DE10118529C1 - Process for structuring a flat substrate made of glass-like material - Google Patents

Process for structuring a flat substrate made of glass-like material

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Strukturierung eines aus glasartigem Material bestehenden Flächensubstrats. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte aus: DOLLAR A - Bereitstellen eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Halbleiter-Flächensubstrats, DOLLAR A - Strukturieren mindestens einer Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats zum Erhalt von Vertiefungen auf der Oberfläche, DOLLAR A - Verbinden der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats mit dem glasartigen Flächensubstrat, wobei die strukturierte Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats mit einer Oberfläche des glasartigen Flächensubstrats mindestens teilweise überdeckend zusammengeführt wird, DOLLAR A - Tempern der verbundenen Flächensubstrate, derart, dass ein Hineinfließen wenigstens von Teilbereichen des glasartigen Materials in die Vertiefungen der strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats erfolgt, DOLLAR A - Materialabtrag zumindest des wiederverfestigten glasartigen Flächensubstrats, derart, dass das glasartige Flächensubstrat eine bündig zur strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats anschließende Oberfläche annimmt.A method for structuring a surface substrate consisting of glass-like material is described. DOLLAR A The method according to the invention is characterized by the combination of the following method steps: DOLLAR A - providing a semiconductor surface substrate consisting of a semiconductor material, DOLLAR A - structuring at least one surface of the semiconductor surface substrate to obtain depressions on the surface, DOLLAR A - Connecting the surface of the semiconductor surface substrate with the glass-like surface substrate, wherein the structured surface of the semiconductor surface substrate is brought together with a surface of the glass-like surface substrate at least partially overlapping, DOLLAR A - annealing of the connected surface substrates, in such a way that at least partial areas of the glass-like surface flow into it Material in the recesses of the structured surface of the semiconductor surface substrate, DOLLAR A - material removal at least of the re-solidified glass-like surface substrate, such that the glass-like surface chensubstrat adopts a surface that is flush with the structured surface of the semiconductor surface substrate.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strukturierung eines aus glasartigem Material bestehenden Flächensubstrats.The invention relates to a method for structuring a glass-like Material of existing flat substrate.

Glas oder glasartige Materialien als Werkstoff in der modernen Mikroelektronik oder Mikromechanik besitzen gegenüber anderen Materialien insbesondere Kunststoffe zahlreiche Vorteile hinsichtlich ihres mit Halbleitermaterialien vergleichbaren, geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und verfügen darüber hinaus über eine große mechanische sowie auch chemische Stabilität, wodurch diese Materialien in vielen technischen Bereichen von großer Bedeutung sind.Glass or vitreous materials as a material in modern microelectronics or Compared to other materials, micromechanics in particular have plastics numerous advantages with regard to their comparable with semiconductor materials,  low coefficient of thermal expansion and also have a great mechanical as well as chemical stability, which makes these materials are of great importance in many technical areas.

Jedoch sind der Herstellung insbesondere von technisch sehr interessanten Produkten, insbesondere von mikromechanischen und mikroelektronischen Bauelementen aus Glas sehr enge Grenzen gesetzt, da bislang hinsichtlich der Mikrostrukturierung von Glas nur wenig geeigneten Ätzverfahren vorhanden sind, so daß bislang lediglich mechanischen Verfahren wie Sägen, Schleifen, Polieren, Ritzen, Ultraschall oder Sandstrahlen zum Einsatz kommen. Dadurch sind die Strukturierungsmöglichkeiten von Glas stark eingeschränkt. Mit diesen konventionellen Bearbeitungstechniken ist jedoch eine Strukturierung von Glas in den Mikro- und insbesondere Submikrometerbereich nicht mit der in der Halbleiter- Bauelement-Technik geforderten Präzision möglich.However, the manufacture is particularly interesting from a technical point of view Products, especially micromechanical and microelectronic Components made of glass set very narrow limits, as far as the Microstructuring of glass only few suitable etching processes are available, so that so far only mechanical processes such as sawing, grinding, polishing, Cracks, ultrasound or sandblasting are used. That’s why Structuring options for glass severely restricted. With these conventional processing techniques, however, is a structuring of glass in the micro and in particular sub-micrometer range with the in the semiconductor Component technology required precision possible.

Aufgrund dieser stark eingeschränkten Strukturierungsmöglichkeiten werden Mikrostrukturkörper bei allen z. Zt. bekannten Verfahren aus Kunststoff gefertigt. So beschreibt bspw. die DE 43 07 869 A1 ein Verfahren, bei dem Mikrostrukturkörper aus Kunststoff oder Sinterwerkstoffen mittels eines Formeinsatzes abgeformt werden. Der mikrostrukturierte Formeinsatz wird hierbei aus einem festen Körper, der aus Metall, Keramik, Glas, Stein oder einkristallinem Material ist, durch feinmechanische Präzisionsbearbeitung, additive oder subtraktive Strukturierung hergestellt. Anschließend wird der Formeinsatz mit fließfähigem Material ausgefüllt, überdeckt und nach seiner Verfestigung wird das Material von dem Formeinsatz getrennt. Der so gefertigte Mikrostrukturkörper weist allerdings ebenfalls den Nachteil auf, dass er aus einem Material mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt ist und im Vergleich zu glasartigen Materialien über eine geringere mechanische und chemische Stabilität verfügt.Because of these severely restricted structuring options Microstructure body in all z. Currently known methods made of plastic. So describes, for example, DE 43 07 869 A1 a method in the microstructure body molded from plastic or sintered materials using a mold insert become. The micro-structured mold insert is made of a solid body, made of metal, ceramic, glass, stone or single crystal material precision machining, additive or subtractive structuring manufactured. Then the mold insert is filled with flowable material, covered and after its solidification, the material is covered by the mold insert Cut. However, the microstructure body produced in this way also has the Disadvantage on that it is made of a material with a large thermal Expansion coefficient is made and compared to glass-like materials has lower mechanical and chemical stability.

In der WO 97/19027 A1 wird ein Grundsubstrat sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung erläutert, das eine Grabenstruktur aufweist, in die biologisches Probenmaterial eingebracht wird. Zur Strukturierung des Grundsubstrats wird dieses derart erwärmt, dass es sich leicht verformen läßt und bei Erreichen der erforderlichen Temperatur eine Stempeleinheit, die aus einem nicht deformierbaren Werkstoff besteht, auf das Grundsubstrat aufgebracht. Anschließend wird das Grundsubstrat abgekühlt und die Stempeleinheit wieder entfernt. Mit dem hier beschriebenen Verfahren können zwar auch Grundsubstrate aus glasartigen Werkstoffen verformt werden, die Kombination von beliebigen Bereichen aus Glas und Silizium auf ein und demselben Träger, je nach dem, welche Eigenschaften lokal erforderlich sind, ist aber auch mit diesem Verfahren nicht zu erreichen.WO 97/19027 A1 describes a basic substrate and a method for its production Manufacture explained, which has a trench structure in the biological Sample material is introduced. This is used to structure the basic substrate heated so that it can be easily deformed and when the required temperature a stamp unit made from a non-deformable  Material exists, applied to the base substrate. Then that will Base substrate cooled and the stamp unit removed. With this one The processes described can also be made of glass substrates Materials are deformed, the combination of any areas made of glass and silicon on one and the same carrier, depending on which properties are local are necessary, but can also not be achieved with this method.

Könnten die technischen Grenzen in der Glasbearbeitung durchbrochen werden, so ließen sich neue Anwendungsgebiete erschließen, in denen Verbundwerkstoffe aus Silizium und Glas eine tragende Rolle spielen. Derartige Verbundelemente können sich die komplementären Eigenschaften beider Materialien zunutze machen. Zum Beispiel besitzt Glas im Vergleich zu Silizium eine sehr niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit, ist jedoch im Gegensatz zu Silizium im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch transparent.If the technical limits in glass processing could be broken, so new areas of application could be opened up in which composite materials Silicon and glass play a major role. Such composite elements can take advantage of the complementary properties of both materials. To the For example, glass has a very low electrical and compared to silicon thermal conductivity, however, unlike silicon, is visible Wavelength range optically transparent.

