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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements oder Vielfachbauelements mit mikromechanischen und/oder mikrooptischen Funktionseinheiten, bei dem ein Bodenelement und ein Aufsatzelement zur Ausbildung wenigstens eines Teils eines hermetisch dichten Gehäuses des Bauelements zusammengefügt werden, wobei das Bodenelement und das Aufsatzelement jeweils wenigstens eine Fügestruktur aufweisen, die zur gegenseitigen Kontaktierung nach dem Zusammenfügen bestimmt sind.
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Beschrieben wird des Weiteren ein Boden- oder Aufsatzelement zur Herstellung von Bauelementen mit mikromechanischen Funktionseinheiten, das insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
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Die Herstellung von Bauelementen mit mikromechanischen Funktionseinheiten, im Folgenden als mikromechanische Bauelemente bezeichnet, erfolgt meist mit Hilfe von aus der Halbleitertechnik bekannten Fertigungsverfahren. Dabei werden in der Regel die Strukturen und Funktionseinheiten zahlreicher Bauelemente nebeneinander auf einem Wafer als Substrat oder Deckelelement hergestellt. Das Bodenelement wird mit dem Deckelelement gegebenenfalls hermetisch verkappt. Nach dem Verkappen können die einzelnen mikromechanischen Bauelemente aus dem so erzeugten Vielfachbauelement durch Vereinzeln hergestellt werden.
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Für die Verkappung der Boden- und Deckelelemente, d. h. deren Verbindung miteinander, sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Ein häufig angewendetes Verfahren besteht darin, dass entweder am Deckelelement und/oder am Bodenelement Lotmaterial für einen Versiegelungs- oder Bondrahmen aufgebracht wird. Anschließend werden die Boden- und Deckelelemente in bestimmungsgemäßer Weise zusammengefügt und es erfolgt nachfolgend eine Verbindung unter Einwirkung erhöhten Drucks und Temperatur (Thermokompressionsverfahren). Alternativ können die Elemente durch Kleben mit einem organischen oder anorganischen Kleber oder durch direktes Verbinden (z. B. dann, wenn mindestens eines der Elemente Vertiefungen zur Aufnahme der jeweiligen aktiven Strukturen und ggf. der elektrischen Verbindungselemente aufweist) z. B. über die Ausbildung einer kovalenten Molekularbindung im Rahmenbereich um die Vertiefungen herum gefügt werden.
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Die dabei auftretenden Probleme sind unterschiedlicher Natur. Sie bestehen teilweise in verhältnismäßig hohen Fügetemperaturen in einem Bereich von ungefähr 260°C bis 450°C, die insbesondere bei mikromechanischen Bauelementen mit temperaturempfindlichen Funktionseinheiten kritisch sein und zu Fehlfunktionen bis hin zur vollständigen Funktionsunfähigkeit führen können. Selbst wenn solche Bauelemente später bei der Baugruppenherstellung unter Umständen in einem Massenlötprozess gelötet werden (bei ca. 265°C für ca. 10 sek.), ist eine Absenkung der Fügetemperatur für die Gehäusung relevant, weil hierbei die Haltezeiten in der Regel lang sind und bis hin zu ca. 40 min. betragen können. Ein weiteres Problem stellen die zum Ausbilden einer hermetisch dichten Verbindung erforderlichen langen Druckhaltezeiten dar.
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Weitere Probleme treten auf, wenn bei der Verkappung von Boden- und Deckelelement zusätzlich elektrische Kontakte ausgebildet werden sollen. Die Versiegelungs- oder Bandrahmen werden häufig breiter als die elektrischen Kontakte ausgeführt, um die mechanische Festigkeit des durch Bodenelement und Deckelelement gebildeten Gehäuses zu erhöhen. Hierdurch entstehen unterschiedliche elektrische Feldverteilungen, die während einer nachfolgenden Abscheidung von Metallstrukturen zu unterschiedlichen Wachstumsraten und Höhen der Strukturen führen. Insbesondere hat sich die Höhenkontrolle des Versiegelungsrahmens bezogen auf die Kontaktstrukturen als problematisch herausgestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Strukturhöhen kommt es oftmals zu fehlerhaften Fügeergebnissen, die eine Funktionsbeeinträchtigung oder vollkommene Funktionsunfähigkeit der mikromechanischen Bauelemente zu Folge haben können.
