DE102014224568A1 - Microelectronic component and corresponding manufacturing method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektronisches Bauelement. Das mikroelektronische Bauteil umfasst zumindest ein Glassubstrat (C1), zumindest einen Durchkontakt (K1), welcher das Glassubstrat (C1) durchläuft, wobei der Durchkontakt (K1) eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren aufweist, die mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllt sind und zumindest zwischen zwei benachbarten Kapillaren (K2) des Durchkontakts (K1) zumindest bereichsweise das Glassubstrat (C1) ausgebildet ist.The invention relates to a microelectronic component. The microelectronic component comprises at least one glass substrate (C1), at least one through contact (K1) which passes through the glass substrate (C1), wherein the through contact (K1) has a plurality of individual capillaries which are filled with an electrically conductive material and at least between two adjacent capillaries (K2) of the through-contact (K1) at least partially the glass substrate (C1) is formed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektronisches Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The present invention relates to a microelectronic device and a corresponding manufacturing method.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl auch beliebige mikroelektronische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegenden Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von Inertialsensoren erläutert.Although any microelectronic components are applicable, the present invention and the problems underlying it are explained by means of inertial sensors.

Die Druckschrift US 2011/0204489 A1 betrifft ein Herstellungsverfahren von Gräben in einem Siliziumsubstrat. The publication US 2011/0204489 A1 relates to a method of producing trenches in a silicon substrate.

Die fortschreitende Funktionsintegration bei mikrosystemtechnisch gefertigten mikroelektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel Inertialsensoren, die insbesondere zusätzliche Druck- und Magnetsensoren aufweisen können, stellen immer größere Anforderungen an die Verbindungstechnik, insbesondere den Schnittstellen, zwischen entsprechenden MEMS (mikroelektromechanisches System)- und/oder ASIC(anwendungsspezifische integrierte Schaltung)-Bauteilen. Hierbei müssen eine steigende Anzahl an elektrischen Kontakten, insbesondere Durchkontakte, bei immer kleineren Bauteilen zwischen einzelnen Sensoren bzw. MEMS- oder ASIC-Bauteile untergebracht werden. Insbesondere auf Seiten der MEMS-Bauteile erfordert dies, zum einen Kontakte zu einer aktiven Sensorschicht, aber auch durch das gesamte mikroelektronische Bauelement, welche eine Vorderseite des mikroelektronischen Bauelements mit einer der Vorderseite abgewandten Rückseite des mikroelektronischen Bauelements verbinden. Ferner müssen diese elektrischen Kontakte immer weiter miniaturisiert werden. Dies hat zur Folge, dass dies zu ungewünschten elektrischen parasitären Kapazitäten führt, welche die elektrische Leistungsfähigkeit des mikroelektronischen Bauelements weiter einschränken können.The progressive functional integration in microelectronic devices manufactured by microsystem technology, such as inertial sensors, which may in particular have additional pressure and magnetic sensors, places ever greater demands on the connection technology, in particular the interfaces, between corresponding MEMS (microelectromechanical system) and / or ASIC (application-specific integrated circuit) components. In this case, an increasing number of electrical contacts, in particular vias, must be accommodated with smaller and smaller components between individual sensors or MEMS or ASIC components. In particular on the part of the MEMS components, this requires, on the one hand, contacts to an active sensor layer, but also through the entire microelectronic component, which connect a front side of the microelectronic component to a rear side of the microelectronic component remote from the front side. Furthermore, these electrical contacts must be miniaturized more and more. As a result, this leads to unwanted electrical parasitic capacitances, which can further limit the electrical performance of the microelectronic device.

Heutzutage wird die Verkappung von kapazitiven Inertialsensoren insbesondere mit frei beweglichen Massen aus einkristallinem Silizium vorgenommen. Da es sich hierbei um ein halbleitendes Material handelt, steigen die parasitären Kapazitäten für die Kontakte bei zunehmender Dichte weiter an. Diesem Problem kann entgegengewirkt werden, sobald man das halbleitende Silizium durch ein isolierendes Glassubstrat ersetzt.Today, the capping of capacitive inertial sensors is carried out in particular with freely movable masses of monocrystalline silicon. Since this is a semiconductive material, the parasitic capacitances for the contacts continue to increase with increasing density. This problem can be counteracted by replacing the semiconducting silicon with an insulating glass substrate.

Ähnliche Anforderungen, Glassubstrate mit Durchkontakten von der Oberseite zur Unterseite finden sich in der Imposertechnologie. Hierbei werden die Durchkontakte in einem Glassubstrat angelegt, wobei die Durchkontakte anschießend mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllt werden. Die hierzu verwendeten Technologien sind beispielsweise Laserablation, Sandstrahlen oder Photostrukturierung der Glassubstrate. Jedoch erreicht man hierbei hinsichtlich eines Durchmesser der Durchkontakte lediglich eine Größenordnung von 30 µm (Mikrometer), bei einem maximalen Aspektverhältnis von 1:10 (Verhältnis Durchmesser zu Tiefe des Durchkontakts). Jedoch sind diese Abmessungen für die Anforderungen an die hier beschriebenen Bauteile zu groß und Durchmesser des Durchkontakts von kleiner 10 µm bei entsprechenden Aspektverhältnissen von kleiner 1:20 erstrebenswert.Similar requirements, glass substrates with through contacts from the top to the bottom can be found in the imposer technology. In this case, the vias are applied in a glass substrate, wherein the vias are anschießend filled with an electrically conductive material. The technologies used for this purpose are, for example, laser ablation, sandblasting or photostructuring of the glass substrates. However, with respect to a diameter of the vias, this achieves only an order of magnitude of 30 μm (micrometers), with a maximum aspect ratio of 1:10 (diameter-to-depth ratio of the via). However, these dimensions are too large for the requirements of the components described here and diameter of the through-contact of less than 10 microns with appropriate aspect ratios of less than 1:20 desirable.