Zudem spielt neben Silizium Glas oder glasartige Materialien eine wichtige Rolle bei der Realisierung mikromechanischer Komponenten. Besonders im Hinblick auf eine Verkapseln der Bauelemente auf Waferlevel wird Glas als elektrisch isolierendes Material häufig eingesetzt. Aber auch in diesem Zusammenhang stößt man in der Mikrostrukturierung auf die vorstehend genannten Grenzen.In addition to silicon, glass or glass-like materials also play an important role the implementation of micromechanical components. Especially with regard to one Encapsulating the components at wafer level is glass as an electrically insulating Material often used. But also in this context one comes across the Microstructuring to the limits mentioned above.

Mit den bisher bekannten Verfahren ist es nicht möglich ein inniges Gefüge aus einem Halbleiter, bspw. Silizium und Glas herzustellen, dessen Geometrie lateral im Mikro- und sub-Mikrobereich frei dimensioniert werden kann. Dies jedoch wäre wünschenswert, sodass auf ein und demselben Träger beliebige Bereiche aus Glas und Silizium miteinander kombiniert und vor allem dimensioniert werden können, je nach dem welche Eigenschaften lokal erforderlich sind.With the previously known methods, it is not possible to create an intimate structure to produce a semiconductor, for example silicon and glass, the geometry of which is laterally in the Micro and sub-micro range can be dimensioned freely. However, this would be  desirable, so that on the same support any areas of glass and silicon can be combined and above all dimensioned, depending according to which properties are required locally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Strukturierung eines aus glasartigen Material bestehenden Flächensubstrats derart anzugeben, dass eine Strukturierung von Glas oder glasartigen Materialien, vorzugsweise in Form eines Flächensubstrats mit Strukturdimensionen im Mikro- und sub-Mikrobereich nahezu beliebig vorgenommen werden soll. Insbesondere soll der Werkstoff Glas in der Mikroelektronik sowie auch Mikromechanik in Hinblick auf Verarbeitungsfähigkeit und Einsatzspektrum eine mit Halbleitermaterialien vergleichbare Bedeutung erreichen. Das Verfahren soll eine präzise und möglichst kostengünstige Herstellung derartig strukturierter glasartiger Flächensubstrate sowie auch gestatten. Auch soll das Verfahren grundsätzlich die Möglichkeit bieten Halbleitersubstrate und glasartige Flächenmaterialien miteinander in einen innigen Kontakt zu bringen und in Verbundform miteinander in gewünschter Weise zu strukturieren.The invention is based on the object of a method for structuring a glass-like material existing surface substrate to indicate that a Structuring of glass or glass-like materials, preferably in the form of a Flat substrates with structural dimensions in the micro and sub-micro range almost should be made arbitrarily. In particular, the material glass in the Microelectronics as well as micromechanics with regard to processing ability and Range of applications reach a level comparable to that of semiconductor materials. The aim of the method is to produce such a precise and cost-effective way structured structured glass-like substrates as well as allow. That too should Processes basically offer the possibility of semiconductor substrates and glass-like ones To bring surface materials into intimate contact with each other and in To structure the composite shape with one another in the desired manner.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 21 ist ein mit diesem Verfahren hergestelltes und strukturiertes glasartiges Flächensubstrats. Ferner werden bevorzugte Verwendungen der mit dem Verfahren herstellbaren Produkten angegeben. Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren betreffen den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale.The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified. The subject of claim 21 is a with this method manufactured and structured glass-like sheet substrate. Furthermore preferred uses of the products that can be produced by the method specified. Subject of the subclaims and the description in particular with reference to the figures relate advantageously to the inventive concept further education features.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die in der Halbleiterbearbeitung üblichen Formgebungsverfahren zunutze. So sind Formgebungsverfahren insbesondere für einkristallines Silizium in der Halbleitertechnologie weit verbreitet und gehören zu den Standardverfahren. Durch die Kombination von Lithographieprozessen mit nasschemischen isotropen sowie auch anisotropen Ätzverfahren und diversen Trockenätzverfahren stehen eine große Anzahl an Möglichkeiten zur Herstellung von fast beliebig strukturierten Siliziumoberflächen zur Verfügung. Durch die Massenanwendung in der Halbleitertechnik sind diese Verfahren kostengünstig verfügbar.The method according to the invention is used in semiconductor processing use usual shaping processes. That's how molding processes are widely used in particular for single-crystal silicon in semiconductor technology and belong to the standard procedures. By combining Lithography processes with wet chemical isotropic as well as anisotropic  There are a large number of etching processes and various dry etching processes Possibilities for the production of almost any structured silicon surfaces Available. Due to the mass application in semiconductor technology, these are Process available at low cost.

Um die in der Halbleitertechnologie erfolgreich angewandten Strukturierungsverfahren auch an Glas oder glasartigen Materialien anwenden zu können dient das nachstehende erfindungsgemäße Verfahren, das sich im einzelnen aus den folgenden Verfahrensschritten zusammensetzt:
Zunächst wird ein aus einem Halbleitermaterial bestehendes Halbleiter- Flächensubstrat, bspw. in Form eines Silizium-Wafers bereitgestellt, das mit den bekannten Techniken in einem nachfolgenden Schritt strukturiert wird. So werden mit herkömmlichen Lithographieprozessen digitale oder kontinuierliche Strukturen in einen photosensitiven Lack übertragen, der bspw. auf ein Siliziumsubstrat, vorzugsweise einen einkristallinen Siliziumwafer, aufgebracht ist. Mit der in der Halbleiterindustrie üblichen Kontakt- oder Projektionsbelichtung stehen Standardverfahren zur Übertragung von digitalen Strukturen zur Verfügung. Mit Hilfe der Grautonlithographie können somit auch fast beliebig geformte Oberflächen abgebildet werden. Nach dem Belichten wird in einem Entwicklerbad das nicht belichtete Lackvolumen entfernt. Durch Ätzprozesse wird die Topographie des Lackes in das Silizium übertragen. In Frage kommen dabei sowohl nasschemische Ätzverfahren (KOH-Verfahren) als auch im besonderen Maße Plasmaätzverfahren (Plasma-Etch, Reactive Ion Etch (RIE)). Mit beiden Verfahren können auch vergleichsweise tiefe Strukturen mit Strukturdimensionen im Submikrometerbereich hergestellt werden.
In order to be able to use the structuring methods successfully used in semiconductor technology also on glass or glass-like materials, the method according to the invention below is used, which is composed in detail of the following method steps:
First, a semiconductor surface substrate consisting of a semiconductor material is provided, for example in the form of a silicon wafer, which is structured in a subsequent step using the known techniques. With conventional lithography processes, for example, digital or continuous structures are transferred into a photosensitive lacquer which is applied, for example, to a silicon substrate, preferably a single-crystalline silicon wafer. With the contact or projection exposure customary in the semiconductor industry, standard methods for the transmission of digital structures are available. With the help of gray-tone lithography, surfaces of almost any shape can be imaged. After exposure, the unexposed coating volume is removed in a developer bath. The topography of the lacquer is transferred into the silicon by etching processes. Both wet chemical etching processes (KOH processes) and, in particular, plasma etching processes (plasma etch, reactive ion etch (RIE)) are possible. With both processes, comparatively deep structures with structural dimensions in the submicron range can also be produced.

