DE19545422C2 - Verfahren zum anodischen Bonden von Siliziumkomponenten mit Glaskomponenten - Google Patents

Verfahren zum anodischen Bonden von Siliziumkomponenten mit Glaskomponenten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anodischen Bonden von Silizium und Glaskomponenten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
Das anodische Bonden ist eine in der Mikrosystemtechnik gut eingeführte Technologie zum Verbinden von Glas mit Silizium für unterschiedliche Zwecke. Beispielsweise werden solche Verbindungen für Abdeckungen, Einhausungen, für die SOI-Technologie oder für Sensor- und Aktorkomponenten benötigt.
Das Verfahren des anodischen Bondens wird bei der Herstellung von Sensoren, insbesondere z. B. von Druck- und Accelerationssensoren, sowie von Aktoren und SOI-Wafern vielfach eingesetzt [vgl. : Esashi M., Ura N., Matsumoto Y., Anodic Bonding for Integrated Capacitive Sensors, Micro Electro Mechanical Systems '92, Travemünde, February 4.-7., 1992 oder Harendt Ch., Appel W., Graf H.-G., Höfflinger B., Penteker E., Wafer Bonding and its Application to Silicon-on-Insulator Fabrication, Micromechanics Europe '90, Berlin, 26.-27.11.1990]. Hierbei werden Siliziumwafer mit Pyrexglasscheiben bei relativ hohen Temperaturen von ca. 400°C und einer Spannung von einigen 100 bis ca. 2000 V gebondet, was für eine Reihe von praktischen Anwendungen einschränkend wirkt, weil durch die erforderlichen hohen Temperaturen Bauelementefunktionen, wie z. B. temperaturempfindliche dünne thermoelektrische Schichten, Passivierungs- und Isolationsschichten aus organischen Stoffen, zerstört werden können.
In anderen beschriebenen Anwendungsfällen wird Pyrexglas als dünne Schicht durch Magnetronsputtern im Hochvakuum auf Silizium abge­ schieden, und anschließend kann eine andere Siliziumscheibe ebenfalls bei Temperaturen um 400°C, aber einer geringeren Spannung von maximal nur 100 V darübergebondet werden [Offereins H. L., Sandmaier H., Folkmer B., Steger U., Lang W., Stress free Assembly Technique for a Silicon based pressure Sensor, Transducers '91 San Francisco oder Hanneborg A., Nese M., Ohlckers P., Silicon-to-Silicon Anodic Bonding, Micromechanics Europe'90, Berlin, 26.-27.11.1990].
In Quenzer, H. J., Benecke, W., Dell, C., Low temperature wafer bonding for micromechanical applications, Micro Electro Mechanical Systems'92, Travemünde Febr. 4-7, 1992 wird die Verbindung mit Hilfe von aufgeschleuderten Zwischenschichten, z. B. Natriumsilikat- oder Aluminiumphosphatlösung etc., realisiert. Diese Hilfsschichten erlauben niedrigere Bondtemperaturen bei 200-350°C, die aber noch zusätzliche Temperzeiten von ca. 2 h erforderlich machen und die Einsatzgebiete der gebondeten Verbunde hinsichtlich chemischer Beständigkeit, infolge des zur Anwendung gelangenden Bondmaterials einschränken.
In Esashi M., Nakano A., Shoji S., Hebiguchi H., Low temperature Silicon-to-Silicon Anodic Bonding with Intermediate Low Melting Point Glass, Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) 931-934 wird dargestellt, daß bereits bei Raumtemperatur eine feste anodische Bondung zweier Siliziumscheiben hergestellt werden kann, wenn zuvor eine Scheibe mit einer dünnen Schicht eines sogenannten "Point"-Glases beschichtet worden ist, die als Bondzwischenschicht benutzt wird. Diese Lösung weist in der Anwendung jedoch den erheblichen Nachteil auf, daß die Bondzwischenschicht in keiner Weise hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens an das des Siliziums angepaßt ist.
Als besonders problematisch haben sich jedoch Bondverbindungen bzgl. ihrer Herstellbarkeit als auch dauerhafter Festigkeit erwiesen, bei denen Siliziumkomponenten ganz oder teilweise mit dielektrischen und/oder metallischen Belägen versehen sind, wie dies z. B. bei der Herstellung von Sensoren der Fall ist, die mikrosystemtechnisch notwendige dielektrische Schichten, wie z. B. SiO2 oder Si3N4, und leitende Schichten zur Kontaktierung und Signalführung, enthalten.
Aus DE 43 06 004 A1 ist ferner ein homogenes technisches Silikatglas bekannt, das für die Bearbeitung mit kurzwelligen Festkörperlasern geeignet ist, um kleine Strukturen in derartigen Glassubstraten zu erzeugen. Andere Verwendungszwecke des dort beschriebenen Glases sind dieser Schrift nicht entnehmbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, Glasflächen nicht nur mit reinen Siliziumoberflächen, sondern auch mit solchen, die vollständig oder partiell mit elektrisch leitenden metallischen (z. B. Al-, NiCr-, Ti-) bzw. mit dielektrischen (z. B. SiO2-, Si3N4- oder SiC-) Schichten bedeckt sind, zu verbinden.