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Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn die mikromechanischen Bauelemente Oberflächentopographien aufweisen, die oftmals notwendigerweise auch im Bereich der Versiegelungsrahmen verlaufen. Hier kommt es zu Höhenunterschieden von bis zu 4 μm, wodurch klassische Thermokompressionsfügeverfahren beispielsweise unter Verwendung von Au-Au, Cu-Cu oder Al-Al sowie auch eutektische Lötverfahren Au-AuSn nicht zu einer Ausbildung hermetisch dichter Fügungen führen können.
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Aus der
DE 196 16 014 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bekannt, bei dem eine metallische Fügefläche eines Wafers durch mechanisches Polieren planarisiert und geglättet wird, der Wafer nachfolgend einem Ätzprozess unterzogen und anschließend mit einem weiteren Wafer gefügt wird.
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Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer und mikrooptischer Bauelemente oder mikromechanischer und mikrooptischer Vielfachbauelemente zu schaffen, mit dem diese bei vergleichbar andauernden und vorzugsweise verkürzten Haltezeiten gegenüber dem Stand der Technik bei geringeren Fügetemperaturen gefertigt werden können. Des Weiteren werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hermetisch dichte Bauelemente oder Vielfachbauelement unter Verringerung des Risikos von Undichtigkeiten hergestellt. Durch das Verfahren wird ein mikromechanisches Bauelement oder Vielfachbauelement geschaffen, das mit gegenüber dem Stand der Technik verringerten Fügetemperaturen und vergleichbaren, vorzugsweise verkürzten Haltezeiten herstellbar ist, so dass die Bauelemente temperaturempfindliche Funktionseinheiten ohne Gefährdung oder Beeinträchtigung von deren Funktion aufweisen können.
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Verfahrensseitig wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren Anspruch 1.
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Ein Bodenelement und ein Aufsatzelement im Sinne der Erfindung sind ganz allgemein als wenigstens Teile der Gehäusung eines mikromechanischen Bauelements oder Vielfachbauelements ausbildende Einheiten zu verstehen, insbesondere kann das Aufsatzelement besonders vorteilhaft als Deckelelement ausgebildet sein. Sie können aufgrund der niedrigen Fügetemperatur z. B. ein Substrat beliebiger Art, ein Chip oder ein Wafer wie beispielsweise ein MST-Wafer (Micro SystemWafer) sein. Solche Wafer können u. a. aus Glas, einem Halbleiter wie z. B. Silizium, Siliziumcarbid oder GaAs oder aus Keramik, Metall oder Kunststoff bestehen. Die Chips können ihrerseits Bestandteile z. B. eines einzigen Chipwafers sein. Boden- und Aufsatzelement sind vorzugsweise mit Herstellungsverfahren der Halbleitertechnik gefertigt. Sie bilden ggf. unter Zwischenlage von Funktionsschichten einen Träger aus, auf dem aktive oder passive Strukturen und dergleichen angeordnet werden können. Durch ihr Zusammenfügen z. B. in zwei oder mehreren vertikal angeordneten Ebenen entsteht ggf. zusammen mit weiteren Aufsatz- oder Deckelelementen eine die Strukturen umschließende Gehäusung.
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Ein Bauelement im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreibt ein mikrostrukturiertes Bauteil oder Subsystem, das gehäuste, aktive oder passive Mikrostrukturen als Funktionseinheiten wie beispielsweise Sensoren oder Vielfachsensoren (z. B. Inertialsensoren für Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehung, oder Sensoren für Feuchtigkeit, Licht, Bilder, Temperatur, Radioaktivität oder dergleichen) und/oder Mikroaktuatoren u. ä., eine Batterie oder einen Spiegel umfasst, wie sie letztendlich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt und sodann in Betrieb genommen werden soll. Ein Vielfachbauelement im Sinne der Erfindung wird durch Zusammenfügen entsprechender Bodenelemente und Aufsatzelemente, vorzugsweise Substratwafer und Deckelwafer, hergestellt, und umfasst eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Bauelementen der zuvor beschriebenen Art, die nach der Herstellung des Vielfachbauelementes aus diesem durch Vereinzeln hergestellt werden.