In der Siliziumtechnologie werden Verfahren wie beispielsweise DRIE-Ätzen, welche diese Anforderungen erfüllen, eingesetzt. Jedoch ist ein Übertragen auf das chemisch stabilere Glas kaum zweckdienlich. Insbesondere werden bei dem chemisch stabileren Glas lediglich Ätzraten von maximal 0,5 µm pro Minute erreicht. Bei Silizium hingegen beträgt die Ätzrate circa 50 µm pro Minute. Somit kommt eine Anwendung des DRIE-Ätzens auf Basis eines Glassubstrats aufgrund der zu geringen Ätzrate nicht bevorzugt in Frage.In silicon technology, methods such as DRIE etching that meet these requirements are used. However, transfer to the more chemically stable glass is hardly expedient. In particular, in the chemically stable glass only etching rates of 0.5 microns maximum per minute can be achieved. For silicon, however, the etching rate is about 50 microns per minute. Thus, an application of the DRIE etching based on a glass substrate is not preferred due to the low etching rate.

Zur Herstellung von Gräben in Siliziumsubstraten kann ein nasschemisches Ätzverfahren, das auf einer Verwendung von metallischen Katalysatoren basiert MACE (Metal Assisted Chemical Etching) angewendet werden. For the production of trenches in silicon substrates, a wet-chemical etching process based on the use of metal catalysts MACE (Metal Assisted Chemical Etching) can be applied.

Durch eine Reaktion im Bereich des metallischen Katalysators wird das Siliziumsubstrat elektrochemisch mit Hilfe von Wasserstoffperoxid (H2O2) oxidiert. Das entstehende Oxid wird anschließend in die Lösung überführt und damit sinkt der metallische Katalysator, beispielsweise in Form einer strukturierten Schicht, in das Siliziumsubstrat ein. MACE angewendet an Siliziumsubstraten erreichen Durchkontakte mit einem Durchmesser von circa 1 µm, extreme Aspektverhältnisse von 1:1000 und ausreichend hohen Ätzraten von 50 µm pro Minute.By a reaction in the region of the metallic catalyst, the silicon substrate is electrochemically oxidized by means of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The resulting oxide is then transferred into the solution and thus the metallic catalyst, for example in the form of a structured layer, sinks into the silicon substrate. MACE applied to silicon substrates achieve through-contacts with a diameter of approximately 1 μm, extreme aspect ratios of 1: 1000 and sufficiently high etching rates of 50 μm per minute.

Eine Anpassung des MACE-Verfahrens auf Glassubstrate ist deshalb erstrebenswert, jedoch nicht trivial, da insbesondere bei einem Glassubstrat nicht auf die lokale Oxidation des oben beschriebene Siliziumsubstrats und das nasschemische Auflösen des Oxids zurückgegriffen werden kann. Bei der Verwendung des MACE Prozesses, geeignet für Silizium, würde sich das gesamte Glassubstrat unstrukturiert auflösen.An adaptation of the MACE method to glass substrates is therefore desirable, but not trivial, since it is not possible to resort to the local oxidation of the above-described silicon substrate and the wet-chemical dissolution of the oxide, especially in the case of a glass substrate. When using the MACE process, suitable for silicon, the entire glass substrate would dissolve unstructured.

Eine weitere Herausforderung bei Durchkontakten mit einem elektrisch leitfähigen Material in Glassubstraten sind die unterschiedlichen Temperatur-Ausdehnungs-Koeffizienten des Glassubstrats und des elektrisch leitfähigen Materials. Durchkontakte mit entsprechend großen Durchmessern unterliegen großen mechanischen Spannungen, welche zu einem unvorteilhaften mechanischen Verbiegen der Glassubstratoberfläche und sogar zum Riss und damit zum Versagen der metallischen Durchkontakte führen kann.Another challenge with vias with an electrically conductive material in glass substrates are the different temperature-expansion coefficients of the glass substrate and the electrically conductive material. Through contacts with correspondingly large diameters are subject to great mechanical stresses, which can lead to unfavorable mechanical bending of the glass substrate surface and even to the crack and thus failure of the metallic vias.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft ein mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 6.The invention provides a microelectronic component according to claim 1 and a corresponding manufacturing method according to claim 6.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen kostengünstigen und einfachen Prozess, Glassubstrate anisotrop zu strukturieren. Somit kann eine höhere Integrationsdichte in einem mikroelektronischen Bauelement auf Glassubstratbasis erreicht werden, wobei gleichzeitig elektrische parasitäre Kapazitäten reduziert werden können. Ferner kann eine höhere thermomechanische Stabilität innerhalb des Glassubstrats erzielt werden.The present invention provides a cost effective and simple process for anisotropically patterning glass substrates. Thus, a higher integration density can be achieved in a glass substrate based microelectronic device, while at the same time reducing parasitic electrical capacitances. Furthermore, higher thermomechanical stability can be achieved within the glass substrate.

Es ist eine Idee der vorliegenden Anmeldung, ein auf MACE angelehntes Verfahren auf ein Glassubstrat weiterzuentwickeln und damit Durchkontakte in dem Glassubstrat auszubilden. Ziel des Verfahrens ist es, insbesondere lokal an einem metallischen Katalysator, beispielsweise in Form von Nanopartikeln, das Glassubstrat zu ätzen. Jedoch kann der oben beschriebene Weg über die Oxidation des Siliziums zum Oxid und dann ein Entfernen des Oxids für die gezielte Strukturierung des hier beschriebenen Glassubstrats nicht verwendet werden.It is an idea of the present application to further develop a MACE-based method on a glass substrate and thereby form vias in the glass substrate. The aim of the method is to etch the glass substrate, in particular locally on a metallic catalyst, for example in the form of nanoparticles. However, the above-described way of oxidizing the silicon to the oxide and then removing the oxide can not be used for the targeted patterning of the glass substrate described herein.

