasst. Die UBM wird verwendet, um die Vorrichtung über Flip-Chip-Bonding mit einem Substrat in Kontakt zu bringen.
Beim Flip-Chip-Bonding wird eine MEMS-Vorrichtung mit einem Substrat durch Lötkontaktierhügel („Bumps”) in Kontakt gebracht. Die UBM ist die oberste Metallschicht auf der MEMS-Vorrichtung, die mechanisch und elektrisch stabile Bindungen mit dem Lötkontaktierhügel bildet.
Standardmäßige UBM zum Flip-Chip-Bonding weisen eine kreisförmige Fläche auf. Aufgrund von Schneideinschränkungen bei der Lötkontaktierhügelanordnung reduzieren diese UBM den aktiven Bereich, der für die MEMS-Vorrichtung verwendet werden kann, erheblich. Aufgrund der üblicherweise zerbrechlichen Struktur von MEMS-Vorrichtungen ist die Anwendung von Laser-Dicing für die Trennung solcher Vorrichtungen von einem Wafer, auf dem sie hergestellt wurden, vorteilhaft. Allerdings erfordern die optischen Eigenschaften des Laserstrahls einen recht großen Metallspielraum um die Schneidbahn. Grob gesagt ist ein Metallspielraum von 40% der Siliciumwaferdicke zwischen den UBM-Segmenten von zwei benachbarten MEMS-Vorrichtungen erforderlich. Dementsprechend ist ein Spielraum von grob gesagt 20% der Siliciumwaferdicke zwischen einem UBM-Segment und der Kante einer MEMS-Vorrichtung erforderlich.
Wenn die MEMS-Vorrichtung ein Mikrofon ist, ist auf der Oberfläche der Vorrichtung typischerweise eine Membran angeordnet. Die Membran wird direkt über einer Rückplatte angeordnet, wobei die Membran und die Rückplatte die zwei Elektroden eines Kondensators sind. Soviel Oberfläche wie möglich sollte für die Membran reserviert werden, um die Leistung des MEMS-Mikrofons zu verbessern. Allerdings ist eine bestimmte Fläche erforderlich, damit die UBM eine mechanisch stabile und zuverlässige Bindung erhält.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MEMS-Vorrichtung mit einer UBM bereitzustellen, die eine effizientere Nutzung des Oberflächenraums einer MEMS-Vorrichtung ermöglicht.
Eine MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 stellt eine Lösung für diese Aufgabe bereit. Die abhängigen Ansprüche offenbaren vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Eine MEMS-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine UBM, um die Vorrichtung über Flip-Chip-Bonding mit einem Substrat in Kontakt zu bringen. Die UBM ist auf der Oberfläche der MEMS-Vorrichtung und nahe den Ecken der Oberfläche angeordnet. Die Form der UBM ist an die Form der Ecken angepasst. Auf diese Weise wird kein Oberflächenraum verschwendet.
Unter einer Form, die an die Ecke angepasst ist, ist eine Form zu verstehen, die eine andere als ein Kreis ist. Am meisten bevorzugt sind Formen mit zwei Kanten, die jeweils einer Tangente des Kreises folgen, die parallel zu den Kanten der Oberfläche verläuft, und die die Ecke bilden. Allerdings sind alle Formen, die einen Bereich der Oberfläche zwischen einer virtuellen kreisförmigen UBM und der oben definierten am meisten bevorzugten Form abdecken, möglich. Auf diese Weise wird die Mitte der angepassten UBM näher zur Ecke verschoben und ein Oberflächenbereich, der an die UBM am weitesten von der Ecke entfernt angrenzt, wird eingespart, ohne den UBM-Bereich in Bezug auf eine kreisförmige Referenz-UBM zu verkleinern.
Aufgrund der üblicherweise zerbrechlichen Struktur von MEMS-Vorrichtungen ist die Anwendung von Laser-Dicing für die Trennung solcher Vorrichtungen von einem Wafer, auf dem sie hergestellt wurden, vorteilhaft. Allerdings erfordern die optischen Eigenschaften des Laserstrahls einen recht großen Metallspielraum um die Schneidbahn. Dieser Spielraum definiert einen Mindestabstand zwischen der UBM und der Schneidbahn. Allerdings ist die Anpassung der Form der UBM an die Form der Ecken einer Vorrichtung auch für die Anwendung anderer Schneidverfahren vorteilhaft.
Die Oberfläche der MEMS-Vorrichtung kann einen aktiven Bereich umfassen. Die Form der UBM kann ferner nicht nur an die Form der Ecken, sondern auch an die Form des aktiven Bereichs angepasst werden. In einer Ausführungsform umfasst der aktive Bereich eine Membran, die auf der Oberfläche eines MEMS-Mikrofons und direkt über einer Gegenelektrode angeordnet ist.