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Die Fügestruktur im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst Strukturen oder Bereiche von Bodenelement oder Aufsatzelement, die im späteren (Vielfach-)Bauelement deren Verbindung ausbilden. Hierbei kann es sich beispielsweise um zwei- oder dreidimensionale Abschnitte oder Volumenabschnitte von Boden- oder Aufsatzelement oder um einen Versiegelungs- oder Bondrahmen oder ähnliches handeln. Es sind auch solche Strukturen umfasst, die einer Ausbildung von elektrischen Kontakten oder dergleichen zwischen Bodenelement und Aufsatzelement im späteren (Vielfach-)Bauelement dienen. Des Weiteren sind beispielsweise auch metallische Messelektroden und mechanische Abstandshalter z. B. aus Metall- oder Polymerstrukturen umfasst. An den im erfindungsgemäßen Verfahren planarisierten Fügestrukturen liegen Bodenelement und Aufsatzelement nach einem bestimmungsgemäßen Zusammenfügen mit einem definierten Abstand aneinander an. Durch das Planarisieren wird an der Fügestruktur eine Fügefläche ausgebildet, an der Bodenelement und Aufsatzelement nach einem bestimmungsgemäßen Zusammenfügen in der Fügeebene gegenseitig zur Anlage kommen.
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Die Fügestrukturen besitzen nach der Herstellung von Bodenelement und Aufsatzelement mit entsprechenden Funktionseinheiten und vor dem Planarisieren bezogen auf eine virtuelle gemeinsame Fügeebene in der Regel unterschiedliche Höhen und/oder zur Fügeebene nicht parallele Oberflächen. Des Weiteren können die Oberflächen unvorteilhaft raue Oberflächengüten aufweisen, die durch Werkstofffluss oder -umformung während des Zusammenfügens ausgeglichen werden müssten, um eine Bildung von Poren, Porenkanälen und ähnlichen Defekten möglichst weitgehend zu verhindern.
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Die Fügestrukturen werden durch den Verfahrensschritt des mechanischen Planarisierens so eingeebnet, dass beispielsweise sowohl am Bodenelement als auch am Aufsatzelement Fügestrukturen mit verbesserter Oberflächengüte ausgebildet werden, die zum jeweiligen Gegenpart wenigstens ausgerichtet und mit besonderem Vorteil eben parallel zur oder in der Fügeebene ausgebildet sind. Diese planarisierten Fügestrukturen bilden die Fügeflächen aus und liegen beim Zusammenfügen der miteinander zu verbindenden Wafer vorzugsweise möglichst großflächig bis vollflächig ggf. unter Zwischenlage zusätzlicher Schichten wie Zinn, Indium und Silber aneinander an, so dass im gesamten Fügebereich die Ausbildung gleichmäßiger und vorzugsweise hermetisch dichter elektrisch kontaktierter Fügefugen begünstigt wird.
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Durch das Planarisieren der Fügestrukturen kommt es bei verbesserter Oberflächengüte zu einer Vergrößerung der Fügefläche zwischen Bodenelement und Aufsatzelement, wodurch sowohl die notwendige Fügekraft zur Umformung von Oberflächenunebenheiten als auch die für eine Werkstoffumformung und/oder Atomdiffusion notwendige Fügetemperatur entscheidend gesenkt werden kann. Eine Reduzierung der Fügetemperaturen ist insbesondere für diffusionsbasierte Fügetechniken relevant.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft bei galvanisch abgeschiedenen Metallisierungen bis etwa 500 μm Höhe.
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Die Prozesstemperatur liegt in einem Bereich von 50°C bis 250°C, noch bevorzugter in einem Bereich von 75°C bis 125°C, insbesondere bei 100°C. Gleichzeitig kann die während des Zusammenfügens von Aufsatzelement und Bodenelement erforderliche Fügekraft erheblich reduziert, insbesondere halbiert werden. Die Absenkung der Fügetemperatur ist vor allem bei der Herstellung von mikromechanischen Bauelementen relevant, die beispielsweise Metallstrukturen als aktive oder passive Funktionselemente einsetzen (Hochfrequenzschalter, Bolumeter, etc.) oder die Bauelemente mit temperaturempfindlichen organischen Farbschichten wie beispielsweise Farb-Bildsensoren mit organischen Filterschichten umfassen.