Für das Glassubstrat wurde der nasschemische Ätzprozess weiterentwickelt.For the glass substrate, the wet-chemical etching process has been further developed.

Die Idee ist hierbei, eine glasätzende Substanz einer Ätzlösung an einen Träger anzubinden. Der Träger wird an dem metallischen Katalysator elektrochemisch verändert, so dass die glasätzende Substanz der Ätzlösung in Bereichen des metallischen Katalysators freigesetzt wird und das Glassubstrat ätzt. Alternativ kann insbesondere eine zweite Substanz verwendet werden, welche sich an dem metallischen Katalysator elektrochemisch verändert, so dass sie mit der glasätzenden Substanz in Konkurrenz um einen inhibierenden Träger tritt und damit lokal das Glassubstrat ätzt.The idea here is to bond a glass-etching substance of an etching solution to a carrier. The carrier is electrochemically changed on the metallic catalyst, so that the glass-etching substance of the etching solution is released in regions of the metallic catalyst and etches the glass substrate. Alternatively, in particular, a second substance can be used which changes electrochemically on the metallic catalyst so that it competes with the glass-etching substance for an inhibiting carrier and thus locally etches the glass substrate.

Insbesondere umfasst der Durchkontakt eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren, die mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllt sind und zumindest zwischen zwei benachbarten Kapillaren des Durchkontakts zumindest bereichsweise das Glassubstrat ausgebildet ist. Hierdurch können bei sehr kleinen mikroelektronischen Bauelementen beispielsweise parasitäre Kapazitäten vermieden werden, wobei gleichzeitig eine höhere thermomechanische Stabilität gewährleistet werden kann.In particular, the through contact comprises a plurality of individual capillaries, which are filled with an electrically conductive material and at least partially between two adjacent capillaries of the through contact, the glass substrate is formed. As a result, for example, parasitic capacitances can be avoided in the case of very small microelectronic components, wherein a higher thermomechanical stability can be ensured at the same time.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Glassubstrat ein Sensorsubstrat. Insbesondere können mit dem hier beschriebenen Durchkontakt Sensorsubstrate miniaturisiert werden, ohne dass parasitäre Kapazitäten entstehen.According to a preferred development, the glass substrate is a sensor substrate. In particular, sensor substrates can be miniaturized with the via contact described here without resulting in parasitic capacitances.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das mikroelektronische Bauelement eine Mehrzahl von Glassubstraten, wobei das zumindest eine Glassubstrat als das Sensorsubstrat oder als eine Verkappung des Sensorsubstrats fungiert und das Sensorsubstrat und die Verkappung alternierend zueinander gestapelt sind. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine mikroelektronische Bauelementanordnung handeln, die MEMS und/oder ASIC Substrate umfasst. Insbesondere ist eine besonders kompakte Stapelung innerhalb der mikroelektronischen Bauelementanordnung auf Basis der hier beschriebenen Durchkontakte möglich.According to a further preferred development, the microelectronic component comprises a plurality of glass substrates, wherein the at least one glass substrate functions as the sensor substrate or as a capping of the sensor substrate and the sensor substrate and the cap are stacked alternately to one another. By way of example, this may be a microelectronic component arrangement comprising MEMS and / or ASIC substrates. In particular, a particularly compact stacking within the microelectronic component arrangement on the basis of the vias described here is possible.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Oberfläche der Kapillaren wesentlich größer als eine Oberfläche des Durchkontakts, die die Kapillaren umhüllt. Die hier beschriebenen Kapillaren befinden sich hierbei innerhalb des Druckkontakts.According to a further preferred development, a surface of the capillaries is substantially larger than a surface of the through contact which surrounds the capillaries. The capillaries described here are located inside the pressure contact.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt ein Durchmesser des Durchkontakts kleiner gleich 5 Mikrometer. Das heißt, dass sich innerhalb des Durchkontakts die Kapillaren befinden, die einen Durchmesser aufweisen, der um ein Vielfaches kleiner ist als der Durchmesser bzw. Außendurchmesser des Durchkontakts. Mit anderen Worten kann der Durchmesser der Kapillare um ein Vielfaches kleiner sein als 5 Mikrometer. Dadurch ermöglicht eine homogene Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials mit geringer Schichtdicke schon ein vollständiges Auffüllen der Kapillaren. Dies führt insbesondere zu sehr kleinen Durchkontakten, die insbesondere einen Bündel weniger Kapillaren umfassen können.According to a further preferred development, a diameter of the through-contact is less than or equal to 5 micrometers. This means that the capillaries are within the through-contact, which have a diameter which is many times smaller than the diameter or outer diameter of the through-contact. In other words, the diameter of the capillary may be many times smaller than 5 microns. This allows a homogeneous deposition of the electrically conductive material with a small layer thickness already a complete filling of the capillaries. This leads in particular to very small vias, which may in particular comprise a bundle of fewer capillaries.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements auf Siliziumsubstratbasis; 1 a schematic vertical cross-sectional view for explaining a microelectronic device based on silicon substrate;

2 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic vertical cross-sectional view for explaining a microelectronic device of the present invention;

3a schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern des Durchkontakts umfassend eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren; 3a schematic vertical cross-sectional view for explaining the through-contact comprising a plurality of individual capillaries;

3b schematische Aufsicht zum Erläutern des Durchkontakts umfassend eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren gemäß 3a; 3b schematic plan view for explaining the through-contact comprising a plurality of individual capillaries according to 3a ;

4a), b), c) schematische senkrechte Querschnittsansichten zum Erläutern des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung; und 4a ), b), c) are schematic vertical cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the present invention; and

5a), b), c) schematische Aufsichten zum Erläutern des Herstellungsverfahrens gemäß 4a), b), c). 5a ), b), c) are schematic plan views for explaining the manufacturing method according to 4a ), b), c).

