DE10053865C1 - Verfahren zum anodischen Bonden bei niedrigen Temperaturen - Google Patents

Verfahren zum anodischen Bonden bei niedrigen Temperaturen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anodischen Bonden. Die Aufgabe, ein Verfahren und ein dafür geeignetes Material anzugeben, das ein anodisches Bonden bei Raumtemperatur ermöglicht, wird dadurch gelöst, daß als Bondglas ein Phosphatglas, insbesondere eins mit einer Alkaliionenleitfähigkeit > 10·-9· OMEGA·-1·cm·-1· verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anodischen Bonden bei niedrigen Temperaturen, das es gestattet, unterschiedliche Materialien durch anodisches Bonden miteinander zu verbinden.
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. Auch ist es bekannt, mit dielektrischen Schichten (z. B. Nitrid, Carbid, Oxid) beschichtetes Silizium oder Metalle (wie z. B. Aluminium, Kupfer usw.) mit einem dielektrischen Material (vorzugsweise Glas) mit entsprechend hoher Ionenleitung zu verbinden.
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 V 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 abgeschieden, 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 Aluminiumphosphatlosung 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.
Huang, Q.-A.; Lu, S.-J.; Tong, Q.-Y. beschreiben in "Gallium Arsenide on Insulator by Electrostatic Bonding" (IEEE SOS/SOI Technology Conference 1989, New York, 3.-5. Oktober 1989, S. 62-63) ein Verfahren zum elektrostatischen Bonden von GaAs mit Si, wobei mittels CVD-Verfahren auf den polierten GaAs-Bondpartner zunächst eine Phosphorsilikatglasschicht aufgebracht wird; das Bonden der GaAs und Si-Partner erfolgt dort bei Temperaturen zwischen 300°C-600°C und Bondspannungen zwischen 10 V-30 V.
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 sowohl bzgl. ihrer Herstellbarkeit als auch dauerhaften 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.
In jedem Fall müssen beide Fügepartner eben sein und sehr geringe Rauhigkeiten aufweisen.
Weiterhin muß gewährleistet sein, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient in dem entsprechenden Temperaturbereich sehr gut an den Bondpartner angepaßt ist.
In DE 195 45 422 C2 wurde bereits ein Verfahren zum anodischen Bonden vorgeschlagen, mit dem vorstehende Probleme durch Verwendung eines speziellen Lithiumborosilikatglases behoben wurden, wobei Bondtemperaturen von ca. 200°C erreicht werden konnten.
Ebenso konnten Shuichi Shoji, Hiroto Kikuchi, Hirotaka Torigoe; Low- temperature anodic bonding using lithium aluminosilicate-β-quartz glass ceramic, Sensors and Actuators A 64 (1998), S. 95-100, durch Einsatz der dort beschriebenen Glaskeramik, die eine hochionenleitende kristalline Phase eingebettet in einer Glasmatrix enthält, die Bondtemperatur auf 150°C senken.
Verschiedene Anwendungen machen es aber notwendig, diese relativ hohe Arbeitstemperatur beim anodischen Bonden weiter zu senken. Für beispielsweise biologische Anwendungen wäre eine Bondung bei Raumtemperatur (300 K) erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein dafür geeignetes Material anzugeben, das ein anodisches Bonden bei Raumtemperatur ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden von den nachgeordneten Patentansprüchen erfaßt.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, Materialien zu finden, die eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von < 10-9 Ω-1cm-1 bei vernachlässigbarer elektronischer Leitfähigkeit bei der Arbeitstemperatur, z. B. Raumtemperatur (300 K), aufweisen. Im Gegensatz zu üblichen Auswahlverfahren nach dem Stand der Technik, bei denen darauf zu achten war, daß der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Materialien nicht mehr als einige 10-7 K-1 infolge des Unterschieds zwischen der Bond- und späteren Einsatztemperatur und der damit verbundenen mechanischen Einsatztemperaturbereich durchaus Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten in etwa der halben Größenordnung aufweisen können.
Es wurde gefunden, daß in speziellen Phosphatgläsern die Bedingungen für eine besonders hohe Ionenleitfähigkeit schon bei Raumtemperatur gegeben sind. Diese Bedingungen sind zum einen das Vorhandensein leicht beweglicher Ionen wie Li+- und Na+-Ionen (möglich sind auch andere Alkaliionen, Ammoniumionen, einwertige Silberionen u. a.) und zum anderen eine Beschaffenheit der Glasmatrix, die eine sehr gute Beweglichkeit der genannten Ionen ermöglicht. Das der Glasmatrix zugrundeliegende "Bauprinzip" ist von hochionenleitenden kristallinen Verbindungen abgeleitet und konnte bei der Glasbildung im Nahordnungsbereich erhalten werden. Als besonders vorteilhaft wurde die Verwendung von Niob- oder Tantal-Phosphatgläsern mit einer Alkaliionenleitfähigkeit < 10-9 Ω-1cm-1 gefunden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 beispielhaft ein Kavitäten beinhaltendes Plättchen, das zwischen zwei abdeckenden Plättchen anodisch verbondet ist in transparenter Darstellung und
Fig. 2 eine Baugruppe nach Fig. 1 in nichttransparenter Darstellung.