Üblicherweise ist die Oberfläche von MEMS-Vorrichtungen rechteckig, wenn sie von Wafern getrennt werden. Dementsprechend ist die UBM ungefähr dreieckig, um in die Ecken einer rechteckigen Oberfläche zu passen. Spezifische Ausführungsformen einer ungefähr dreieckigen UBM sind UBM mit einer Form eines Dreiecks mit gerundeten Ecken oder eine UBM mit der Form eines gleichschenkligen Dreiecks.
Vorzugsweise ist eine Seite der UBM konkav, wenn weitere Elemente auf der Oberfläche der Vorrichtung angeordnet sind. Eine UBM mit einer konkaven Seite belässt mehr Raum für weitere Elemente in der Mitte der Vorrichtung. Die UBM kann der Form des aktiven Teils der MEMS-Vorrichtung mit dem minimal zulässigen vom Design bestimmten Abstand folgen.
Eine UBM ist auf der Oberfläche einer MEMS-Vorrichtung bereitgestellt, um das Inkontaktbringen der MEMS-Vorrichtung über Flip-Chip-Bonding mit einem Substrat zu ermöglichen. Gewöhnlich sind eine andere Metallschicht und/oder eine leitende Schicht unter der UBM angeordnet. Die leitende Schicht kann hochdotierte Polysiliciumschichten umfassen. Der Ausdruck „UBM-Segment” bezieht sich auf alle Metallschichten, d. h. die UBM und darunter liegende Metallschichten sowie andere leitende Schichten. Alle Schichten des UBM-Segments können einen Laserstrahl während des Schneidens behindern, wenn sie zu nahe an der Schneidbahn angeordnet sind. Daher gelten die Einschränkungen für die UBM gleichermaßen für das UBM-Segment. Genauer ist ein Spielraum von grob gesagt 20% der Siliciumwaferdicke zwischen dem UBM-Segment und der Kante einer MEMS-Vorrichtung erforderlich.
Das UBM-Segment kann die gleiche Form wie die UBM haben oder kann die UBM überlappen.
Das UBM-Segment wird typischerweise auf dem Substrat nahe den Ecken der MEMS-Vorrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist die Form des UBM-Segments an die Form der Ecken der Vorrichtung angepasst. Ferner kann die Form des UBM-Segments nicht nur an die Form der Ecken, sondern auch an die Form des aktiven Bereichs angepasst sein. Dementsprechend kann das UBM-Segment ungefähr dreieckig sein und/oder kann eine konkave Seite umfassen.
Die MEMS-Vorrichtung kann vier UBM und jeweils vier UBM-Segmente umfassen, wobei eine dieser UBM oder UBM-Segmente in jeder Ecke der Vorrichtung angeordnet ist. Jede dieser UBM kann an die entsprechende Ecke angepasst sein. Jedoch sind auch MEMS-Vorrichtungen mit anderen Anzahlen von UBM möglich.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
1 einen Abschnitt eines MEMS-Mikrofons gemäß dem Stand der Technik, wobei eine kreisförmige UBM in der Ecke angeordnet ist;
2 einen Abschnitt eines MEMS-Mikrofons, der eine UBM gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 einen Abschnitt eines MEMS-Mikrofons, der eine UBM gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
1 stellt einen Abschnitt eines MEMS-Mikrofons gemäß dem Stand der Technik dar. Die Oberfläche des MEMS-Mikrofons umfasst einen aktiven Teil 1 und eine kreisförmige UBM 2. Der aktive Teil umfasst eine Membran. Die Membran wird direkt über einer Rückplatte angeordnet. Die Rückplatte und die Membran sind zwei Elektroden und bilden einen Kondensator. Durch Überwachen der Kapazität des Kondensators erkennt die Vorrichtung akustische Wellen und kann als ein Mikrofon benutzt werden. Darüber hinaus kann der aktive Teil 1 ferner Elemente umfassen, die in 1 nicht dargestellt sind.
Aufgrund der Schneideinschränkungen muss die UBM 2 einen Mindestabstand a zu den Kanten 3 der Oberfläche aufweisen. Ferner muss die UBM 2 einen Mindestabstand b zu dem aktiven Teil 1 aufweisen.
Aufgrund ihrer Kreisform nimmt die UBM 2 einen relativ großen Bereich des MEMS-Mikrofonchips ein. Da die Form der kreisförmigen UBM 2 nicht an die Form des aktiven Teils 1 oder die Form der Ecken angepasst ist, wird viel Oberflächenraum verschwendet und muss leer bleiben.