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht eines Inertialsensors. In 1 bezeichnet Bezugszeichen A1 ein Siliziumsubstrat. Die in 1 gezeigten Siliziumsubstrate A1 weisen jeweils zwei Durchkontakte K1 auf. Die Durchkontakte K1 durchlaufen das Siliziumsubstrat A1 vollständig. Die Siliziumsubstrate A1 fungieren entweder als Sensorsubstrat S2 mit einer aktiven Sensorschicht S1 und einer Elektrodenschicht E1 oder als Verkappung V1, wobei Isolationsschichten I1 zur Vermeidung von Kurzschlüssen entsprechend angeordnet sind. Da es sich hierbei um ein halbleitendes Material handelt, steigen die parasitären Kapazitäten für die Durchkontakte K1 bei zunehmender Dichte weiter an. Diesem Problem kann entgegengewirkt werden, sobald man das halbleitende Silizium durch ein isolierendes Glassubstrat, wie in 2 gezeigt, ersetzt. Jedoch sind mit zunehmender Miniaturisierung der Bauelemente Durchkontakte mit kleinen Durchmessern erforderlich, um insbesondere parasitäre Kapazitäten zu vermeiden und gleichzeitig eine höhere thermomechanische Stabilität zu gewährleisten. 1 shows a schematic vertical cross-sectional view of an inertial sensor. In 1 reference character A1 denotes a silicon substrate. In the 1 shown silicon substrates A1 each have two vias K1. The vias K1 completely pass through the silicon substrate A1. The silicon substrates A1 function either as a sensor substrate S2 with an active sensor layer S1 and an electrode layer E1 or as a capping V1, insulation layers I1 being arranged correspondingly to avoid short-circuits. Since this is a semiconductive material, the parasitic capacitances for the vias K1 continue to increase as the density increases. This problem can be counteracted once the semiconducting silicon is passed through an insulating glass substrate as in 2 shown, replaced. However, with increasing miniaturization of the devices vias with small diameters required to avoid in particular parasitic capacitances and at the same time to ensure a higher thermo-mechanical stability.

Wie in 1 gezeigt, weisen die aktive Sensorschicht S1 und die Elektrodenschicht E1 die Isolationsschichten I1 auf, die sich sowohl zwischen dem Sensorsubstrat S2 und der aktiven Sensorschicht S1 als auch zwischen der Verkappung V1 und der aktiven Sensorschicht S1 befinden. Ferner ist die Isolationsschicht I1 zwischen der Elektrodenschicht E1 und dem Siliziumsubstrat A1 des Sensorsubstrats S2 angeordnet. Die Elektrodenschicht E1 steht mit den Durchkontakten K1 des jeweiligen Siliziumsubstrats A1 derart in direktem Kontakt, dass ein in Betrieb nehmen des Bauelements gewährleistet ist. Die Siliziumsubstrate A1 weisen jeweils auf einer der aktiven Sensorschicht S1 abgewandten Seite Bondpads B1 auf, die wiederum mit den Durchkontakten K1 in direktem Kontakt stehen. Die Bondpads B1 können zur Kontaktierungen mit weiteren mikroelektronischen Bauelementen, beispielsweise MEMS oder ASIC, dienen.As in 1 1, the active sensor layer S1 and the electrode layer E1 have the insulating layers I1 which are located both between the sensor substrate S2 and the active sensor layer S1 and between the cap V1 and the active sensor layer S1. Further, the insulating layer I1 is disposed between the electrode layer E1 and the silicon substrate A1 of the sensor substrate S2. The electrode layer E1 is in direct contact with the through-contacts K1 of the respective silicon substrate A1 in such a way that an operating element of the component is ensured. The silicon substrates A1 each have bonding pads B1 on a side facing away from the active sensor layer S1, which in turn are in direct contact with the through contacts K1. The bonding pads B1 can be used for contacting with other microelectronic components, for example MEMS or ASIC.

2 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht eines weiteren Inertialsensors, der sich im Vergleich zu 1 durch eine erfindungsgemäße Ausbildung der Durchkontakte K1 in einem Glassubstrat C1 unterscheidet. In 2 bezeichnet Bezugszeichen C1 das Glassubstrat. Die in 2 gezeigten Glassubstrate C1 weisen jeweils zwei Durchkontakte K1 auf. Die jeweiligen Durchkontakte K1 umfassen eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren K2, die zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen und mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllt sind. 2 shows a schematic vertical cross-sectional view of another inertial sensor, which is compared to 1 distinguished by an inventive design of the vias K1 in a glass substrate C1. In 2 reference C1 denotes the glass substrate. In the 2 shown glass substrates C1 each have two vias K1. The respective vias K1 include a plurality of individual capillaries K2, which are provided for electrical contacting and filled with an electrically conductive material.

3a ist schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern des Durchkontakts K1 in dem Glassubstrats C1 gemäß 2. 3a FIG. 12 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining the via K1 in the glass substrate C1 according to FIG 2 ,

In der 3a ist deutlich erkennbar, dass zumindest zwischen zwei benachbarten Kapillaren K2 des Durchkontakts K1 zumindest bereichsweise das Glassubstrat C1 ausgebildet ist. Mit anderen Worten definiert sich der Durchkontakt K1 durch die Summe aller Kapillaren K2, wobei die Kapillaren K2 durch eine Oberfläche des Durchkontakts K1 umhüllt sind. In the 3a It can be clearly seen that the glass substrate C1 is formed at least in regions at least between two adjacent capillaries K2 of the through-contact K1. In other words, the through-contact K1 is defined by the sum of all capillaries K2, wherein the capillaries K2 are enveloped by a surface of the through-contact K1.