Nun erfolgt ein inniges Verbinden der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats mit einem glasartigen Flächensubstrat, wobei die strukturierte Oberfläche des Halbleiter- Flächensubstrats mit einer Oberfläche des glasartigen Flächensubstrats mindestens teilweise überdeckend zusammengeführt wird. Zur festen und innigen Verbindung beider Flächensubstrate eignet sich besonders das anodische Bonden, sodass eine hermetisch dichte Verbindung zwischen beiden Flächensubstraten entsteht.Now an intimate connection of the surface of the semiconductor surface substrate with a glass-like surface substrate, the structured surface of the semiconductor Flat substrate with a surface of the glass-like flat substrate at least partially overlapping. For a firm and intimate connection  Both surface substrates are particularly suitable for anodic bonding, so that one Hermetically sealed connection between the two surface substrates is created.

Die Technik des Anodischen Bondens ist bereits seit Ende der sechziger Jahre bekannt, bei der zwei hochplanare Substrate, in der Regel bestehend aus einem Metall- und einem Isolatorsubstrat auf einer sogenannten "Hot Plate" erhitzt. Im vorstehend beschriebenen Fall werden das Halbleiter- und das glasartige Flächensubstrat zusammengefügt. Zusätzlich wird eine Spannung zwischen beiden Flächensubstraten von bis zu 1000 V angelegt. Befindet sich der negative Pol am glasartigen Flächensubstrat, so wandern die in der Glasmatrix vorhandenen positiven, beweglichen Ionen in Richtung Kathode. Die unbeweglichen, und somit ortsfesten Sauerstoffionen bilden an der Grenze zum Halbleiter eine negative Raumladungszone. Zum einen führt die resultierende elektrostatische Kraft zu einem engen Kontakt der beiden Substratoberflächen. Zum anderen wird durch die starken elektrischen Felder an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter-Flächensubstrat, bspw. ein Siliziumwafer, und dem Glas eine elektrochemische Reaktion ausgelöst in deren Verlauf sich an der Grenzfläche ein Oxid ausbildet das beide Substrate miteinander verbindet.The technique of anodic bonding has been around since the late 1960s known in which two highly planar substrates, usually consisting of one Metal and an insulator substrate heated on a so-called "hot plate". in the The case described above is the semiconductor and the glassy Surface substrate joined together. In addition, there is a tension between the two Surface substrates of up to 1000 V are applied. The negative pole is on glass-like surface substrate, so that those present in the glass matrix migrate positive, mobile ions towards the cathode. The immovable, and thus Fixed oxygen ions form a negative on the border to the semiconductor Space charge region. For one thing, the resulting electrostatic force leads to one close contact of the two substrate surfaces. On the other hand, the strong electric fields at the interface between the semiconductor surface substrate, For example, a silicon wafer, and the glass triggered an electrochemical reaction in the course of which at the interface forms an oxide that forms both substrates connects with each other.

Beim Anodischen Bonden von Si und Glas wird als glasartiges Flächensubstrat ein Borosilikatglas (Pyrex™, Borofloat™) verwendet, das im thermischen Ausdehnungskoeffizient weitgehend an Silizium angepaßt ist. Allerdings werden bei diesem Verfahren die beiden scheibenförmig vorliegenden Materialien als vertikaler Verbund (einfach oder mehrfach) übereinandergestapelt.When anodic bonding of Si and glass is used as a glass-like surface substrate Borosilicate glass (Pyrex ™, Borofloat ™) used in the thermal Expansion coefficient is largely adapted to silicon. However, at this process the two disc-shaped materials as vertical Composite (single or multiple) stacked on top of each other.

Nun erfolgt der eigentliche Struktur-übertragende Schritt vom vorstrukturierten Halbleiter-Flächensubstrat auf das glasartige Flächensubstrat, im Wege eines Tempervorganges der verbundenen Flächensubstrate. Im Wege eines Ofenprozess, bei dem das glasartige Material in den plastischen Bereich oberhalb der Glastemperatur TG erhitzt wird, füllt das Glasmaterial die Strukturöffnungen bzw. die Vertiefungen innerhalb des Halbleiter-Flächensubstrats vollständig aus. Nach entsprechendem Abkühlen beider innig miteinander verbundenen Flächensubstrate, deren thermisches Ausdehnungsverhalten vergleichbar oder gar identisch sind, wodurch nur geringe oder keine thermischen Spannungen auftreten, weist das glasartige Flächensubstrat die Struktur des Halbleiter-Flächensubstrats in der Negativform auf.The actual structure-transferring step now takes place from the pre-structured semiconductor flat substrate to the glass-like flat substrate, by means of a tempering process of the connected flat substrates. In a furnace process in which the glass-like material is heated to the plastic region above the glass temperature T G , the glass material completely fills the structural openings or the depressions within the semiconductor surface substrate. After corresponding cooling of both intimately connected surface substrates, the thermal expansion behavior of which is comparable or even identical, as a result of which little or no thermal stress occurs, the glass-like surface substrate has the structure of the semiconductor surface substrate in the negative form.

Anschließend wird die Oberfläche des glasartigen Flächensubstrats bis auf die vorstrukturierte Halbleiteroberfläche zurückgeschliffen und poliert, z. B. durch Chemisch-mechanisches Polieren, sodass bereits nach Vollendung dieses Bearbeitungsschrittes ein Verbund-Flächensubstrat erhalten wird, in dem Glas oder glasartiges Material mit Strukturdimensionen geformt ist, die bislang nur Halbleitermaterialien und allen voran einkristallines Silizium vorbehalten waren.Then the surface of the glass-like surface substrate except for the pre-structured semiconductor surface ground back and polished, e.g. B. by Chemical-mechanical polishing, so that after completion of this Processing step a composite surface substrate is obtained in the glass or glass-like material is shaped with structural dimensions that so far only Semiconductor materials and especially single crystal silicon were reserved.

In weiteren vorteilhaften Bearbeitungsschritten wird nun die Rückseite des Halbleiter- Flächensubstrat bearbeitet, indem das überschüssige Halbleitermaterial, bspw. Silizium ebenfalls durch Schleifen und Polieren entfernt wird. Damit bleibt ein Substrat übrig, das in bestimmten Arealen aus Halbleitermaterial und in anderen aus dem glasartigen Material besteht.In further advantageous processing steps, the back of the semiconductor Surface substrate processed by the excess semiconductor material, for example. Silicon is also removed by grinding and polishing. That leaves one Substrate left that is made of semiconductor material in certain areas and others the glassy material.

Zusätzlich ist es möglich in einem weiteren Ätzprozess das Halbleitermaterial zu entfernen, um zum Beispiel sehr schmale Löcher oder Durchbrüche im Glassubstrat zu erhalten. Weitere mechanische Schleif- und Poliervorgänge können sich daran anschließen, um die Durchbrüche präzise zu öffnen bzw. entsprechende Öffnungskonturen zu erhalten.In addition, it is possible to add the semiconductor material in a further etching process remove, for example, very narrow holes or openings in the glass substrate to obtain. Other mechanical grinding and polishing processes can do so connect to open the openings precisely or corresponding Obtain opening contours.

Unter Ausnutzung der Fliesseigenschaft von Glas im erhitzten Zustand kann also die Oberflächentopographie von einem strukturierten Halbleiter-Flächensubstrats, bspw. in Form eines Siliziummasters, in glasartige Materialien exakt übertragen werden. Dadurch ergeben sich erhebliche Vorteile in der Fertigung und in Bezug auf die Präzision. So können die Vorteile der Siliziumtechnologie (exakte Formgebungsverfahren bis in den sub-µm-Bereich hinein, Vielfalt der Strukturierungsmöglichkeiten) sowie die guten Materialeigenschaften von Glas kombiniert werden. Taking advantage of the flow properties of glass in the heated state can therefore Surface topography of a structured semiconductor surface substrate, e.g. in the form of a silicon master, can be transferred exactly into glass-like materials. This results in considerable advantages in production and in terms of Precision. The advantages of silicon technology (exact Shaping processes down to the sub-µm range, variety of Structuring options) and the good material properties of glass be combined.  

