DD254271A1 - Verfahren zum verbinden von fuegeteilen aus gleichem material - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Fuegeteilen aus gleichem Material vorzugsweise Silizium, mittels eines anderen Materials, vorzugsweise Gold, das mit dem zu fuegenden Material ein Eutektikum bildet. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Fuegen von Siliziumteilen zu piezoresistiven Drucksensoren, wobei sehr hohe Anforderungen an die Qualitaet der Verbindungen gestellt werden, insbesondere an die mechanische Festigkeit, die Kriechfestigkeit und die Dichtigkeit, ohne dass partielle Diffusionsverbindungen erforderlich sein sollen. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, das die zu fuegenden Flaechen, die poliert und mit einer minimalen Goldmenge beschichtet sind, bei einer Temperatur oberhalb des eutektischen Punktes relativ zueinander bewegt werden. Bei dieser Bewegung, die unter einem leichten Andruck von etwa 250 kPa erfolgt, werden alle Verunreinigungen entweder aus der Fuge herausgerieben, und/oder fein verteilt und in den Unebenheiten der angeloesten Verbindungsflaechen abgelagert. Diese Relativbewegung wird solange ausgefuehrt, bis sich die Teile hinreichend angenaehert haben, vorzugsweise bis ein merkliches Ansteigen des fuer die Bewegung erforderlichen Kraftaufwandes eintritt.

Description

abgelagert. Die beschriebene Relativbewegung der zu verbindenden Teile wird solange durchgeführt, bis sich die Teile hinreichend angenähert haben. Bei einer Beschichtung der Verbindungsflächen, die vorzugsweise beim Einsatz von Gold auf Siliziumflächen mit einer Dicke von ca. 0,5-1,0>m Dicke erfolgt, beträgt der ursprüngliche Abstand der Verbindungsflächen 1-2μηη. Durch die Bewegung wird ein Teil derflüssigen eutektischen Legierung aus der Fuge herausgerieben und eine Annäherung der Verbindungsflächen auf mindestens 0,2/xm vorgenommen. Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Verbindungen dann erreicht werden, wenn die Relativbewegung solange vorgenommen wird, bis ein merkliches Ansteigen des für die Bewegung erforderlichen Kraftaufwandes auftritt. Wird die Relativbewegung manuell ausgeführt, so ist nach kurzer Zeit ein plötzliches Ansteigen des Kraftaufwandes für den Bewegungsvorgang deutlich festzustellen, d. h. beide Teile saugen sich gewissermaßen gegenseitig an, oder anders ausgedrückt, es ist ein Ansprengen beider Teile zu beobachten, wobei jedoch eine geringfügige Verschiebung der Teile, z. B. zur genauen Justierung, bei erheblich höheren Kraftaufwand möglich ist. Nach Abkühlung der auf die beschriebene Art und Weise gefügten Teile wird eine Verbindung realisiert, die beispielsweise den sehr hohen Anforderungen an mechanische Festigkeit, Kriechfestigkeit und Dichtigkeit, wie sie für die Herstellung von Präzisionsdifferenzdrucksensoren aus Silizium, für die Verbindung Verformungskörper-Substrat (beide aus Silizium), erforderlich sind, gerecht wird.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Herstellung der Verbindung unter sehr einfachen technologischen Bedingungen erfolgt. Es ist weder eine besondere Atmosphäre wie Vakkum oder Schutzgas noch eine Quelle für größere Drücke erforderlich. Es ist insgesamt überraschend, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren trotz Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik und ohne Verbesserung der Fügeteilvorbehandlung, die durchschnittlich erreichte Verbindungsqualität und damit die Ausbeute bedeutend erhöht wird.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines speziellen Anwendungsfalles, nämlich die Verbindung von Silizium-Chip mit Silizium-Gegenkörper über ein Gold-Silizium-Eutektikum zur Herstellung von Halbleiterdrucksensoren, soll die Erfindung nachstehend näher beschrieben werden.

Die zu verbindenden Siliziumteile werden poliert und innerhalb eines möglichst kurzen Zeitraumes, in dem sich keine dickeren, die Bildung eines Eutektikums störenden Oxidschichten ausbilden können, mit Gold beschichtet. Kann dieser kurze Zeitraum für die Goldbeschichtung nicht eingehalten werden, macht sich gegebenenfalls als zusätzlicher Verfahrensschritt eine Oxidätzung vor der Goldbeschichtüng erforderlich.