Die 3b zeigt eine schematische Aufsicht des Glassubstrats C1 mit dem Durchkontakt K1 mit den Kapillaren K2 gemäß 3a. Die 3b zeigt deutlich, dass der Durchkontakt K1 die einzelnen Kapillaren K2 umfasst, wobei sich die Kapillaren K2 innerhalb einer Umhüllenden des Durchkontakts K1 bzw. eines Durchkontaktbereichs K11 befinden.The 3b shows a schematic plan view of the glass substrate C1 with the contact K1 with the capillaries K2 according to 3a , The 3b clearly shows that the through-contact K1 comprises the individual capillaries K2, wherein the capillaries K2 are located within an envelope of the through-contact K1 or of a through-contact region K11.

4a, 4b, 4c sind schematische senkrechte Querschnittsansichten zum Erläutern einzelner Verfahrensschritte zur Herstellung des Durchkontakts K1 in dem Glassubstrat C1 für das mikroelektronische Bauelement gemäß 2. 4a . 4b . 4c 10 are schematic vertical cross-sectional views for explaining individual process steps for producing the via K1 in the glass substrate C1 for the microelectronic device according to FIG 2 ,

5a, 5b und 5c sind korrespondierende Aufsichten zu den schematisch senkrechten Querschnittsansichten der 4a, 4b und 4c. 5a . 5b and 5c are corresponding views to the schematic vertical cross - sectional views of 4a . 4b and 4c ,

Zum Herstellen des in 2 gezeigten mikroelektronischen Bauelements (Inertialsensor) wird wie in der 4a dargestellt, zunächst ein Glassubstrat C1 bereitgestellt und auf einer Oberseite C11 des Glassubstrats C1 in einem Durchkontaktbereich K11 (siehe 5a) metallische Nanopartikel N3 aufgebracht. Die metallischen Nanopartikel N3 können Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Palladium (Pd), Eisen (Fe) oder Legierungen der genannten Metalle umfassen.For making the in 2 shown microelectronic device (inertial sensor) is as in the 4a First, a glass substrate C1 is provided and formed on an upper surface C11 of the glass substrate C1 in a via region K11 (see FIG 5a ) metallic nanoparticles N3 applied. The metallic nanoparticles N3 can be gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), Palladium (Pd), iron (Fe) or alloys of said metals.

Das Abbringen von metallischen Nanopartikeln N3 bzw. dünnen strukturierten Metallschichten mit einer Dicke von circa 5 Nanomater bis 10 Nanometer ist über eine Atomlagenabscheidung homogen über das Glassubstrat C1 möglich. Durch Lithographie und anschließender Ätzung der dünnen strukturierten Metallschichten können die Durchkontaktbereiche 11 für die Glasstrukturierung festgelegt werden. The deposition of metallic nanoparticles N3 or thin structured metal layers with a thickness of about 5 nanomater to 10 nanometers is possible via an atomic layer deposition homogeneously over the glass substrate C1. By means of lithography and subsequent etching of the thin structured metal layers, the via regions 11 for the glass structuring can be defined.

In der 5a ist gezeigt, dass sich die metallischen Nanopartikel N3 innerhalb des Durchkontaktbereichs K11 befinden.In the 5a It is shown that the metallic nanoparticles N3 are located within the contact region K11.

Wie in 4b bzw. 5b gezeigt, durchätzen die metallischen Nanopartikel N3 das Glassubstrat C1 von der Oberseite C11 zu einer der Oberseite C11 abgewandten Unterseite C12, wobei die metallischen Nanopartikel N3 zumindest teilweise katalytisch auf eine Ätzlösung wirken. Auf Basis der metallischen Nanopartikel N3 und des hier beschriebenen Verfahrens können extrem hohe Aspektverhältnisse erzielt werden. Folglich kann sich innerhalb des Durchkontakts K1 ein nanometerskaliges Kapillarennetzwerk ausbilden. Das heißt, es bildet sich eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren K2 in dem Durchkontaktbereich K11 aus, wobei die Ätzlösung Ammoniumfluorid (NH4F) und Wasserstoffperoxid (H2O2) enthalten kann.As in 4b respectively. 5b 1, the metallic nanoparticles N3 pass through the glass substrate C1 from the upper side C11 to an underside C12 facing away from the upper side C11, the metallic nanoparticles N3 acting at least partially catalytically on an etching solution. On the basis of the metallic nanoparticles N3 and the method described here extremely high aspect ratios can be achieved. Consequently, a nanometer-scale capillary network can form within the via K1. That is, a plurality of individual capillaries K2 are formed in the via region K11, and the etching solution may contain ammonium fluoride (NH 4 F) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).

Der nasschemische Ätzprozess könnte dann wie folgt ablaufen. Glas wird durch Flusssäure HF in Wasser geätzt. Dies geschieht hauptsächlich durch die Spezies HF2 –, welche durch die Dissoziation des HF entsteht: 2HF + H2O → HF2 – + H3O+ The wet chemical etching process could then proceed as follows. Glass is etched by hydrofluoric acid HF in water. This is mainly due to the species HF 2 - , which results from the dissociation of HF: 2HF + H 2 O → HF 2 - + H 3 O +

Dabei wird das Glas geätzt: Si-OH + HF2 – → Si-F + H2O + F– und schlussendlich in die wasserlösliche Form überführt: SiF6 2–. Ziel ist es, diesen Reaktionsmechanismus auf die nächste Umgebung unmittelbar an den metallischen Nanopartikeln N3 zu begrenzen.The glass is etched: Si-OH + HF 2 - → Si-F + H 2 O + F - and finally converted to the water-soluble form: SiF 6 2- . The aim is to limit this reaction mechanism to the immediate vicinity of the metallic nanoparticles N3.