Bei hinreichend großen Strukturhöhen im ursprünglichen Halbleiter-Flächensubstrats und kompletter Abformung in das glasartige Flächensubstrat durch einen geeigneten Glasfliessprozess, können damit Flächen erzeugt werden, die komplett durch das neue Verbundsubstrat hindurch reichen. Je nach der flächenmäßigen Verteilung können auf diese Weise Glaswafer mit Siliziumdurchführungen oder Siliziumwafer mit Glasfenster erzeugt werden.With sufficiently large structural heights in the original semiconductor surface substrate and complete impression in the glass-like surface substrate by a suitable Glass flow process, surfaces can be created that are completely by the reach through new composite substrate. Depending on the area distribution can be used in this way glass wafers with silicon bushings or silicon wafers be created with a glass window.

Ein besonders wichtiger Aspekt hierbe ist die sehr gute thermische Verträglichkeit beider Materialien, bspw. Silizium und Glas (Borosilikatgläser wie etwa Pyrex®, Tempax® oder Borofloat Glas). Aufgrund der fast perfekten Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium und Pyrexglas® läßt sich gewissermaßen ein thermisch homogenes Substrat herstellen. Insbesondere treten dadurch keinerlei Effekte auf, die auf thermisch induzierten Streß zurückzuführen sind, wie etwa Neigung zu Rißbildung oder Verbiegung der Substrate.A particularly important aspect here is the very good thermal compatibility both materials, e.g. silicon and glass (borosilicate glasses such as Pyrex®, Tempax® or Borofloat glass). Because of the almost perfect match of the thermal expansion coefficient between silicon and Pyrexglas® can be to a certain extent produce a thermally homogeneous substrate. In particular kick therefore no effects due to thermally induced stress such as a tendency to crack or bend the substrates.

Die Dicke beider Flächensubstrate liegt typischerweise zwischen 0.1 mm und 1 mm. Es wird an dieser Stelle betont werden, daß die laterale Geometrie der Segmentierung des Halbleiter- und glasartigen Flächensubstrats keiner prinzipiellen Einschränkung unterworfen ist. Die Bereiche unterschiedlicher Materialien können zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein. Die minimalen Abmessungen der Bereiche hängen von der Präzision des primären Halbleiter- Strukturierungsverfahrens und der mechanischen Stabilität des Wafers oder Chips ab. Mit anisotropem Trockenätzen ("Deep RIE") wird man bei den Siliziumstrukturen etwa ein Aspektverhältnis (Höhe : Breite) von 10 : 1 erreichen können. Damit entstünden beispielsweise in einem 500 µm dicken Glaswafer Durchbrüche oder Löcher mit 50 µm Durchmesser. Die feinsten Glasstrukturen können allerdings geringere Abmessungen haben, da es möglich ist in Silizium sehr feine Löcher zu ätzen, bspw. mittels Porenätzen.The thickness of both surface substrates is typically between 0.1 mm and 1 mm. It will be emphasized at this point that the lateral geometry of the Segmentation of the semiconductor and glass-like surface substrate is not a basic one Is subject to restriction. The areas of different materials can be connected or not connected. The minimal Dimensions of the areas depend on the precision of the primary semiconductor Structuring method and the mechanical stability of the wafer or chip from. Anisotropic dry etching ("Deep RIE") is used for the silicon structures about an aspect ratio (height: width) of 10: 1. In order to For example, breakthroughs would occur in a 500 µm thick glass wafer Holes with a diameter of 50 µm. The finest glass structures can, however have smaller dimensions because it is possible to make very fine holes in silicon etching, for example by means of pore etching.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on exemplary embodiments with reference to the drawing is described as an example. Show it:

Fig. 1 Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines strukturierten glasartigen Flächensubstrates, Fig. 1 flow chart of the inventive method for producing a patterned glass-like surface of the substrate,

Fig. 2 Draufsicht auf ein glasartiges Flächensubstrat mit elektrischen Durchführungen, Fig. 2 plan view of a glass-like surface substrate having electrical feedthroughs,

Fig. 3a, b Anwendungsbeispiele für ein prozessiertes glasartiges Flächensubstrat sowie Fig. 3a, b for examples of using a processed glass-like surface substrate, and

Fig. 4 Draufsicht auf ein Halbleiter-Flächensubstrat mit isolierten elektrischen Durchführungen. Fig. 4 top view of a semiconductor surface substrate with insulated electrical feedthroughs.

In Fig. 1 sind die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in schematisierter Abfolge dargestellt. Die in den Fig. 1a bis 1f gezeigten Abbildungen weisen schraffierte Flächenbereiche auf, die dem glasartigen Flächensubstrat, beispielsweise einem einkristallinen Siliziumwafer entsprechen. Die schwarz ausgeführten Flächenbereiche betreffen das Halbleiter-Flächensubstrat, das in einer vorgegebenen Weise strukturiert ist.The process steps according to the invention are shown in a schematic sequence in FIG. 1. The illustrations shown in FIGS. 1a to 1f have hatched surface areas which correspond to the glass-like surface substrate, for example a single-crystal silicon wafer. The areas of black design relate to the semiconductor area substrate, which is structured in a predetermined manner.

In Fig. 1a wird das glasartige Flächensubstrat auf das bereits vorstrukturierte Halbleiter-Flächensubstrat im Wege des anodischen Bondens innig verfügt. Hierbei schließen beide Flächensubstrate Zwischenvolumen ein, die durch die Geometrie der Vertiefungen innerhalb der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrates vorgegeben sind. In vorteilhafter Weise erfolgt das Zusammenfügen beider Flächensubstrate unter Vakuumbedingungen, so dass sich nach erfolgtem anodischen Bonden gemäß Fig. 1a in einem darauffolgenden Tempervorgang (Fig. 1b) das über die Glastemperatur erhitzte glasartige Flächensubstrat vollständig in die Strukturöffnungen des vorstrukturierten Halbleiter-Flächensubstrates verteilt. Der Tempervorgang, der vorzugsweise in einem Ofenprozess erfolgt, wird unter Normaldruckbedingungen oder unter erhöhten Druckbedingungen durchgeführt. Die treibende Kraft, mit der das plastische Glasmaterial in die Strukturöffnungen hineingetrieben wird, ist zwar grundsätzlich das innerhalb der Strukturöffnungen eingeschlossene Vakuum, doch kann der Vorgang durch etwaig vorhandene Überdruckbedingungen innerhalb des Temperofens unterstützt werden. Bei konstanter Temperatur und entsprechender Prozesszeit haben jedoch die Materialeigenschaften des glasartigen Flächensubstrates den entscheidenden Einfluss auf die Ausprägung und Genauigkeit der Strukturabformung.In Fig. 1a, the glass-like surface substrate is intimately disposed on the already pre-structured semiconductor surface substrate by way of anodic bonding. Both surface substrates include intermediate volumes, which are predetermined by the geometry of the depressions within the surface of the semiconductor surface substrate. The two surface substrates are advantageously joined under vacuum conditions, so that after the anodic bonding according to FIG. 1a has taken place, in a subsequent annealing process ( FIG. 1b) the glass-like surface substrate heated above the glass transition temperature is completely distributed into the structure openings of the pre-structured semiconductor surface substrate. The annealing process, which is preferably carried out in an oven process, is carried out under normal pressure conditions or under elevated pressure conditions. The driving force with which the plastic glass material is driven into the structure openings is in principle the vacuum enclosed within the structure openings, but the process can be supported by any overpressure conditions within the tempering furnace. At constant temperature and corresponding process time, however, the material properties of the glass-like flat substrate have a decisive influence on the form and accuracy of the structural impression.