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Die Fügestruktur des Bodenelements und/oder des Aufsatzelements wird im Bereich ihrer Fügeflächen optisch glatt poliert wird. Die Rautiefen liegen im Bereich 1 bis 120 nm, bevorzugt im Bereich 5 nm bis 70 nm und besonders bevorzugt bei 20 nm. Optisch glatt bedeutet insbesondere riefenfrei. Dieses wird erfindungsgemäß durch mechanisches Planarisieren erzielt. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Fügestrukturen unter Verwendung eines Diamantwerkzeugs, vorzugsweise einer einzelschneidigen rotierenden Diamantklinge, im Sinne einer Ultrafräsung, mechanisch gehobelt werden. Nachfolgend kann optional eine weitere Politur der Fügestrukturoberflächen durch chemisch mechanisches Polieren erfolgen, wobei der Grad der chemischen Politur unterschiedlich ausgeprägt sein kann. Hierdurch werden Alterungseffekte der Diamantklinge kompensiert. Beim erfindungsgemäßen Einsatz der mechanischen Planarisierungstechnik wird die Höhe der niedrigsten Fügestruktur um mindestens 0,5 bis 3 μm reduziert. Die die Fügestrukturen definierende, umgebende oder einbettende Lackschicht wird hierbei auf gleiche Höhe wie die Fügestrukturen planarisiert. Der Planarisierungsprozess kann mehrfach in unterschiedlichen Höhen wiederholt werden um eine Zielhöhe der Fügestrukturen einzustellen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können gleichzeitig mit der Ausformung einer hermetischen Versiegelung beispielsweise in Form eines Versiegelungsrahmens auch andere Kontaktstrukturen der Wafer ausgebildet werden. Zu nennen sind beispielsweise beliebig geformte elektrische Kontakte, insbesondere solche, die sich vertikal zur Waferebene erstrecken und das Bodenelement elektrisch mit dem Aufsatzelement verbinden. Die zusätzlichen Kontakte können innerhalb und/oder außerhalb des Verbindungs- oder Bondrahmens bzw. von benachbarten oder ineinander verschachtelten Versiegelungsrahmen angeordnet sein. Auch bei einer Ausbildung eines Versiegelungsrahmens mit gegenüber den übrigen Fügestrukturen größerer Breite, um eine hohe mechanische Festigkeit des aus Bodenelement und Aufsatzelement gebildeten Gehäuses zu erzielen, kann eine dabei besonders deutlich auftretende Abweichung der Höhen der einzelnen Strukturen besonders einfach ausgeglichen werden, indem diese vor dem Zusammenfügen planarisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Herstellung von mikromechanischen Bauelementen ermöglicht, ohne dass bei der Ausbildung der Funktionseinheiten und -strukturen auf Bodenelement und/oder Aufsatzelement durch Abscheiden und Ätzen ein besonderes Augenmerk auf deren jeweilige Höhe im Hinblick auf die gemeinsame Fügeebene gerichtet werden müsste. Hierdurch können kostengünstige Schnellabscheidungsgalvaniktechniken für Einzelsubstrate oder parallele Losbeschichtungen mit oft großer Inhomogenität der Abscheidungsrate auf für Präzisionsanwendungen eingesetzt werden. Da die Fügestrukturen von Bodenelement und Aufsatzelement vor deren Zusammenfügen planarisiert werden, ist auch mittels klassischer Thermokompressionsfügeverfahren unter Verwendung von Au-Au, Cu-Cu oder Al-Al die Ausbildung hermetisch dichter Gehäuse möglich.
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Durch das Planarisieren können insgesamt Höhendifferenzen sowie Oberflächenunebenheiten oder große Rauheiten der Fügestrukturen, insbesondere von Kontakt- und Rahmenstrukturen, egalisiert werden. Die optisch glatten Fügeflächen reduzieren das Risiko einer Entstehung von durchgehenden Gaskanälen und Poren beim Zusammenfügen auf ein Minimum, sofern Kratzer im Prozessablauf vermieden werden. Ein weiterer Effekt ist, dass im Falle einer Lötverbindung aufgrund der egalisierten Fügeflächen die Menge des beim Zusammenfügen verwendeten Lotes reduziert werden kann, was zu einer Reduzierung des Ausquetscheffektes flüssiger Lotschmelzen beim Zusammenfügen führt. Da ebenfalls die notwendige Fügekraft bezogen auf die Fügefläche reduziert wird, weil im Fügebereich vorliegende Oberflächenunebenheiten weniger stark umgeformt werden müssen, kann bei einer Verwendung herkömmlicher Maschinen gleichzeitig eine größere Anzahl von Bauelementen zusammengefügt werden. Die Gasdichtigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelemente kann bis in einen Leckratenbereich von 10–16 mbar·l/sek. erhöht werden, da aufgrund der geglätteten Fügeflächen die Diffusionsweglängen verringert werden, weshalb im Werkstoff gegebenenfalls vorhandene Poren oder Riefen während des Fügens schneller und einfacher zuwachsen können.