Ammoniumfluorid NH4F ist die Verbindung des Ammoniaks mit Flusssäure. In diesem Fall dient der Ammoniak als Träger und Binder der Flusssäure. Da das Elektronenpaar des Stickstoffs eine attraktive Bindung für den Wasserstoff der Flusssäure darstellt, ist die Dissoziation des Ammoniumfluorids zu 2NH4F + H2O → 2NH3 + H3O+ + HF2 – gering und erklärt die geringe Glasätzrate. Um das glasätzende HF2 – vermehrt freizusetzen, oxidiert man das Ammoniak in das Hydroxylamin: NH3 + 3H2O → NH2OH + 2H3O+ +2e– Ammonium fluoride NH 4 F is the compound of ammonia with hydrofluoric acid. In this case, the ammonia serves as a carrier and binder of hydrofluoric acid. Since the electron pair of nitrogen is an attractive bond for the hydrogen of hydrofluoric acid, the dissociation of ammonium fluoride is too 2NH 4 F + H 2 O → 2NH 3 + H 3 O + + HF 2 - low and explains the low glass etch rate. In order to liberate the glass-etching HF 2 - more, the ammonia is oxidized into the hydroxylamine: NH 3 + 3H 2 O → NH 2 OH + 2H 3 O + + 2e -

Da das Hydroxilamin eine geringere Neigung hat, die Flusssäure zu binden, entsteht vermehrt HF2 –. Dadurch steigt in der unmittelbaren Umgebung der metallischen Nanopartikel N3 die Konzentration von HF bzw. HF2 – und die Ätzrate steigt im Hinblick auf das Glassubstrat C1 signifikant. Since the hydroxilamine has a lower tendency to bind the hydrofluoric acid, increasingly produces HF 2 - . As a result, the concentration of HF or HF 2 increases in the immediate vicinity of the metallic nanoparticles N3 , and the etching rate increases significantly with respect to the glass substrate C1.

Um ein Aufladen der metallischen Nanopartikel N3 zu verhindern, muss gleichzeitig eine Reduktionsreaktion stattfinden, welche beispielsweise über Wasserstoffperoxid laufen kann: H2O2 + 2H3O+ + 2e– → 4H2O In order to prevent charging of the metallic nanoparticles N3, a reduction reaction must take place at the same time, which can, for example, proceed via hydrogen peroxide: H 2 O 2 + 2H 3 O + + 2e - → 4H 2 O

Die Ätzrate oder eine Oberflächenbeschaffenheit der Kapillaren K2 können durch Parameter wie Konzentration, Ätztemperatur und pH-Wert der Ätzlösung beeinflusst werden.The etching rate or a surface quality of the capillaries K2 can be influenced by parameters such as concentration, etching temperature and pH of the etching solution.

Charakteristisch für das hier beschriebene Verfahren ist, dass die Ätzrate invers proportional zur dritten Potenz einer strukturierten Metallschichtfläche bzw. Oberfläche der metallischen Nanopartikel N3 ist. Das heißt, je kleiner die geschlossene Fläche der Struktur desto größer die Ätzrate. Ferner zeigt sich gerade auf der Oberseite C11 des Glassubstrats C1, dass die metallischen Nanopartikel N3 koagulieren. Somit entstehen metallische Nanopartikel N3, die nicht in eine homogene Schicht übergehen. Damit kann davon ausgegangen werden, dass diese Schichten bzw. Nanopartikel zu einer hohen Ätzrate signifikant beitragen.A characteristic of the method described here is that the etching rate is inversely proportional to the cube of a structured metal layer surface or surface of the metallic nanoparticles N3. That is, the smaller the closed area of the structure, the larger the etch rate. Furthermore, it is just on the upper side C11 of the glass substrate C1 that the metallic nanoparticles N3 coagulate. This produces metallic nanoparticles N3 that do not form a homogeneous layer. It can therefore be assumed that these layers or nanoparticles contribute significantly to a high etching rate.

Eine alternative Ätzlösung basiert auf einer kommerziell erhältlichen SiO2-Ätzlösung PAD4 Etch. Die Ätzlösung enthält Ammoniumfluorid (NaH4F), Essigsäure (C2H4O2) und beispielsweise Netzmitteln. Diese Lösung ist in der Lage das Glassubstrat C1 zu ätzen, da die Essigsäure (C2H4O2) und die Flusssäure (HF) in Konkurrenz stehen um eine Wasserstoff-Brückenbildung zum Ammoniak (NH3) auszubilden. Dadurch entsteht freie Flusssäure, welches das Glassubstrat C1 angreift.An alternative etching solution is based on a commercially available SiO 2 etching solution PAD4 etch. The etching solution contains ammonium fluoride (NaH 4 F), acetic acid (C 2 H 4 O 2 ) and wetting agents, for example. This solution is able to etch the glass substrate C1 since the acetic acid (C 2 H 4 O 2 ) and the hydrofluoric acid (HF) are in competition to hydrogen bond to the ammonia (NH 3 ). This results in free hydrofluoric acid which attacks the glass substrate C1.

Übertragen auf das hier beschriebene Verfahren bedeutet dies, die Essigsäure gezielt an den metallischen Nanopartikel N3 entstehen zu lassen und lokal SiO2 zu entfernen. Eine mögliche Reaktion ist die Oxidation von Ethanol (C2H6O), oder Ethanal bzw. Acetaldehyd (C2H4O), an der metallischen Nanopartikel N3 mit Hilfe eines Oxidationsmittels, wie zum Beispiel Wasserstoffperoxid (H2O2), zur Essigsäure.Applied to the method described here, this means that the acetic acid can be specifically formed on the metallic nanoparticle N3 and local SiO 2 removed. A possible reaction is the oxidation of ethanol (C 2 H 6 O), or ethanal or acetaldehyde (C 2 H 4 O), to the metallic nanoparticles N3 with the aid of an oxidizing agent, such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), to the acetic acid.