2 stellt einen Abschnitt einer Oberfläche eines MEMS-Mikrofons dar, wobei die UBM 4 eine Form aufweist, die an die Ecken und an die Form des aktiven Teils 1 angepasst ist. Dementsprechend ist die UBM 4 ungefähr dreieckig. Der virtuelle kreisförmige Bereich einer bekannten UBM 2 ist nur als Referenz als eine gepunktete Linie dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Größe des aktiven Teils 1 erhöht werden kann, während dennoch ein Mindestabstand b zwischen dem aktiven Teil 1 und der UBM 4 und ein Mindestabstand a zwischen der UBM 4 und den Kanten 3, die an die Ecke angrenzen, bereitgestellt wird.
Das MEMS-Mikrofon ist aus einem Chip hergestellt. Die Form der UBM 4 ist an die Form des Chips angepasst. Typischerweise ist ein Chip rechteckig. Dementsprechend kann die UBM 4 dreieckig sein, sodass sie an die Ecken des Chips angepasst ist.
Die UBM 4, wie in 2 dargestellt, nimmt die gleiche Fläche ein wie die virtuelle kreisförmige UBM 2, die der UBM 2 aus 1 entspricht oder sogar größer sein kann als diese. Dementsprechend ist die Bindung genauso stabil wie für eine kreisförmige UBM 2.
Ferner stellt 3 die zweite Ausführungsform der UBM 4 dar. Hier weist die UBM 4 eine Form auf, die nicht nur an die Ecken angepasst ist, sondern ferner an die Form des aktiven Teils 1 angepasst ist. Dementsprechend ist die Form der UBM 4 konkav, sodass der aktive Teil 1 und die UBM 4 nahezu parallel zueinander sind und einen konstanten Abstand b entlang der gepunkteten Linie zwischen den Punkten P1 und P2 aufweisen. Zwischen P1 und P2 folgt die UBM 4 der Form des aktiven Teils 1 der MEMS-Vorrichtung mit dem minimal zulässigen Ausführungsabstand b.
Die anderen Schichten des UBM-Segments sind in 1 bis 3 nicht dargestellt. Im Allgemeinen umfasst ein UBM-Segment eine UBM 2, 4, mindestens eine darunter liegende Metallschicht und/oder mindestens eine leitende Schicht. Das UBM-Segment kann die gleiche Form wie die UBM 2, 4 haben oder kann die UBM 2, 4 überlappen.
Eine UBM 4 bzw. ein UBM-Segment gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Verwendung von mehr aktiver Oberfläche für das MEMS-Mikrofon und stellen gleichzeitig eine stabile Bindung für ein Substrat bereit. Daher liefert eine UBM 4 bzw. ein UBM-Segment gemäß der vorliegenden Erfindung eine bessere elektroakustische Leistung des Mikrofons.

Claims

MEMS-Vorrichtung, umfassend eine Oberfläche mit einer Under-Bump-Metallisierung (UBM (4)), um die Vorrichtung über Flip-Chip-Bonding mit einem Substrat in Kontakt zu bringen, wobei die UBM (4) auf der Oberfläche der MEMS-Vorrichtung und nahe den Ecken der Oberfläche angeordnet ist, und wobei die Form der UBM (4) an die Form der Ecken angepasst ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der MEMS-Vorrichtung einen aktiven Teil (1) umfasst und die Form der UBM (4) an die Form der Ecken und die Form des aktiven Teils (1) angepasst ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die UBM (4) ungefähr die Form eines Dreiecks aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die UBM (4) die Form eines Dreiecks mit gerundeten Ecken aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die UBM (4) die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Seite der UBM (4) konkav ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung vier UBM (4) umfasst und jeweils eine dieser UBM (4) in jeder Ecke der Oberfläche der Vorrichtung angeordnet ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ein MEMS-Mikrofonchip ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die MEMS-Vorrichtung auf der Oberfläche ein UBM-Segment umfasst, das die UBM (4), mindestens eine darunter liegende Metallschicht und/oder mindestens eine leitende Schicht unter der UBM (4) umfasst, wobei das UBM-Segment nahe den Ecken der MEMS-Vorrichtung angeordnet ist, und wobei die Form des UBM-Segments an die Form der Ecken angepasst ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die leitende Schicht hoch dotiertes Polysilicium umfasst.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Oberfläche der MEMS-Vorrichtung einen aktiven Teil (1) umfasst und die Form des UBM-Segments an die Form der Ecken und die Form des aktiven Teils (1) angepasst ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das UBM-Segment ungefähr die Form eines Dreiecks aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine Seite des UBM-Segments konkav ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Vorrichtung vier UBM-Segmente umfasst und jeweils eines dieser UBM-Segmente in jeder Ecke der Vorrichtung angeordnet ist.