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Aufgrund der geringeren Fügetemperaturen können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Werkstoffe mit stark unterschiedlichen thermischen Dehnungskoeffizienten aneinander gefügt werden, da aufgrund der geringeren Temperaturen Thermospannungen reduziert werden können. Diese Eigenschaft ist insbesondere relevant für die Fügung von beispielsweise Quarz zu Silizium, Silizium zu GaAs, Silizium zu Keramik oder Kunststoff zu Silizium und vielen anderen Paarungen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Planarisieren auf das Bodenelement und/oder das Aufsatzelement eine metallische Grundmetallisierung beispielsweise aus einem Haftvermittler und einer Diffusionssperrschicht und einer Elektrodenmetallisierung für die homogene Verteilung eines elektrischen Abscheidepotentials aufgebracht wird. Als Haftvermittler sind dünne Schichten im Bereich 5 bis 30 nm der Metalle Titan, Chrom, Tantal und die Legierung TitanWolfram gebräuchlich. Als Diffusionssperrschicht zur Verbesserung der Alterungsbeständigkeit durch Ablegieren werden häufig TiN, Pt, Ni, NiV, Ta, TiW in Schichtdicken von 30 nm bis 400 nm eingesetzt. Die Elektrodenmetallisierung besteht meist aus Kupfer oder Gold in Schichtdicken von 50 nm bis 200 nm. Je nach Anforderung können diese Schichten alle zusammen in einem Prozessablauf gesputtert oder aufgedampft werden. Die Aufbringung in unterschiedlichen Anlagen mit Unterbrechung des Vakuum ist wegen der sofort einsetzenden Oberflächenoxidation der letzten exponierten Schicht nicht qualifiziert.
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Auf die Grundmetallisierung wird vor dem Planarisieren ein Lithographielack zur Definition der Fügestrukturen aufgebracht, durch eine Maske belichtet und entwickelt. Dabei werden Lackfenster geschaffen, die nachfolgend mit dem galvanisch abgeschiedenen Metall aufgefüllt werden. Grundsätzlich kann der Lithographielack auch ohne die vorherige Aufbringung einer Grundmetallisierung aufgebracht werden. Vorzugsweise nach der galvanischen Metallabscheidung erfolgt die mechanische Planarisierung der Fügestrukturen, es ist allerdings auch möglich, dass der Lithographielack vor dem Planarisieren entfernt wird.
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Anstelle oder zusammen mit dieser Gold- oder Kupferschicht kann des Weiteren wenigstens eine Zinn-, Indium- oder Silberschicht oder wenigstens eine Zweischichtanordnung vorzugsweise galvanisch abgeschieden werden, die insbesondere aus AuSn, CuSn oder AuIn besteht. Nach dem Abscheiden der Zinnschicht und/oder der Zweischichtanordnung wird der Lithographielack und die metallische Grundmetallisierung entfernt. Für besondere Anwendungsfälle mit einem durchgehend metallisierten Gehäuseinnenraum kann auf einer oder auf beiden Innenwandflächen des ausgebildeten Hohlraums die Grundmetallisierung erhalten werden. Dies kann zur Reduzierung elektromagnetischer Störeinstrahlungen und zur Reduzierung von Gaspermeationseffekten sowie Aufladungseffekten und zur Haftungsverbesserung von Dünnfilmgetterschichten etc. dienen. Im Ergebnis können auf diese Weise Boden- und Aufsatzelemente mit mechanischen Strukturen und Funktionseinheiten ausgebildet werden, deren Fügestruktur aufgrund der Planarisierung in vorzugsweise einer Ebene liegend mit verbesserter Oberflächengüte ausgebildet sind. Sofern zu planarisierende Fügestrukturen auf einer vertieften Ebene z. B. in einer Kavität angeordnet sind muss die galvanische Fügestruktur insgesamt höher abgeschieden werden, damit die Planarisierungsebene alle Fügestrukturen erfasst.