Damit ergibt sich folgend geeignete Ätzlösung für das Glassubstrat C1: Ammoniumfluorid (Na4F), Ethanol (C2H6O) bzw. Ethanal (C2H4O) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Alternativ zur Essigsäure (C2H4O2) können längerkettige organische Säuren wie zum Beispiel Propionsäure eingesetzt werden, die durch die Reaktion von Propanol bzw. Propanal erzeugt werden kann. This results in the following suitable etching solution for the glass substrate C1: ammonium fluoride (Na 4 F), ethanol (C 2 H 6 O) or ethanal (C 2 H 4 O) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). As an alternative to acetic acid (C 2 H 4 O 2 ), longer-chain organic acids, such as, for example, propionic acid, which can be produced by the reaction of propanol or propanal, can be used.

Zusammenfassend kann eine alternative Ätzlösung Ammoniumfluorid (NH4F) und einen Stoff A aufweisen, welcher durch die Reaktion mit einem Stoff B zu einem Stoff C umgewandelt wird. Dieser Stoff C tritt in direkte Konkurrenz mit der Flusssäure (HF) um die Wasserstoffbrückbindung mit NH3 und setzt damit HF frei. Für die Reaktion von Stoff A mit Stoff B gilt, dass die Reaktion durch eine geeignete katalytische Reaktion auf die Umgebung der metallischen Nanopartikel N3 begrenzt sein muss.In summary, an alternative etching solution may include ammonium fluoride (NH 4 F) and a substance A, which is converted to a substance C by the reaction with a substance B. This substance C enters into direct competition with hydrofluoric acid (HF) for hydrogen bonding with NH 3 , thus releasing HF. For the reaction of substance A with substance B, the reaction must be limited by a suitable catalytic reaction to the environment of the metallic nanoparticles N3.

Insbesondere können vor der Befüllung der Kapillaren K2 mit dem elektrisch leitfähigen Material die metallischen Nanopartikel N3 von der Unterseite C12 des Glassubstrats C1 entfernt werden.In particular, before filling the capillaries K2 with the electrically conductive material, the metallic nanoparticles N3 can be removed from the underside C12 of the glass substrate C1.

In der 4c sind die Kapillaren K2 mit dem elektrisch leitfähigen Material befüllt. Die Befüllung der Kapillaren K2 kann durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgen. Da die Kapillaren K2 eine sehr große Oberfläche aufweisen bei gleichzeitig sehr kleinen Durchmessern, reichen bereits sehr dünne Schichtdicken des elektrisch leitfähigen Material aus um die Kapillaren vollständig zu befüllen. Das elektrisch leitfähige Material, das mittels chemischer Glasphasenabscheidung in die Kapillare gefüllt wird, zeichnet sich durch eine hohe Konformität der Abscheidung aus, das heißt eine hohe Spaltgängigkeit. Dies ist notwendig um, in das nanometerskalige Kapillarennetzwerk innerhalb des Durchkontakts K1 einzudringen und die Oberseite C11 homogen zu mit dem elektrisch leitfähigen Material zu beschichten bzw. zu befüllen.In the 4c the capillaries K2 are filled with the electrically conductive material. The capillaries K2 can be filled by chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD). Since the capillaries K2 have a very large surface area with very small diameters, even very thin layer thicknesses of the electrically conductive material are sufficient to completely fill the capillaries. The electrically conductive material, which is filled by means of chemical vapor deposition in the capillary, characterized by a high conformity of the deposition, that is a high fissure. This is necessary in order to penetrate into the nanometer-scale capillary network within the through-contact K1 and to homogeneously coat or fill the upper side C11 with the electrically conductive material.

Gerade hierbei bietet sich insbesondere die Atomlagenabscheidung an. Da es sich bei dieser Atomlagenabscheidung um einen langsamen Prozess handelt und damit kontrolliert eine homogene Schichtdicke innerhalb des Durchkontakts und somit innerhalb der Kapillaren abgeschieden kann, bevor sich Zugänge der Kapillaren an der Oberseite C11 schließen. Der Nachteil der geringen Abscheiderate der Atomlagen-abscheidung fällt kaum ins Gewicht, da das Kapillarennetzwerk innerhalb des Loches eine extrem hohe Oberfläche aufweist, an der sich das elektrisch leitfähige Material niederschlägt. Mit anderen Worten reichen schon geringe Schichtdicken zum Befüllen der Kapillaren K2 des Durchkontakts K1 aus. Gleichzeitig erreicht man hierdurch eine hohe thermomechanische Stabilität des Glassubstrats C1 innerhalb des Durchkontakts K1 bzw. Durchkontaktbereichs K11.Especially here the atomic layer deposition offers itself. Since this atomic layer deposition is a slow process and thus controls a homogeneous layer thickness within the through-contact and thus can be deposited within the capillaries before closing accesses of the capillaries at the top C11. The disadvantage of the low deposition rate of the atomic layer deposition is of little importance, since the capillary network has an extremely high surface area inside the hole, at which the electrically conductive material precipitates. In other words, even small layer thicknesses are sufficient for filling the capillaries K2 of the through-contact K1. At the same time, this achieves a high thermo-mechanical stability of the glass substrate C1 within the through-contact K1 or through-contact region K11.