Die Goldbeschichtung erfolgt auf die oxidarmen bzw. -freien Siliziumflächen vorzugsweise durch Bedampfen und galvanisches Abscheiden oder nur durch Bedampfen.

Angesichts der hohen Kosten für Gold versteht es sich, daß die Beschichtung so dünn wie nur möglich auszuführen ist. Dabei ist darauf zu achten, daß bei Überschreiten des eutektischen Punktes noch eine geschlossene dünne Schicht derflüssigen Gold-Silizium-Legierung auf den zu verbindenden Flächen entsteht. Bei zu dünnen Schichten besteht die Gefahr, daß zuviel Goldatome durch Diffusionserscheinungen in das Silizium eindringen und auf den Verbindungsflächen eine flüssige eutektische Legierung nur partiell und nicht als geschlossene Schicht entsteht. In diesen Fällen wird die Verbindung Chip-Gegenkörper nicht den hohen Dichtigkeitsanforderungen gerecht. Es hat sich gezeigt, daß mit Schichtdicken von etwa 0,5μΐη bereits dichte und hochqualitative Verbindungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden. Bei zu dicken Schichten wird unnötigerweise der Goldverbrauch vergrößert und darüberhinaus verschlechtert sich die Ebenheit der angelösten Siliziumflächen, wodurch der Ansprengeffekt negativ beeinflußt wird. Sehr gute Ergebnisse wurden mit Beschichtungsdicken von 0,8/j.m erreicht. Schichtdicken größer als 1 /xm steigern lediglich den Goldverbrauch und wirken sich auf die Eigenschaften derfertigen Verbindung nicht gebrauchswertsteigernd aus.

Die wie oben beschrieben vorbereiteten Siliziumteile werden anschließend bei normaler Atmosphäre auf einer geeigneten Heizvorrichtung erwärmt. Bei 370⁰C bildet sich das Eutektikum. Die Verbindungstemperatur sollte zweckmäßigerweise einige 10K über dem eutektischen Punkt gewählt werden, um die Temperaturregelung problemloser gestalten zu können. Nach Erreichen der genannten Temperatur, was visuell auch gut an dem eintretenden Farbumschlag erkennbar ist, werden die zu verbindenden Siliziumteile unter leichtem Andruck relativzueinander bewegt. Die Größe des Druckes ist dabei relativ unkritisch und richtet sich vor allem nach dem Grad der Verunreinigung wobei bei höherem Verunreinigungsgrad der Druck etwas erhöht werden sollte. Gute Ergebnisse wurden mit einem Druck von etwa 250 kPa erreicht. Bei dieser Bewegung verringert sich die Dicke der zwischen den Siliziumteilen befindlichen flüssigen Legierungsschicht. Dabei werden vorhandene Verunreinigungen aus der Fuge befördert und/oder fein verteilt und Unebenheiten der chemischen angelösten Oberfläche der Siliziumteile abgelagert. Besonders hochqualitative Verbindungen erhält man dann, wenn die genannte Relativbewegung so lange durchgeführt wird, bis ein merkliches Ansaugen der beiden Siliziumteile eintritt, d.h. es tritt ein gut feststellbarer Ansprengeffekt auf, der den erforderlichen Kraftaufwand für die Relativbewegung der Siliziumteile, wie er beispielsweise für eine erforderliche genaue Justierung der Fügeteile erforderlich, deutlich erhöht. ;i

Claims (4)

