MEMS-Fertigung Das gläserne MEMS

Die Einhäusung von MEMS-Bausteinen ist eine schwierige Aufgabe, weil die mikroskopisch kleinen mechanischen Komponenten auf dem Chip hermetisch zu versiegeln sind, durch diese Schutzschicht aber Wolfram-Drähte geführt werden müssen. Ein neues Verfahren löst dieses Problem der MEMS-Fertigung.

Das deutsch-japanische Joint-Venture, NEC Schott Components (NSC), das auf die Entwicklung von Glas-Metall-Verbindungen für die Halbleiterfertigung spezialisiert ist, hat ein Verfahren zur Herstellung von Glassubstraten mit eingebetteten Metalldurchführungen entwickelt. Bisher wurden die Anschlussdrähte durch einen Dichtring geführt. Bei dieser Technik entstehen jedoch immer wieder Lecks. Bei dem neuen Verfahren mit der Bezeichnung „HermeS“ (abgeleitet von Hermetic Seal) werden die Anschluss-Pins von vornherein in ein Glassubstrat eingebettet. Dabei wird eine Glasmaske in Form eines runden Wafers mit mehreren Tausend Wolfram-Drähten hergestellt. Die Drähte werden dann durch Löten oder Pressen mit den MEMS-Chips auf dem ebenso großen Silizium-Wafer verbunden. Dieser Vorgang kann in einem Schritt durchgeführt werden, das Verfahren ist daher tauglich für die kostengünstige Massenfertigung.

Weil die Metalldurchführungen bei dem HermeS-Verfahren über die ganze Dicke des Glassubstrates verschmolzen sind, treten keine Lecks auf. Die Prüfung der Dichtigkeit mit Helium ergibt hier, dass die Leckrate weniger als 10–9 mbar/s beträgt, dieser Wert bleibt zudem über Jahrzehnte hinweg stabil. Für das Glasssubstrat wird das Material „Borofloat 33“ verwendet, das sich durch eine geringe Dielektrizitätskonstante und eine gute elektrische Isolierung auszeichnet. Die besondere Eigenschaft von Borofloat 33 besteht darin, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bei 300 K (Raumtemperatur) genau so groß ist wie der des Siliziums. Daher kommt es nicht zu Rissen zwischen dem Glassubstrat und dem Silizium.

Das Glassubstrat ist für 4- und 6-Zoll-Wafer erhältlich. Die Wolfram-Drähte müssen einen Mindestdurchmesser von 0,1 mm haben, der Mindestabstand beträgt dann 0,25 mm. Werden dickere Drähte verwendet, muss der Abstand entsprechend größer gewählt werden. Theoretisch sind Substrate mit mehreren 10 000 Metalldurchführungen möglich.

NSC will das Angebot im nächsten Jahr auf 8-Zoll-Substrate erweitern. Mit dann deutlich dünneren Drähten und noch geringeren Abständen eignen sich diese Wafer für hochvolumige industrielle Anwendungen. Da Borofloat 33 durchsichtig ist, können die MEMS auch nach dem „Verpacken“ optisch kontrolliert werden.