In einem ersten Ausführungsbeispiel soll das Bonden von Plättchen 2, bestehend aus Silizium oder Silizium, versehen mit dielektrischen Schichten, auf ein Plättchen 1, bestehend aus einem Phosphatglas, beschrieben werden. Im Beispiel wird dazu ein Phosphatglas mit der Zusammensetzung (in Mol.-%) Na2O : Nb2O5 : P2O5 = 55 : 15 : 30 verwendet. Das ebene Glassubstrat und/oder das damit zu verbindende Si-Substrat ist dabei im Beispiel mit mehreren Mikrokavitäten 3 oder je nach Bestimmungszweck mit unterschiedlichsten Ausnehmungen versehen. Zumindest umfangsmäßig weisen die zu verbindenden Substrate zueinander korrespondierende ebene Flächen auf, die zueinander in Anlage gebracht werden. Vor dem eigentlichen Bondvorgang sind die entsprechenden Bauelemente, Flüssigkeiten, biologischen Materialien o. ä. in genannte Kavitäten 3 verbracht. Nach dem Zusammenfügen der Substrate wird eine Bondspannung von ca. 300-400 V ca. 2-5 min für eine Glasdicke von ca. 2 mm angelegt. Dabei wird eine Ladung von ca. 1 C/cm2 im Glas umgesetzt. Nach erfolgreicher Bondung bei einer Arbeitstemperatur von 300 K wurde durch Test mit einer Temperaturwechselbelastung im Bereich von ±40 K die sehr gute Haltbarkeit der Bondung, die oberhalb der Bruchgrenze des Glases liegt, nachgewiesen. Es liegt ein sehr großer Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Glases von α = 17,6.10-6 K-1 (20-100°C); 18,1 (20-200°C) gegenüber ca. 3.10-6 K-1 von Silizium vor. Der Verbund genannter Plättchen soll im Beispiel die Länge b = 60 mm und die Breite d = 200 mm aufweisen und mit Kavitäten 3 einer Längsausdehnung a = 100 mm und einer Breitenausdehnung c = 4 mm versehen sein.
Das in Fig. 1 gezeigte kleine beispielhafte Array von Schlitzen, die in einer 2 mm dicken Glasplatte eingebracht wurden, so daß kleine Kavitäten sind, dient der Aufnahme von Bauelementen, verschiedenen Materialien, Flüssigkeiten etc., beschränkt die Verwendungsmöglich­ keiten der Erfindung jedoch nicht darauf.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll ein modifiziertes Phosphatglas verwendet werden, dessen Zusammensetzung (in Mol.-%) Li2O : Nb2O : P2O5 = 55 : 15 : 30 beträgt. Dieses Glas hat einen fast 30% niedrigeren Wert für den linearen Ausdehnungskoeffizienten α = 12,2.10-6 K-1 (20-100°C) und hat damit eine weiter verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit des Verbundes von mindestens ±50 K.
Beide Glassysteme lassen sich sowohl mit DC- als auch mit HF- Verfahren sputtern, wobei die Sputterschichten ebenfalls bondfähig sind, bei wesentlich höheren Temperaturbereichen der Bondstabilität. Dabei können beliebige Materialien, z. B. auch Metalle, für die Plättchen 2 zum Einsatz gelangen, die unter Einsatz der verwendeten Phosphatglasschichten miteinander anodisch gebondet werden können. Die zu bondenden Glaskomponenten können in Schichtform oder als Bulkmaterial vorliegen, wobei 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 bei Temperaturen in der Größenordnung von 300 K gehalten 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 einigen V bis zu einigen 100 V angepaßt festgelegt wird.
Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht in der niedrigen Bondtemperatur, einer relativ niedrigen Bondspannung und Bondzeit, so daß sowohl Lösungsmittel als auch biologische Objekte in den Aufnahmen der Substrate vorgesehen sein können, die bislang üblichen Bondtemperaturen nicht Stand hielten. An den so hermetisch eingeschlossenen Bauelementen und Präparaten können unter abgeschlossenen Bedingungen beliebige Untersuchungen, Synthesen oder ähnliches durchgeführt werden.
So können diese Kavitäten beispielsweise als Miniautoklaven dienen, in denen im ml-, µl- oder nl-Maßstab hochbrisante chemische Untersuchungen, z. B. Miniaturexplosionen, untersucht werden, die man z. B. mittels Laser, elektrisch oder anderer thermischer Quellen anregen und durch das Glas sogar optisch untersuchen kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum anodischen Bonden von bondfähigen Materialien mit Glaskomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß als Bondglas ein Niob- oder Tantal-Phosphatglas mit einer Alkaliionenleitfähigkeit < 10-9 Ω-1cm-1 bei 300 K verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Phosphatglas eines mit einem Alkaliionenanteil im Bereich von 10-70 Mol-% verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Phosphatglas eines mit einem Li2O- oder Na2O-Alkalioxidgehalt im Bereich von 10-70 Mol-% verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Phosphatglas eines mit einem gemischten Alkalioxidgehalt im Bereich von 10-70 Mol-% verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Phosphatglas eines mit einem Niob(V)oxid- oder Tantal(V)oxidgehalt im Bereich von 1-40 Mol-% verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bondglas ein Glas mit einer Zusammensetzung von
Li2O - 55 Mol-%
Nb2O5 - 15 Mol-%
P2O5 - 30 Mol-%
verwendet wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bondglas ein Glas mit einer Zusammensetzung von
Na2O - 55 Mol-%
Nb2O5 - 15 Mol-%
P2O5 - 30 Mol-%
verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskomponenten in Schichtform oder als Bulkmaterial eingesetzt werden,
die zu verbindenden Komponenten miteinander in engen mechanischen Kontakt gebracht werden und der Schichtverbund in Abhängigkeit von den dielektrischen und/oder elektrisch leitenden Schichten und der Bondspannung bei Temperaturen in der Größenordnung von 300 K gehalten 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 einigen V bis zu einigen 100 V angepaßt festgelegt wird.
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