Nach entsprechendem Erkalten beider nun innig miteinander verzahnten Flächensubstrate erfolgt ein Materialabtrag mittels geeigneter Schleif- und/oder Polierprozessen. Je nach späterer Verwendungsweise kann gemäß Fig. 1c das Halbleiter-Flächensubstrat von unten abgetragen werden, so dass ein glasartiges Flächensubstrat entsteht, in dem feinst strukturierte Halbleiterbereiche enthalten sind oder aber es wird gemäß Verfahrensschritt Fig. 1d das glasartige Flächensubstrat von oben in der Weise abgetragen, so dass das glasartige Flächensubstrat bündig mit der strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrates abschließt (siehe hierzu Fig. 1d).After the two surface substrates, which are now closely intermeshed, have cooled accordingly, material is removed by means of suitable grinding and / or polishing processes. Depending on the later use, the semiconductor surface substrate can be removed from below according to FIG. 1c, so that a glass-like surface substrate is formed which contains finely structured semiconductor regions, or the glass-like surface substrate is removed from above in accordance with method step FIG. 1d , so that the glass-like surface substrate is flush with the structured surface of the semiconductor surface substrate (see FIG. 1d).

Fig. 1e zeigt schließlich das Ergebnis eines weiteren Materialabtrageprozesses, der die über die strukturierten Bereiche hinausstehenden, entsprechenden Flächensubstratanteile (siehe hierzu Fig. 1c, 1d) beseitigt. In diesem Stadium wird ein feinst strukturiertes glasartiges Flächensubstrat erhalten, das mit einer Vielzahl von Halbleiter-Durchbrüchen vollständig durchsetzt ist. Eine derartige Verbundkomponente kann, wie nachstehend erläutert wird, zur selektiven elektrischen Kontaktierung von mikroelektronischen Bauelementen dienen. FIG. 1e finally shows the result of a further material removal process, which eliminates the corresponding surface substrate portions that project beyond the structured areas (see FIGS. 1c, 1d). At this stage, a finely structured glass-like flat substrate is obtained, which is completely interspersed with a large number of semiconductor openings. Such a composite component can, as will be explained below, serve for the selective electrical contacting of microelectronic components.

In Fig. 1f ist ein mit Perforierungen bzw. vollständigen Durchbrüchen versehenes glasartiges Flächensubstrat dargestellt, das nach Durchführung eines Ätzprozesses, in dem die in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Materialbereiche entfernt werden, erhalten wird.In Fig. 1f provided with perforations or openings complete vitreous substrate surface is shown which is obtained after carrying out an etching process in which the semiconductor material regions shown in Fig. 1 are removed.

Alternativ zur vollständigen Beseitigung des strukturierten Halbleiter- Flächensubstrates im Wege des in Fig. 1f angedeuteten Ätzprozesses ist es auch möglich, beide Flächensubstrate beispielsweise nach vollendeter Abkühlung im Anschluss an den Tempervorgang voneinander zu trennen, indem eine geeignete Trennschicht zwischen beiden Flächensubstraten eingebracht wird. So ist es insbesondere möglich, dass durch Aufbringen geeigneter Trennschichten eine Wiederverwendung des vorstrukturierten Halbleiter-Flächensubstrates realisierbar ist, wodurch die Verfahrenskosten erheblich reduziert werden können. Hierzu ist es erforderlich, dass vor dem Verbinden beider Flächensubstrate eine oder mehrere Trennschichten zwischen beiden Flächensubstraten eingebracht werden. Prinzipiell gibt es hierzu mehrere Möglichkeiten:
As an alternative to the complete removal of the structured semiconductor surface substrate by means of the etching process indicated in FIG. 1f, it is also possible to separate the two surface substrates from one another, for example after completion of cooling after the tempering process, by introducing a suitable separating layer between the two surface substrates. It is thus possible, in particular, that the pre-structured semiconductor flat substrate can be reused by applying suitable separating layers, as a result of which the process costs can be considerably reduced. For this purpose, it is necessary that one or more separating layers are introduced between the two surface substrates before the connection of the two surface substrates. In principle there are several options:

  • a) Auf dem Halbleiter-Flächensubstrat, bspw. Si-Wafer, wird eine Kohlenstoffschicht (oder Diamantschicht oder diamantähnliche Schicht oder SiC) aufgebracht, die ein Ankleben des Glases am Silizium unterbindet. Die Verbindung des Si-Wafers mit dem Glaswafer wird durch einen Ring aus einem Lot erreicht, der die beiden Wafer am Waferrand vakuumdicht verbindet. Zwar wird das Lot bei der Prozesstemperatur bei der das Glasfließen stattfindet flüssig, die schlechte Benetzung der unbeschichteten Glas bzw. Kohlenstoffschichten verhindert jedoch, daß das Lot zu weit zwischen die Wafer eindringen kann. Die Trennung der beiden Wafer kann entweder rein mechanisch erfolgen, der Lotring kann auch durch Ätzen entfernt werden oder aber die Kohlenstoffschicht wird durch einen Oxidationsprozess (ca. 400-500°C unter Sauerstoff) zwischen den beiden Substraten abgetragen. Vor einen weiteren Einsatz des Siliziumwafers müssen diese Schichten unter Umständen diese Trennschicht erneut aufgetragen werden. a) On the semiconductor surface substrate, for example Si wafer, a Carbon layer (or diamond layer or diamond-like layer or SiC) applied the one Sticking the glass to the silicon prevents. The connection of the Si wafer with The glass wafer is reached by a ring of solder, which is the two wafers connects vacuum-tight at the edge of the wafer. Although the solder is at the process temperature where the glass flow takes place liquid, the poor wetting of the Uncoated glass or carbon layers, however, prevents the solder from becoming too can penetrate far between the wafers. The separation of the two wafers can either done purely mechanically, the solder ring can also be removed by etching or the carbon layer is removed by an oxidation process (approx. 400-500 ° C under oxygen) between the two substrates. Before further use of the silicon wafer, these layers must be under Under certain circumstances this separation layer can be applied again.  
  • b) Auf dem Si-Wafer wird eine Haftvermittlungsschicht aus einem geeigneten Metall aufgebracht z. B. Tantal. Auf dieser Schicht wird ein weiteres Metall aufgebracht, z. B. Zinn. Zinn verhindert ebenfalls ein Ankleben des Glases am Silizium und ist während des Glasfließprozesses flüssig. Die Trennung der beiden Wafer kann entweder während eines weiteren Temperschritt oberhalb des Schmelzpunkts von Zinn rein mechanisch erfolgen oder aber das Metall wird selektiv zum Silizium und Glas herausgeätzt.b) On the Si wafer, an adhesion-promoting layer is made from a suitable one Metal applied e.g. B. Tantalum. Another metal is on this layer applied, e.g. B. tin. Tin also prevents the glass from sticking to the Silicon and is liquid during the glass flow process. The separation of the two The wafer can either be removed during a further tempering step above the The melting point of tin is purely mechanical or the metal becomes selective etched out to silicon and glass.
  • c) Auf dem Siliziumwafer wird eine zweite Schicht aufgebracht, mit der direkt der Glaswafer verbunden werden kann (z. B. durch anodic bonding). Beispiele hierfür wären Silizium, Titan, Aluminium oder Tantal. Am Ende des gesamten Prozesses wird diese Opferschicht durch Ätzen selektiv zum Glas oder Silizium entfernt. Um zu vermeiden, dass der ursprüngliche Si-Wafer angegriffen wird, kann der Wafer auch mit geeigneten Schichten versehen werden, z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid.c) A second layer is applied to the silicon wafer, with which the Glass wafers can be connected (e.g. by anodic bonding). Examples of this would be silicon, titanium, aluminum or tantalum. At the end of the whole process this sacrificial layer is selectively removed from the glass or silicon by etching. In order to To avoid attacking the original Si wafer, the wafer can also be provided with suitable layers, e.g. As silicon nitride or silicon carbide.