Mechanisch wird der Durchkontakt durch eine sich ausbildende extrem hohe Glassubstrat-leitfähiges Material-Grenzfläche und die Ausbildung des Kapillarennetzwerkes innerhalb des Durchkontaktes K1 stabilisiert. Folglich können die auftretenden thermomechanischen Spannungen, welche auf unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Glassubstrats und des elektrisch leitfähigen Materials basieren, im Vergleich zu einem konventionellen einfachen Durchkontakt auf eine viel größere Fläche verteilt werden. Elektrisch wird der Kontakt stabilisiert durch das Kapillarennetzwerk befüllt mit dem elektrisch leitfähigen Material.Mechanically, the via is stabilized by an extremely high glass substrate-conductive material interface that forms and the formation of the capillary network within the via K1. Consequently, the occurring thermo-mechanical stresses, which are based on different thermal expansion coefficients of the glass substrate and the electrically conductive material, can be distributed over a much larger area compared to a conventional simple through-contact. Electrically, the contact is stabilized by the capillary network filled with the electrically conductive material.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Aufbauten nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the materials and structures mentioned are given by way of example only and are not limited to the illustrated examples.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2011/0204489 A1 [0003] US 2011/0204489 A1 [0003]

Claims (10)

Mikroelektronisches Bauelement, welches aufweist: zumindest ein Glassubstrat (C1); zumindest einen Durchkontakt (K1), welcher das Glassubstrat (C1) durchläuft; wobei der Durchkontakt (K1) eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren (K2) umfasst, die mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllt sind und zumindest zwischen zwei benachbarten Kapillaren (K2) des Durchkontakts (K1) zumindest bereichsweise das Glassubstrat (C1) ausgebildet ist. Microelectronic component, which has at least one glass substrate (C1); at least one via (K1) passing through the glass substrate (C1); wherein the through-contact (K1) comprises a plurality of individual capillaries (K2) which are filled with an electrically conductive material and at least partially between two adjacent capillaries (K2) of the through-contact (K1), the glass substrate (C1) is formed. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Glassubstrat (C1) ein Sensorsubstrat ist.A microelectronic component according to claim 1, wherein the glass substrate (C1) is a sensor substrate. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das mikroelektronische Bauelement eine Mehrzahl von Glassubstraten (C1) umfasst, zumindest das eine Glassubstrat (C1) als das Sensorsubstrat oder als eine Verkappung (V1) des Sensorsubstrats fungiert und das Sensorsubstrat und die Verkappung (V1) alternierend zueinander gestapelt sind. Microelectronic component according to claim 1, wherein the microelectronic component comprises a plurality of glass substrates (C1), at least one glass substrate (C1) acts as the sensor substrate or as a capping (V1) of the sensor substrate and the sensor substrate and the capping (V1) alternate with each other are stacked. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche der Kapillaren (K2) wesentlich größer ist als eine Oberfläche des Durchkontakts (K1), die die Kapillaren umhüllt.Microelectronic component according to claim 1, wherein a surface of the capillaries (K2) is substantially larger than a surface of the through-contact (K1), which encloses the capillaries. Mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser des Durchkontakts (K1) kleiner gleich fünf Mikrometer beträgt.A microelectronic device according to claim 1, wherein a diameter of the via (K1) is less than or equal to five microns. Verfahren zur Herstellung eines Durchkontakts (K1) in einem Glassubstrat (C1) für ein mikroelektronisches Bauelement, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen des Glassubstrats (C1); Aufbringen von metallischen Nanopartikeln (N3) auf eine Oberseite (C11) des Glassubstrats (C1) in einem Durchkontaktbereich (K11); nasschemisches Ätzen des Glassubstrats (C1) im Bereich der metallischen Nanopartikel (N3), wobei die metallischen Nanopartikel (N3) zumindest teilweise katalytisch auf eine Ätzlösung wirken und sich die metallischen Nanopartikel (N3) von der Oberseite (C11) des Glassubstrats (C1) zu einer der Oberseite (C11) abgewandten Unterseite (C12) des Glassubstrats (C1) derart hindurchätzen, dass sich eine Vielzahl von einzelnen Kapillaren (K2) in dem Durchkontaktbereich (K11) ausbilden; Befüllen der Kapillaren (K2) des Durchkontaktbereichs (K11) mit einem elektrisch leitfähigen Material.Method for producing a through contact (K1) in a glass substrate (C1) for a microelectronic component, comprising the following steps: Providing the glass substrate (C1); Depositing metallic nanoparticles (N3) on an upper surface (C11) of the glass substrate (C1) in a via region (K11); wet-chemical etching of the glass substrate (C1) in the region of the metallic nanoparticles (N3), the metallic nanoparticles (N3) at least partially catalytically acting on an etching solution and the metallic nanoparticles (N3) from the top (C11) of the glass substrate (C1) an underside (C12) of the glass substrate (C1) facing away from the upper side (C11) in such a way that a multiplicity of individual capillaries (K2) form in the through-contact region (K11); Filling the capillaries (K2) of the through-contact region (K11) with an electrically conductive material. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Befüllen der Kapillaren (K2) durch chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung erfolgt.The method of claim 6, wherein the filling of the capillaries (K2) by chemical vapor deposition or atomic layer deposition takes place. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die metallischen Nanopartikel (N3) Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Palladium (Pd), Eisen (Fe) oder Legierungen der genannten Metalle umfassen.The method of claim 6, wherein the metallic nanoparticles (N3) comprise gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe) or alloys of said metals. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ätzlösung Ammoniumfluorid (NH4F) und Wasserstoffperoxid (H2O2) enthält.The method of claim 6, wherein the etching solution contains ammonium fluoride (NH 4 F) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ätzlösung Ammoniumfluorid (NH4F) und Essigsäure (C2H4O2) enthält. The method of claim 6, wherein the etching solution contains ammonium fluoride (NH 4 F) and acetic acid (C 2 H 4 O 2 ).
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