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Das Bodenelement und das Aufsatzelement werden unter Einwirkung erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks hermetisch miteinander versiegelt. Die Versiegelung erfolgt mittels Thermokompressionsfügen, wobei sowohl die Fügetemperatur als auch der Fügedruck und gegebenenfalls die Haltezeit in vorteilhafter Weise gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verringert sind.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren sowohl auf Waferebene, als auch auf Substratebene und Chipebene durchgeführt werden kann, kann es zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente als weiteren Verfahrensschritt ein Vereinzeln von aus Bodenelement und Aufsatzelement erzeugten Vielfachbauelementen zu den jeweiligen mikromechanischen Bauelementen umfassen. Des Weiteren kann das Verfahren als Zwischenschritt bei der Herstellung von mikromechanischen Bauelementen und Vielfachbauelementen durchgeführt werden. Hierunter fällt insbesondere eine Anwendung während der Aufbringung von Metallstrukturen z. B. bei der galvanischen Abscheidung von Gold/Zinn als Zweischichtsystem.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigt:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein Bodenelement mit Funktionseinheiten quer zur Waferebene vor der Planarisierung,
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2 eine schematische Darstellung des Bodenelements der 1 ebenfalls im Querschnitt nach der Planarisierung und Aufbringung einer Zwischenschicht,
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3 das Bodenelement der 1 und 2 in einer Schnittansicht quer zur Waferebene nach einem Ätzschritt,
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4 einen Ausschnitt zweier zusammengefügter Waferelemente,
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5 eine stark vergrößerte Ansicht der Fügezone der Waferelemente und
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6 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahren gefertigtes beispielhaftes mikromechanisches Bauelement.
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In der 1 ist ein Teil eines Bodenelements 1 in einem Querschnitt quer zur Waferebene dargestellt, die sich normal zur Papierebene erstreckt. Das Bodenelement 1 ist lediglich beispielhaft beschrieben, es kann sich hier auch um ein Aufsatzelement im Sinne der vorliegenden Erfindung handeln. Es umfasst eine Substratschicht 2, auf die eine Zwischenschicht 3, beispielsweise in Form einer Grundmetallisierung aufgebracht ist. Auf die Zwischenschicht 3 aufbauend, umfasst das Bodenelement 1 elektrische Kontaktstrukturen 4a, b und aktive Strukturen 20 sowie einen Bondrahmen 5a, b, die sich jeweils senkrecht zur Waferebene erstrecken. Zwischen den elektrischen Kontaktstrukturen 4a, b und dem Bandrahmen 5a, b ist auf die Zwischenschicht 3 eine Lackschicht 6 (Lithographielack) aufgebracht.
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Der Bondrahmen 5a, b verbindet das Bodenelement 1 mit einem dazugehörigen Aufsatzelement 12 (4). Er definiert den Abstand zwischen Bodenelement 1 und Aufsatzelement 12 und wird deshalb so hoch gewählt, dass die aktiven Strukturen 20 sicher und ohne anzustoßen gehaust werden können. Der Bandrahmen 5a, b stellt die mechanische Verbindung zwischen Bodenelement 1 und Aufsatzelement 12 sicher. Der Bondrahmen 5a, b ist nicht unbedingt vollständig durchgehend bzw. vollständig dichtend/hermetisch. Er kann stattdessen auch durchbrochen sein, falls die aktiven Strukturen 20 bei Umgebungsbedingungen arbeiten können/müssen. Er kann ggf. so unterteilt sein, dass er mehrere Räume umschließt, so dass verschiedene aktive Strukturen 20 voneinander getrennt werden können.
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Schließlich kann der Bondrahmen 5a, b auch so ausgestaltet sein, dass er nur einen Teil der aktiven Strukturen 20 umschließt, während mindestens eine dieser aktiven Strukturen 20 der Umgebungsatmosphäre oder dem Medium, in welchem das aktive Bauelement arbeiten soll, ausgesetzt bleibt. Dies kann beispielsweise dann günstig sein, wenn das zu erzeugende Mikrobauelement einen Feuchtigkeitssensor aufweisen soll. Der Bondrahmen 5a, b und die Kontaktstrukturen 4a, b können aus einem Grundmetall z. B. Kupfer und einem Kontaktmetall z. B. Gold mit optional einer dünnen Zinn-, Indium oder Silberschicht ausgeführt sein, um Edelmetallkosten zu reduzieren.