Mit den geeigneten Trennschichten kann der Herstellungsprozess so abgewandelt werden, daß der Siliziumwafer mehrfach eingesetzt werden kann. Unter Umständen müssen die Trennschichten vor einem erneuten Einsatz wieder aufgebracht werden. Der nach dem Abtrennen des Siliziumwafers erhaltene strukturierte Glaswafer muß schließlich nur noch auf der Rückseite abgeschliffen werden, um komplette Durchbrüche zu erhalten. Diese Durchbrüche können in einem weiteren Prozeß z. B. galvanisch mit Metallen aufgefüllt werden.The manufacturing process can be modified with the appropriate separating layers be that the silicon wafer can be used several times. In certain circumstances the separating layers must be reapplied before being used again. The structured glass wafer obtained after the silicon wafer has been separated off must finally only be sanded on the back to complete Get breakthroughs. These breakthroughs can be in a further process such. B. be galvanically filled with metals.

Im allgemeinen erfolgt in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik die elektrische Kontaktierung von Chips über am Rand der Chips liegende Pads. In einer Reihe von Anwendungsfällen ist dies jedoch nachteilhaft und daher nicht gewünscht.In general, electrical is used in microelectronics and microsystem technology Contacting of chips via pads lying on the edge of the chips. In a series of However, this is disadvantageous in use cases and is therefore not desired.

Beispielsweise
For example

  • - aus elektrischen Gründen, um Signalverluste zu reduzieren, z. B. bei kleinen kapazitiven Signalen oder bei HF-Signalen. Die elektrische Durchführung bietet einen geringeren Serienwiderstand, geringere Streukapazitäten und geringere Induktivitäten als die Kontaktierung über den Rand. - For electrical reasons to reduce signal losses, e.g. B. for small capacitive signals or HF signals. The electrical feedthrough offers a lower series resistance, lower stray capacities and lower Inductors than contacting over the edge.  
  • - aus Platzgründen. Dies gilt insbesondere für Systeme, die nahtlos arrayförmig aus mehreren Chips zusammengesetzt werden müssen, z. B. großflächige Detektorenarrays oder Mikrospiegelarrays. In diesen Fällen muß bei den inneren Chips auf den Padbereich verzichtet werden. Aber auch bei Einzelbauelementen gibt es oftmals Platzprobleme, z. B. bei medizinischen Mikrosonden (Elektroden zur Stimulation oder Registrierung).- for space reasons. This is especially true for systems that are seamlessly array-shaped must be composed of several chips, e.g. B. large area Detector arrays or micromirror arrays. In these cases, the inner Chips on the pad area can be dispensed with. But also for individual components there are often space problems, e.g. B. in medical micro probes (electrodes for stimulation or registration).
  • - wenn mehrere funktionale Chips übereinandergestapelt werden und einen Stack bilden. Beispielsweise kann die oberste Ebene aus Sensoren (z. B. optische) bestehen und in dem Chip darunter die Signalverarbeitungselektronik liegen.- if several functional chips are stacked on top of one another and a stack form. For example, the top level of sensors (e.g. optical) exist and the signal processing electronics are in the chip underneath.
  • - Probe-Cards bestehen aus Mikrokontaktarrays zum automatisierten elektrischen Test von Chips, Wafern oder Leiterplatten. In diesem Fall ist aus elektrischen Gründen, bei größeren Probe-Cards auch aus Platzgründen eine Durchkontaktierung gewünscht.- Probe cards consist of micro contact arrays for automated electrical Test of chips, wafers or circuit boards. In this case it is electrical Reasons, in the case of larger trial cards also one for reasons of space Vias desired.

In eben jenen Fällen ist eine Durchkontaktierung durch den Chip eine Alternative, die mit einem erfindungsgemäß prozessierten Glassubstrat möglich ist.In those cases, through-contacting by the chip is an alternative is possible with a glass substrate processed according to the invention.

Fig. 2 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf ein prozessierten Glaswafer (weißer Bereich), der mit elektrischen Kontakten (schwarze Bereiche) durchsetzt ist. Eine derartige Struktur ist im Verfahrensschritt gemäß der Fig. 1e erhältlich. Die elektrischen Kontakte durch den Glaswafer können aus hochleitendem Silizium (Verfahren ohne Trennschicht) oder aus Metallen bestehen (Verfahren mit Trennschicht und nachfolgendem Aufmetallisieren der freien Durchbrüche innerhalb des Glaswafers). Fig. 2 shows a schematic plan view of a processed glass wafer (white area) provided with electrical contacts (black areas) is penetrated. Such a structure can be obtained in the method step according to FIG. 1e. The electrical contacts through the glass wafer can consist of highly conductive silicon (process without a separating layer) or of metals (process with a separating layer and subsequent metallization of the free openings in the glass wafer).

Besonders vorteilhaft erscheint die Verwendung derartig strukturierter Substrate für den Aufbau mikromechanischer Komponenten für den Hochfrequenzbereich 1-100 GHz. Ein konkretes Beispiel hierzu ist der Fig. 3a) und b) zu entnehmen. In diesem Beispiel wird auf einem Glassubstrates mit elektrischen Durchführungen ein mikromechanisches Bauelement (mirkomechanischer Schalter) aufgebaut (Fig. 3a). Am Ende des gesamten Herstellungsablaufs wird die gesamte Struktur hermetisch mit einem Deckelwafer im Wege eines Lötprozesses verkappt, wobei auch die elektrischen Kontakte zwischen beiden Wafern hergestellt werden. Alternativ können die elektrischen Kontakte auch in den Deckel eingebracht werden (Fig. 3b).The use of such structured substrates for the construction of micromechanical components for the high-frequency range 1-100 GHz appears to be particularly advantageous. A specific example of this can be seen in FIGS . 3a) and b). In this example, a micromechanical component (micro-mechanical switch) is built up on a glass substrate with electrical feedthroughs ( FIG. 3a). At the end of the entire production process, the entire structure is hermetically sealed with a lid wafer by means of a soldering process, the electrical contacts between the two wafers also being produced. Alternatively, the electrical contacts can also be introduced into the cover ( FIG. 3b).

Auch dienen die in Fig. 2 dargestellten elektrischen Kontaktbereiche der gezielten Wärmeabführung. Einsatzbereiche sind denkbar bei Anwendungen, bei denen in einem Glassubstrat in bestimmten Bereichen Wärme abgeführt werden muß. Die Silizium- oder Metalldurchführungen dienen hier also als Wärmeleitpfade.The electrical contact areas shown in FIG. 2 also serve for targeted heat dissipation. Areas of application are conceivable for applications in which heat has to be dissipated in certain areas in a glass substrate. The silicon or metal bushings are used here as heat conduction paths.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Siliziumwafer (schwarze Bereiche) dargestellt, der zu Zwecken isolierter elektrischer Durchführungen ringförmige Glasbereiche (weiße Bereiche) aufweist. Eine derartige Struktur kann auch in etwas abgewandelter Form im Rahmen des Verfahrensschrittes gemäß Fig. 1e erhalten werden. Derartige Siliziumwafer, bei denen in bestimmten Bereichen aus elektrischen, thermischen oder optischen Gründen Glas eingearbeitet sind, eignen sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle: FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a silicon wafer (black areas) which has annular glass areas (white areas) for the purpose of isolated electrical feedthroughs. Such a structure can also be obtained in a somewhat modified form in the course of the method step according to FIG. 1e. Such silicon wafers, in which glass is incorporated in certain areas for electrical, thermal or optical reasons, are suitable for a large number of different applications:

Siliziumwafer mit thermisch isolierten BereichenSilicon wafers with thermally insulated areas

Für diese Anwendungen sind die Strukturen nach den Fig. 1d oder 1e geeignet. Thermisch isolierte Bereiche auf Siliziumwafern sind insbesondere bei thermischen Sensoren erforderlich, zum Beispiel bei Thermopiles, Bolometern oder pyroelektrischen Sensoren. Für diese Sensortypen werden bislang Membranstrukturen im oder auf dem Chip erzeugt, um die thermische Isolation zu gewährleisten. Diese Sensoren sind jedoch aus Stabilitätsgründen nicht für Einsatzbereiche mit hoher mechanischer Belastung geeignet.The structures according to FIGS. 1d or 1e are suitable for these applications. Thermally insulated areas on silicon wafers are particularly necessary for thermal sensors, for example thermopiles, bolometers or pyroelectric sensors. So far, membrane structures have been produced in or on the chip for these sensor types in order to ensure thermal insulation. However, for reasons of stability, these sensors are not suitable for areas of application with high mechanical loads.