1. T.. Verfahren zum Verbinden von Fügeteilen aus gleichem Material mittels eines anderen Materials eines Zweistoffsystems mit Eutektikum, wobei zunächst die Verbindungsflächen poliert und eine minimale notwendige Menge des anderen Materials oder der eutektischen Mischung des Materials der Fügteile mit dem anderen Material in die Fuge eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile bei einer Temperatur oberhalb des eutektischen Punktes relativ zueinander bewegt werden, wobei Verunreinigungen aus der Fuge befördert oder fein verteilt in Unebenheiten der chemisch angelösten Oberflächen der Fügeteile abgelagert werden, und daß diese Relativbewegung der Fügeteile unter geringem Druck erfolgt und solange durchgeführt wird, bis sich der Abstand zwischen den Fügeflächen soweit verringert hat, daß ein Ansprengeffekt zwischen den Fügeteilen auftritt.
2. 2: Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile aus Silizium bestehen und daß das andere Material Gold ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Goldes in die Fuge dadurch realisiert wird, daß beide oxidarmen Verbindungsflächen mit einer Goldschicht von 0,5 bis Ι,Ομ,Γη Dicke beschichtet werden.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sofort nach Auftreten des Ansprengeffektes eine Justierung der Fügeteile vorgenommen wird.

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren für Fügeteile aus gleichem Material mittels eines anderen Materials, das mit dem zu fügenden Material ein Eutektikum bildet. Dieses Verfahren kann dort angewendet werden, wo Einzelteile mechanisch fest, kriechfest und vakuumdicht mit niedrigem technologischen Aufwand bei höchster Ausbeute verbunden werden sollen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Fügen von Siliziumteilen zu piezoresistiven Drucksensoren.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Das Verbinden von Fügeteilen aus gleichem Material mittels eines anderen Materials, das mit dem zu fügenden Material ein Eutektikum bildet, ist allgemein als Schm'elzlöten bekannt. Charakteristisch für diese Verfahren ist, daß die Fügeteilflächen durch das eutektische Lot chemisch angelöst werden. Die fertige Verbindung zeichnet sich durch eine durchgehende relativ starke (5μ.ΓΠ—20μιη) eutektische Schicht aus, die mit beiden Fügeteilen eine Bindung eingegangen ist. Für besonders hohe Anforderungen an die Qualität der Verbindung, wie sie z. B. bei der Herstellung von Präzisionsdifferenzdrucksensoren aus Silizium gestellt werden, erfüllen o.g. Verbindungen, insbesondere was die Langzeitstabilität der Verbindung und die Kriechfestigkeit anbelangt, wegen der relativ großen Schichtdicke nicht diese hohen Forderungen. Ein Verbindungsverfahren, das die o.g. hohen Anforderungen realisiert, ist aus dem DD-WP 149912 bekannt. Bei diesem Verfahren werden unter Vakuum und hohem Druck (5-15 MPa) neben Gebieten mit eutektischer Verbindung, Gebiete mit einer Diffusionsverbindung erzeugt, wobei letztere maßgeblich die hohe Güte der Verbindung bestimmen. Neben einem hohen technologischen Aufwand für die Herstellung dieser Verbindung hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Goldbeschichtung und der sonstige technologische Durchlauf chemisch und mechanisch nicht so sauber gestaltet werden können, bzw. der dazu erforderliche Aufwand unvertretbar hoch ist, so daß durch Bildung von Trennschichten oder Einlagerung von Abstandshaltern beide Teile durch reine Druckanwendung während der Bildung des Eutektikums nicht immer auf den erforderlichen Null-Abstand angenähert werden können. Die Folgen sind zum Teil große Unsicherheiten bezüglich Dichtigkeit und Festigkeit der Verbindung verbunden mit schwer beeinflußbaren Schwankungen in der Ausbeute.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungsverfahren für Fügeteile aus gleichem Material mittels eines anderen Materials, das mit dem zu fügenden MateriaLein Eutektikum bildet, zu schaffen, welches sich durch einen geringen technologischen Aufwand, hohe Ausbeute und hohe Reproduzierbarkeit auszeichnet.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungsverfahren zu schaffen, das die sehr hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit, die Kriechfestigkeit und die Dichtigkeit zuverlässig über ein Eutektikum ohne partielle Diffusionsverbindung erfüllt.

   Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden zu fügenden Flächen, die poliert und mit einer minimalen Menge des anderen Materials beschichtet wurden, bei einer Temperatur oberhalb des eutektischen Punktes relativ zueinander bewegt werden. Bei dieser Bewegung, die unter leichtem Andruck von ca. 25OkPa erfolgt, werden alle Verunreinigungen entweder aus der Fuge herausgerieben und/oder fein verteilt und in den Unebenheiten der angelösten Verbindungsflächen