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Wie die 1 deutlich offenbart, sind die der Substratschicht 2 abgewandten Oberflächen 7, 8, 9 der elektrischen Kontaktstrukturen 4a, b, der aktiven Strukturen 20, der Bondrahmen 5a, b sowie der Lackschicht 6 sowohl zur Waferebene als auch relativ zu einander mit unterschiedlichen Neigungen und teils erheblich unebener Oberfläche ausgebildet. Dieses wird insbesondere deutlich, wenn man sich die betreffenden Flächen 7, 8, 9 mit Bezug auf die gestrichelt in der 1 dargestellten Planarisierungsebene 10 betrachtet.
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Die 2 zeigt das in der 1 dargestellte Bodenelement 1 nach dem Durchführen des Planarisierens des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie zeigt, dass die elektrischen Kontaktstrukturen 4a, b, die aktiven Strukturen 20, der Bondrahmen 5a, b und die Lackschicht 6 in der Planarisierungsebene vollständig egalisiert worden sind. Bei dem dargestellten Bodenelement 1 ist nach dem Planarisieren im Bereich der elektrischen Kontaktstrukturen 4a, b, der aktiven Struktur 20 sowie des Bondrahmens 5a, b eine Zinnschicht 11 abgeschieden worden, die gegenüber der Planarisierungsebene 10 zu einer Erhöhung führt. Die Zinnschicht ist in der 2 aus Gründen einer deutlichen Darstellung mit sehr großer Schichtstärke dargestellt. Sie dient als Lotwerkstoff, der im Rahmen eines nachfolgenden Zusammenfügens und Lötens des dargestellten Bodenelementes 1 mit dem in den 1 bis 3 nicht dargestellten Aufsatzelement 12 die hermetische Verbindung ausbildet.
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Die 3 zeigt ein den in den 1 und 2 dargestellten Bodenelement 1 im Wesentlichen entsprechendes Bodenelement 1 in einem weiteren Zustand während seiner Herstellung. Dabei wurde die Lackschicht 6 von der Zwischenschicht 3 und aus den Zwischenräumen zwischen den elektrischen Kontaktstrukturen 4a, b, den aktiven Strukturen 20 und dem Bondrahmen 5a, b entfernt. Außerdem ist die Zwischenschicht 3 in den Zwischenräumen entfernt. Das Bodenelement 1 der 3 unterscheidet sich von denen der 1 und 2 in zwei beispielhaften elektrischen Durchführungen oder Vias 40, die auf ihrer vom Bodenelement 1 abgewandten Fläche 41 in einer zweiten Planarisierungsebene 42 planarisiert sein können.
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Das Bodenelement 1 kann nun in dem in 3 dargestelltem Zustand mit dem entsprechenden Aufsatzelement 12 zusammengefügt werden. Eine entsprechende Darstellung zeigt die 4 in einem stark vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Bondrahmens 5a. Zu erkennen ist, dass das Aufsatzelement 12 ebenfalls eine Substratschicht 13, eine Zwischenschicht 14 sowie einen Bondrahmen 15 aufweist. Der Bondrahmen 15 des Aufsatzelement 12 und der Bondrahmen 5a des Bodenelementes 1 liegen mit ihrer der jeweiligen Substratschicht 2, 13 abgewandten Fügefläche 17a, b aneinander an und bilden eine Fügezone 16 aus, die im Wesentlichen aus dem Werkstoff der Bondrahmen 5a, 15 sowie dem Werkstoff der Zinnschicht 11 besteht.
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Die 5 zeigt in einer starken Vergrößerung einen Ausschnitt aus der Fügezone 16. Zu erkennen ist der Werkstoff der Metallstruktur der Fügezone 16, wobei die einander zugewandten Fügeflächen 17a, b mikroskopisch kleine Unebenheiten und Oberflächenstrukturen aufweisen. Beim Zusammenfügen von Bodenelement 1 und Aufsatzelement 12 unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck verformen sich die einander gegenüberliegenden Fügeflächen 17a, b und bilden aneinander anliegende gepresste Flächenteile 18 und zwischen diesen liegende Poren 19 aus. Es ist offensichtlich, dass die beim Zusammenfügen zu leistende Umformarbeit zum Ausgleich von Oberflächenunebenheiten und Schließen von Poren 19 umso geringer ausfallen kann, je glatter die Fügeflächen 17a, b ausgebildet sind. Je geringer die Größer der eingeschlossenen Poren 19 ausfällt, desto schneller schließen sich diese Poren aufgrund von Oberflächendiffusionsvorgängen in der Fügezone 16.