Siliziumwafer mit elektrisch isolierten BereichenSilicon wafer with electrically insulated areas

Hierzu sind ebenfalls die Strukturen gemäß der Fig. 1d oder 1e nutzbar. Auf den Glasbereichen können insbesondere passive HF-Bauelemente (z. B. Induktivitäten) oder MEMS-Bauelemente mit hoher Güte platziert werden. Auf reinen Siliziumsubstraten können aufgrund der Verluste im Substrat keine hohen Güten erreicht werden. The structures according to FIGS. 1d or 1e can also be used for this purpose. Passive RF components (e.g. inductors) or MEMS components with high quality can be placed on the glass areas. Due to the losses in the substrate, high grades cannot be achieved on pure silicon substrates.

Siliziumwafer mit optischen FensternSilicon wafer with optical windows

Hierzu können die Strukturen gemäß der Fig. 1c oder 1e eingesetzt werden. Einsatzmöglichkeiten sind z. B. Lichtkollimatoren mit spezifischer Formgebung oder Kollimatorarrays mit engen Öffnungen.The structures according to FIG. 1c or 1e can be used for this. Applications are e.g. B. light collimators with a specific shape or collimator arrays with narrow openings.

Generell ist die Herstellung hermetisch dichter Verbindungen bereits auf Waferebene ein sehr wichtiges Thema in der Mikrosystemtechnik. Bewegliche Mikrostrukturen müssen in jedem Fall gegen widrige Umweltbedingungen geschützt werden, am besten noch auf Waferebene. Neben den Kostenaspekten die für eine Verkapselung auf Waferebene sprechen, spielt vor allem ein Schutz gegenüber den notwendigen Vereinzelungsprozessen eine sehr wichtige Rolle. Da zudem häufig eine hermetisch dichte Versiegelung erforderlich ist, ergibt sich zwangsläufig das Problem der elektrischen Durchführungen unterhalb der Versiegelungsflächen. In diesem Zusammenhang die Verkapselung von mikroelektronischen Bauelementen betreffend unterstützt das erfindungsgemäße Verfahren die CSP-Technologie (Chip Side Packaging).In general, the production of hermetically sealed connections is already at the wafer level a very important topic in microsystem technology. Movable microstructures must always be protected against adverse environmental conditions best at the wafer level. In addition to the cost aspects of encapsulation Speaking at the wafer level plays above all a protection against the necessary Separation processes play a very important role. Because it is often hermetic tight sealing is required, the problem of inevitably arises electrical feedthroughs below the sealing surfaces. In this Relationship between the encapsulation of microelectronic components the method according to the invention supports CSP technology (chip Side packaging).

Im Falle der Siliziumsensoren haben sich Verfahren auf der Basis von Glasloten bewährt, allerdings werden dabei Prozesstemperaturen von ca. 400°C benötigt, eindeutig zu hoch etwa für metallische Mikroelemente. Zudem eignen sich Verbindungstechniken auf der Basis von Glasloten nur zum Versiegeln über eine vergleichsweise niedrige Topographie (ca. 0.5 µm).In the case of silicon sensors, methods based on glass solders have become available proven, however process temperatures of approx. 400 ° C are required, clearly too high for metallic micro elements. They are also suitable Connection techniques based on glass solders only for sealing via a comparatively low topography (approx. 0.5 µm).

Hermetisch dichte Verbindungen bei Temperaturen unterhalb 250-300°C lassen sich anderseits durch Löten herstellen. Hier ergibt sich allerdings zwangsläufig das Problem, daß die Zuleitungen bei den zur Verfügung stehenden Isolationsmaterialien und deren prozesstechnisch herstellbaren Schichtdicken stark miteinander kapazitiv gekoppelt sind. Daher scheiden solche Durchführungen für die Herstellung von mikromechanischen Bauelementen für hohen Frequenzen eigentlich aus. Nur durch die Verwendung von Durchführungen durch das Substrat oder den Deckel hindurch ist eine ausreichende Trennung der Leitungen möglich. Leave hermetically sealed connections at temperatures below 250-300 ° C produce on the other hand by soldering. This inevitably results here Problem that the supply lines with the available insulation materials and their process-technically producible layer thicknesses are highly capacitive to one another are coupled. Therefore, such bushings for the manufacture of micromechanical components for high frequencies actually. Only by the use of bushings through the substrate or lid sufficient separation of the lines is possible.  

Neben den bereits genannten Aspekten spricht für die Herstellung von Durchführungen auch die verbesserte Handhabung des kompletten Chips. Insbesondere eignen sich solcherart aufgebaute Bauelemente auch für die Nutzung innerhalb von Flip-chip Prozessen oder sogar der Verwendung des Chips direkt in der Leiterplattenbestückung z. B. als SMD Bauteil.In addition to the aspects already mentioned, the production of Implementations also improved handling of the entire chip. In particular, components constructed in this way are also suitable for use within flip-chip processes or even using the chip directly in the PCB assembly z. B. as an SMD component.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Parallel-Herstellung von einer Vielzahl von einzelnen strukturierten glasartigen Flächensubstrate ermöglicht, die überdies im Rahmen eines Batch-Verfahrens produziert werden können, wodurch sich das Verfahren auch unter den Gesichtspunkten der industriellen Massenfertigung hervorragend eignet.In conclusion, it should be pointed out that the method according to the invention Parallel production of a large number of individual structured glass-like Surface substrates enables, moreover, as part of a batch process can be produced, whereby the process is also among the Aspects of industrial mass production are ideal.

Claims (25)

