DE4219132A1 - Verfahren zum Herstellen von Silizium/Glas- oder Silizium/Silizium-Verbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Glas/Silizium- oder Silizium/Silizium- Verbindungen unter Anwendung von Bondtechniken.

Beim sogenannten anodischen Bonden wird eine feste Verbin­ dung zwischen einer Glaslage oder -Scheibe und einer Sili­ ziumlage oder -Scheibe durch Anlegen einer elektrischen Spannung im Bereich von etwa 500 V bis 1000 V und einer Auf­ heizung auf z. B. 500°C erzielt. Das Zustandekommen der festen Verbindung wird z. B. durch folgende Modellvorstellung erklärt: durch eine Wanderung von positiv geladenen Natrium­ ionen in Pyrexglas (Natrium-Borosilikatglas) von der Grenz­ fläche weg wird ein Starkes elektrisches Feld erzeugt. Die hierdurch hervorgerufene elektrostatische Anziehung führt schließlich zu einer chemischen Verbindung an der Grenz­ schicht, wodurch eine feste Haftung bewirkt wird (z. B. Heuberger, "Mikromechanik", 1989, Springer-Verlag, Seiten 230 bis 234).

Dabei können sowohl die Siliziumwafer als auch die Glas­ scheiben strukturiert sein. Nach erfolgreicher Verbindung von Siliziumwafer und Glasscheibe werden die Bauteile in Chips zerteilt. Auf diese Weise können feste Verbindungen für eine Reihe unterschiedlicher Bauelemente wie Druck- und Beschleunigungssensoren oder auch Elemente für Mikrosysteme wie Pumpen oder Tintenstrahldrucker hergestellt werden.

Unbedingte Voraussetzung zur Gewinnung der gewünschten Glas- Waferstrukturen ist eine exakte Justierung von Si-Wafer und Glaslage. Diese Justierung wird im allgemeinen zuerst bei Raumtemperatur vorgenommen, wobei anschließend mittels einer mechanischen Einspannvorrichtung die vorgenommene Justierung fixiert und aufgeheizt wird. Dieses Verfahren ist zeitauf­ wendig und umständlich, wirft mechanische Probleme auf und es kann beim Aufheizen der eingespannten Lagen zu thermi­ schen Spannungen kommen. Die Justierung und Fixierung können mit entsprechend größerem Aufwand auch bei erhöhten Tempera­ turen (bis zu etwa 500°C) vorgenommen werden, jedoch gelten hier ähnliche Probleme.

Auch ein alternatives anodisches Bondverfahren, bei dem zwei Siliziumschichten über eine dünne Glaszwischenschicht mit­ einander verbunden werden, erfordert eine vergleichbare Justierung, wobei lediglich die Temperatur- und Spannungs­ werte reduziert sein können.

Beim Si/Si-Fusionsbonden wird die Oberfläche zu verbindender Siliziumwafer zunächst durch Wasser oder wäßrige Lösung hydratisiert, dann werden beide Wafer bei Raumtemperatur justiert und anschließend bei bis zu etwa 200°C leicht aufgeheizt. Die dabei erzielte Haftung ist zwar mäßig, reicht jedoch als vorübergehende Fixierungsmaßnahme aus, bevor im Hochtemperaturprozeß bei über 1000°C unter Wegdif­ fundierung des Hydrats und der Oxidschicht ein gute Haftung erzielt wird. Zwar können durch die Vorfixierung bei 200°C mechanische Einspanneinrichtungen zur Fixierung vermieden werden, jedoch bringt auch bereits die Vorheizung bei immer­ hin bis zu 200°C Probleme mit sich, da gewährleistet sein muß, daß die Justierung vor dem Aufheizen auf 200°C nicht verlorengeht. Eine anschließende Korrektur ist nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besseres Verfahren anzugeben, das bei allen möglichen Bondtechniken für Si/Glas- oder Si/Si-Verbindungen umständliche Fixie­ rungsschritte vermeidet.

Gemäß der im Anspruch 1 angegebenen Lösung wird mit Hilfe einer Laserstrahlung oder einer anderen intensiven Licht­ strahlung an einer oder mehreren Stellen (die punkt- oder streifenförmig sind) eine lokale Anheftung oder Anpunktung zweier Si-Lagen oder einer Si- und einer Glaslage erzielt. Diese Maßnahme reicht für eine zuverlässige Fixierung der Lagen relativ zueinander aus und ist zudem bei Raumtempera­ tur schnell und problemlos durchführbar. Die fixierten Lagen oder Scheiben können dann für die folgenden Hochtemperatur- Bondprozesse vorbereitet (verlagert, ausgerichtet usw.) werden. Die punktuelle oder streifenförmige Vorfixierung stört den anschließend zu erzielenden festen Verbund nicht.