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In der 6 ist ein mikromechanisches Bauelement 21 dargestellt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und je ein erfindungsgemäßes Bodenelement 1 und Deckelelement 22 aufweist. Bodenelement 1 und Deckelelement 22 sind jeweils aus einem Siliziumwafer hergestellt und in der Fügeebene 10 miteinander verbunden. Sie bilden eine zwischen ihnen liegende Kavität 25 aus, in der u. a. nachfolgend beschriebene Funktionseinheiten angeordnet sind.
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Auf dem Subrat 2 des Bodenelements 1 ist ein Bandrahmen 15 aus Cu angeordnet. Dieser trägt wiederum eine Schicht 26 aus Au, die mit einer auf dem Deckelement 22 aufgebrachten Schicht 27 ebenfalls aus Au die Fügung zwischen Bodenelement 1 und Deckelelement 22 ausbildet. Die Fügeflächen 17a, b der Schichten 26, 27 liegen in der Fügeebene 10.
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Auf dem Substrat 2 des Bodenelements 1 ist eine auslenkbare Sensorstruktur 23 angeordnet. Diese ist in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung auslenkbar und elektrisch leitend mit einer Leiterbahn 24 verbunden. Eine Auslenkung der Sensorstruktur 23 in Richtung des Pfeils A ist mittels einer Messelektrode oder Z-Anschlags 28, der am Substrat 13 des Deckelelements 22 angeordnet ist, erfassbar.
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Zur elektrischen Kontaktierung des Z-Anschlags 28 ist in dem Deckelelement 22 eine elektrische Durchführung 29 vorgesehen. Diese ist über ein Pad 30 mit einer Lotkugel 31 elektrisch verbunden. Zur elektrischen Kontaktierung der Sensorstruktur 23 ist auf dem Substrat 2 des Bodenelements 1 elektrisch verbunden mit der Leiterbahn 24 ein vertikaler elektrischer Kontakt 32 vorgesehen. Dieser ist aus auf dem Bodenelement 1 abgeschiedenen Schichten 33, 34 sowie einer auf dem Deckelelement 22 abgeschiedenen Schicht 35 gebildet. Die Fügeflächen 17a, b der Schichten 34, 35 liegen in der Fügeebene 10. Zur elektrischen Kontaktierung der Schicht 35 ist in dem Deckelelement 22 eine elektrische Durchführung 36 vorgesehen, die ihrerseits über ein Pad 37 mit einer weiteren Lotkugel 38 elektrisch verbunden ist. Die Fügeflächen 17a, b der Schichten 26, 27, 34 und 35 sowie ggf. die bodenelementseitige Fläche 39 des Z-Anschlags 28 ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren planarisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bodenelement
- 2
- Substratschicht
- 3
- Zwischenschicht
- 4a, b
- elektrische Kontaktstrukturen
- 5a, b
- Bondrahmen
- 6
- Lackschicht
- 7, 8, 9
- Flächen
- 10
- Planarisierungsebene
- 11
- Zinnschicht
- 12
- Aufsatzelement
- 13
- Substratschicht
- 14
- Zwischenschicht
- 15
- Bondrahmen
- 16
- Fügezone
- 17a, b
- Fügefläche
- 18
- gepresster Flächenteil
- 19
- Pore
- 20
- aktive Struktur
- 21
- Bauelement
- 22
- Deckelelement
- 23
- auslenkbare Sensorstruktur
- 24
- Leiterbahn
- 25
- Kavität
- 26
- Schicht
- 27
- Schicht
- 28
- Anschlag
- 29
- Durchführung, Vias
- 30
- Pad
- 31
- Lotkugel
- 32
- Kontakt
- 33
- Schicht
- 34
- Schicht
- 35
- Schicht
- 36
- Durchführung
- 37
- Pad
- 38
- Lotkugel
- 39
- Fläche
- 40
- Durchführung, Vias
- 41
- Fläche
- 42
- Planarisierungsebene