1. Verfahren zur Strukturierung eines aus glasartigem Material bestehenden Flächensubstrats mittels der Kombination folgender Verfahrensschritte:
  • - Bereitstellen eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Halbleiter- Flächensubstrats,
  • - Strukturieren mindestens einer Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats zum Erhalt von Vertiefungen auf der Oberfläche,
  • - Verbinden der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats mit dem glasartigen Flächensubstrat, wobei die strukturierte Oberfläche des Halbleiter- Flächensubstrats mit einer Oberfläche des glasartigen Flächensubstrats mindestens teilweise überdeckend zusammengeführt wird,
  • - Tempern der verbundenen Flächensubstrate derart, dass ein Hineinfließen wenigstens von Teilbereichen des glasartigen Materials in die Vertiefungen der strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats erfolgt,
  • - Materialabtrag zumindest des wiederverfestigten glasartigen Flächensubstrates, derart, dass das glasartige Flächensubstrat eine bündig zur strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats anschließende Oberfläche annimmt.
1. Method for structuring a flat substrate consisting of glass-like material by means of the combination of the following method steps:
  • Providing a semiconductor flat substrate consisting of a semiconductor material,
  • Structuring at least one surface of the semiconductor flat substrate in order to obtain depressions on the surface,
  • Connecting the surface of the semiconductor surface substrate to the glass-like surface substrate, the structured surface of the semiconductor surface substrate being brought together at least partially overlapping a surface of the glass-like surface substrate,
  • Tempering the connected surface substrates in such a way that at least partial areas of the glass-like material flow into the depressions of the structured surface of the semiconductor surface substrate,
  • - Material removal of at least the reconsolidated glass-like surface substrate, such that the glass-like surface substrate assumes a surface that is flush with the structured surface of the semiconductor surface substrate.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats, die der mit dem glasartigen Flächensubstrat verbundenen Oberfläche gegenüberliegt, Halbleitermaterial abgetragen wird, bis zumindest Teilbereiche des in die Vertiefungen hineingeflossenen glasartigen Materials freigelegt sind, die bündig mit der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats abschließen. 2. The method according to claim 1, characterized in that on the surface of the semiconductor surface substrate, that of the surface connected to the glass-like sheet substrate opposite, semiconductor material is removed until at least partial areas of the in the depressions that flowed into the glass-like material are exposed, which are flush complete with the surface of the semiconductor surface substrate.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Flächensubstrat vom glasartigen Flächensubstrat abgetrennt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor surface substrate of the vitreous Flat substrate is separated. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen des glasartigen Flächensubstrats vom Halbleiter-Flächensubstrat durch Wegätzen des Halbleitermaterials erfolgt.4. The method according to claim 3, characterized in that the separation of the glass-like sheet substrate from the semiconductor surface substrate by etching away the semiconductor material. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen beider Flächensubstrate voneinander durch Vorsehen einer Trennschicht zwischen beiden Flächensubstraten erfolgt.5. The method according to claim 3, characterized in that the separation of the two surface substrates from one another by providing a separating layer between the two surface substrates. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht vor dem Zusammenführen beider Flächensubstrate auf der strukturierten Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats strukturerhaltend aufgebracht wird und als Opferschicht ausgebildet ist, die im Wege thermischer und/oder chemischer Einwirkung zerstört wird und ein Trennen beider Substrate voneinander ermöglicht.6. The method according to claim 5, characterized in that the separation layer before the merging of the two Surface substrates on the structured surface of the semiconductor surface substrate is applied to preserve structure and is designed as a sacrificial layer in the way thermal and / or chemical action is destroyed and a separation of the two Allows substrates from each other. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennschicht eine Metallschicht eingesetzt wird, die einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb der Schmelzpunkte der Substrate liegt.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that a metal layer is used as the separating layer, which has a melting point below the melting points of the substrates lies. 8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennschicht eine oxidationsfähige Schicht eingesetzt wird, die sich unter Zufuhr von Sauerstoff und/oder thermischer Energie chemisch umwandelt.8. The method according to claim 5 or 6, characterized in that an oxidizable layer as the separating layer is used, the supply of oxygen and / or thermal energy chemically converted. 9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennschicht eine Kohlenstoffschicht, Diamantschicht, diamantähnliche Schicht oder SiC eingesetzt wird. 9. The method according to claim 5 or 6, characterized in that a carbon layer, Diamond layer, diamond-like layer or SiC is used.   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das glasartige Material und das Halbleitermaterial über nahezu die gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verfügen.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the vitreous material and the semiconductor material have almost the same thermal expansion coefficient. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einem glasartigen Material bestehende Flächensubstrat ein Bor-Silikat-Glas ist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the consisting of a glass-like material Surface substrate is a boron-silicate glass. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Flächensubstrat ein Siliziumsubstrat ist.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the semiconductor surface substrate is a silicon substrate is. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Halbleiter-Flächensubstrat mit dem glasartigen Flächensubstrat durch anodisches Bonden erfolgt.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the connection of the semiconductor surface substrate with the glass-like surface substrate is carried out by anodic bonding. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbindungsprozesses Unterdruck vorherrscht, sodass dieser nach der Verbindung in den Vertiefungen der Oberfläche des Halbleiter-Flächensubstrats, zwischen dem Halbleiter-Flächensubstrat und dem glasartigem Flächensubstrat konserviert wird.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that during the connection process negative pressure prevails so that after the connection in the recesses of the surface of the semiconductor surface substrate, between the semiconductor surface substrate and the glassy sheet substrate is preserved. 15. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Temperns ein Überdruck auf die vom Halbleiter-Flächensubstrat abgewandte Oberfläche des glasartigen Flächensubstrats einwirkt.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that during the annealing an overpressure on the from Semiconductor surface substrate surface facing away from the glass-like surface substrate acts. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperprozess durch Steuerung der Temperatur und der Dauer derart ausgeführt wird, dass das Hineinfließen des glasartigen Materials in die Vertiefungen des Halbleiter-Flächensubstrats beendet wird, wenn das glasartigen Material die Vertiefungen vollständig ausfüllt. 16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the tempering process by controlling the Temperature and the duration is carried out such that the inflow of the glassy material in the recesses of the semiconductor surface substrate terminated when the glassy material completely fills the wells.   17. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtrennen beider Flächensubstrate voneinander das glasartige Flächensubstrat mechanisch nachbearbeitet wird, zum Erhalt von das Flächensubstrat senkrecht durchsetzende Durchbrüche.17. The method according to any one of claims 3 to 16, characterized in that after the separation of both surface substrates the glass-like surface substrate is mechanically reworked from one another to Obtaining openings penetrating vertically through the surface substrate. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche mit einem elektrisch leitfähigem Material aufgefüllt werden.18. The method according to claim 17, characterized in that the breakthroughs with an electrically conductive Material to be replenished. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Halbleiter-Flächensubstrats mittels Lithographietechnik und nachfolgender Ätztechnik erfolgt zur Erzeugung von Strukturen mit Strukturdimensionen im Mikro- und/oder sub-Mikrometer-Bereich.19. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the structuring of the semiconductor surface substrate using lithography technology and subsequent etching technology to produce Structures with structural dimensions in the micro and / or sub-micrometer range. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen in Form von Vertiefungen ein Aspektverhältnis (Höhe bzw. Tiefe : Breite) von 10 : 1 aufweisen.20. The method according to claim 19, characterized in that the structures are in the form of depressions Aspect ratio (height or depth: width) of 10: 1. 21. Glasartiges Flächensubstrat, hergestellt nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das glasartige Flächensubstrat senkrecht zur Substratoberfläche von Durchbrüchen durchsetzt ist, in denen elektrisch leitfähiges Material vorgesehen ist.21. Glass-like sheet substrate, produced by a process according to Claims 1 to 20, characterized in that the glass-like sheet substrate perpendicular to Breakthroughs in which the substrate is electrically conductive Material is provided. 22. Glasartiges Flächensubstrat nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mit elektrisch leitfähigen Material gefüllten Durchbrüche arrayförmig angeordnet sind.22. Glass-like sheet substrate according to claim 21, characterized in that the filled with electrically conductive material Breakthroughs are arranged in an array. 23. Verwendung des glasartigen Flächensubstrats nach Anspruch 21 oder 22 zur elektrischen Kontaktierung von Bauelementen aus der Mikroelektronik oder Mikromechanik. 23. Use of the glass-like sheet substrate according to claim 21 or 22 for electrical contacting of components from microelectronics or Micromechanics.   24. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Herstellung eines mit einem glasartigen Material durchsetzten Halbleiter- Flächensubstrats.24. Use of the method according to one of claims 1 to 20 for Production of a semiconductor interspersed with a glass-like material Surface substrate. 25. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Flächensubstrat ein Siliziumwafer ist, der zu Zwecken der elektrischen und/oder thermischen Isolation oder aus Gründen optischer Transparenz den Siliziumwafer zumindest teilweise durchsetzende glasartige Materialbereiche aufweist.25. Use according to claim 24, characterized in that the semiconductor surface substrate is a silicon wafer, for purposes of electrical and / or thermal insulation or for reasons optical transparency at least partially penetrating the silicon wafer glassy material areas.
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