Im Vergleich zu den bisherigen Lösungen, bei denen der feste Verbund beim Bonden örtlich nicht steuerbar ist und es vorkommen kann, daß sich die feste Verbindung von ungünsti­ gen Stellen ausgehend ausbreitet, können durch die erfin­ dungsgemäße Laseranheftung gezielt Bondkeime erzeugt werden, wobei die feste Hochtemperaturverbindung von den als Bond­ keimen wirkenden Anheftungsstellen bzw. -streifen aus wächst.

Wird der Laserstrahl durch eine Glasschicht auf die Grenz­ schicht zwischen Glas und Silizium gerichtet, so kann im sichtbaren Bereich liegende Laserstrahlung eingesetzt wer­ den. Ansonsten wird die Fixierung mit Infrarotlaserstrahlung mit Wellenlängen größer 1 µm vorgenommen (z. B. unter Einsatz von CO- oder CO₂- Lasern).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zur Fixierung bei anodischem Bonden als auch als Maßnahme beim Si/Si-Fusions­ bonden sowie beim Bonden von Si-Lagen mit Glaszwischen­ schicht geeignet.

Liegt eine Grenzschicht Si/Glas vor, so wird zusätzlich eine elektrische Spannung von 500 V bis über etwa 1000 V ange­ legt, wobei beim Bonden mit dünner Glaszwischenschicht einige 100 V ausreichen. Die Haftung wird dann durch die lokale Erwärmung über die Laserstrahlung in Kombination mit der durch die Spannung hervorgerufenen Ionenwanderung er­ zielt.

Beim Si/Si-Fusionsbonden mit "Hydratisierung" kann gegebe­ nenfalls auch spannungsfrei gearbeitet werden, wobei in diesem Fall die lokale Wärmeeinwirkung ausreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine für anodisches Bonden vorberei­ tete Anordnung aus einem Si-Wafer 1 mit jeweils gewünschten Strukturen. Der Si-Wafer 1 ruht auf einer Metallscheibe 2, an die der eine Pol einer Spannungsquelle angelegt ist. Der andere Anschluß befindet sich an einer geeignet geformten Metallelektrode 3, die gegebenenfalls mit Löchern versehen ist und die eine Pyrexglasschicht 4 zum Teil bedeckt. Laser­ licht kann nun bei angelegter Spannung wahlweise durch die Löcher in der Metallelektrode oder den nicht von der Metall­ elektrode bedeckten Glasbereich auf die Si/Glasgrenzschicht gerichtet werden. Beim anschließenden eigentlichen anodi­ schen Bonden bei z. B. etwa 500°C ist die Anordnung dieselbe.

Abgesehen davon, daß gegebenenfalls die Wellenlänge der Laserstrahlung geändert werden muß, wenn statt Glas ein Si- Wafer die oberste Lage der zu verbindenden Lagen bildet, ist eine solche einfache Anordnung auch für die Vorfixierung bei anderen Bondierungsverfahren einsetzbar. Beim oben genannten Fusionsbonden entfallen die Elektroden.

Statt einer Laserstrahlung kann auch z. B. die fokussierte Strahlung einer Xenonlampe genommen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen von Silizium/Glas- oder Sili­ zium/Silizium-Verbindungen unter Anwendung einer Bond­ technik, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer auf die Grenzschicht zwischen Silizium­ lagen oder zwischen Glas- und Siliziumlagen gerichteten Laserstrahlung oder anderen intensiven Lichtstrahlung diese Lagen an einem oder mehreren vorgegebenen Punkten und/oder Streifen miteinander verbunden werden und daß anschließend die derart relativ zueinander fixierten Lagen durch ein an sich bekanntes Hochtemperaturbonden fest miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, daß die Fixierung mittels der Strahlung bei Raumtempera­ tur erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Fixierung mittels der Strahlung eine elektrische Spannung zwischen Glas- und Siliziumlagen angelegt wird, so daß die lokale Verbindung über die Kombination einer lokalen Erwärmung und einer Ionenwanderung hervorgerufen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht zwischen zwei Siliziumlagen vorab in an sich bekannter Weise hydratisiert wird und die Fixie­ rung über die lokale Erwärmung mittels einer Infrarot(Laser)Strahlung erfolgt und anschließend die feste Ver­ bindung über Fusionsbonden bei Temperaturen über 1000°C erzielt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Fixierung ein anodisches Bonden bei hohen Temperaturen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei über eine dünne Glasschicht zu verbindende Sili­ ziumschichten zunächst mittels der Infrarot(laser)strah­ lung fixiert und dann durch anodisches Bonden fest ver­ bunden werden.