Der Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, daß bestimmte Gruppen eines technischen Glases, das für die Bearbeitung mit kurzwelligen Festkörperlasern entwickelt wurde, so wie es z. T. in DE 43 06 004 A1 beschrieben ist, für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Lithiumborosilikatglases als Bondglas in Bulk- oder Schichtform ermöglicht es, bei niedrigen Temperaturen eine vergleichsweise hohe Ionenleitfähigkeit zu erreichen und damit die Bondtemperatur herabzusetzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es wird beschrieben, wie ein erfindungsgemäßes Bondglas mit einer Si-Scheibe, auf die ein Wechselschichtsystem aus SiO2/Si3N4 der Gesamtdicke von 800 nm aufgebracht ist (Deckschicht Si3N4), bei einer Temperatur um 200°C, einer Bondspannung im Beispiel von 3000 V und einer Bondzeit von ca. 1 h und mit einer Flächenelektrode unlösbar anodisch verbondet wird.
Wenn nachfolgend von Silizium- oder Glaskomponenten gesprochen wird, werden darunter Glas- oder Siliziumscheiben in Waferform verstanden.
Gemäß der Erfindung sollen Siliziumkomponenten, insbesondere solche, die teilweise oder ganzflächig mit metallischen und/oder dielektrischen Belegungen versehen sind mit Glaskomponenten durch Bondung verbunden werden.
Im Ausführungsbeispiel wird dazu eine Siliziumscheibe mit einer Dicke von 500 µm, die mit dielektrischen und/oder metallischen Schichten, die strukturiert vorliegen können, versehen sein kann, mit einem Glasplätt­ chen einer üblichen Dicke von 100 µm bis 5 mm abgedeckt. Dabei ist notwendigerweise kein Anpreßdruck erforderlich, da die hohe elektrische Feldstärke für genügende Anziehungskraft sorgt, aber für eine schnelle und gute Initialbondung ist bei einer Punktelektrode eine Anpreßkraft von einigen 100 p bis 1000 p vorteilhaft. Für das Glasplättchen findet dabei ein Material der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (SiO2 65-87 Masse%, B2O3 9-25 Masse%, Al2O3 1-5 Masse%, Li2O 0,5-15 Masse%, Na2O 0-4 Masse%, K2O 0-2 Masse%, FeO 0,2-1,5 Masse%, Reduktionsmittel 0-1,5 Masse%) Verwendung. Dieses Schichtpaket wird auf eine Temperatur im Bereich von 200 ... 290°C, im angegebenen Beispiel auf eine Temperatur von 200°C erwärmt. Bei den angegebenen Schichtdicken wird eine Gleichspannung in Höhe von bis zu 3000 V an das Schichtpaket derart angelegt, daß das Siliziumplättchen die Anode bildet. Die genannte Temperatur und die Spannung werden über eine Zeit von wenigen Minuten bis ca. 1 h aufrechterhalten, danach ist der Bondvorgang, ohne daß weitere Nachbehandlungen erforderlich sind abgeschlossen. Das erfindungsgemäß verwendete Glas weist bereits bei genannten niedrigen Bondtemperaturen eine solch hohe elektrische Leitfähigkeit auf, daß eine hinreichende Ionenbeweglichkeit insbesondere der Li-Ionen, und ggf. Fe- und Ti-Ionen, auftritt, die den Bondvorgang erheblich unterstützt. Besonders sind jedoch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Glaskomponente und des Siliziums weitestgehend angepaßt und liegen in der Größenordnung von 3,4.10-6 K-1 für die Glaskomponente, und 3,3.10-6 K-1 für die Siliziumkomponente. Aufgrund dieser sehr guten Übereinstimmung sind großflächige Komponenten mit Bondflächen in der Größenordnung von 104 cm2 dauerhaft verbindbar, so daß es gelingt, eine feste Bondverbindung herzustellen, die nur durch die Bruchfestigkeit der Bondpartner selbst begrenzt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum anodischen Bonden von Siliziumkomponenten mit Glaskomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß als Bondglas ein Lithiumborosilikatglas verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das verwendete Lithiumborosilikatglas eines mit einem Li2O-Anteil eingesetzt wird, der im Bereich von 0,5-15 Masse% liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Lithiumborosilikatglas Dotierungen von Fe und/oder Ti in Form von FeO, Fe2O3 und Ti2O3 mit der Maßgabe enthält, daß die Summe des Zuschlaggemisches weniger als 1,9 Masse% beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bondglas ein Glas mit einer Zusammensetzung von
SiO2 65-87 Masse%
B2O3 9-25 Masse%
Al2O3 1-5 Masse%
Li2O 0,5-15 Masse%
Na2O 0-4 Masse%
K2O 0-2 Masse%
FeO 0,2-1,5 Masse%
Reduktionsmittel 0-1,5 Masse%
verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskomponenten in Schichtform oder als Bulkmaterial eingesetzt werden,
die zu verbindenden Komponenten miteinander in engen mechanischen Kontakt gebracht und der Schichtverbund in Abhängigkeit von den dielektrischen und/oder elektrisch leitenden Schichten und der Bondspannung auf Temperaturen von 200 bis 290°C erwärmt wird, wobei
der zu bondende Schichtverbund mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt wird, die in Abhängigkeit von der Stärke der Glaskomponente beginnend von wenigen Mikrometern Schichtdicke bis zu einigen Millimetern von 100 V bis zu 5000 V angepaßt festgelegt wird.
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