DE102012110549B4

DE102012110549B4 - Vorrichtung zur Zündung und Reaktionsübertragung in reaktiven Mehrschichtsystemen

Info

Publication number: DE102012110549B4
Application number: DE102012110549.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reinert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: DE102012110549A1

Abstract

Erstes Substrat (1) mit einem darauf ein- oder beidseitig aufgebrachten Fügeschichtsystem (3), wobei das Fügeschichtsystem (3) auf der jeweiligen Seite des ersten Substrats (1)
- einen reaktiven Multilayer (7) mit mindestens zwei alternierenden flächigen Nanoschichten, die aus jeweils unterschiedlichem Material bestehen und nach einer Initiierung miteinander unter sich selbst erhaltender Reaktionsausbreitung exotherm reagieren, wobei sich der reaktive Multilayer (7) entlang einer lokalen Substratoberfläche parallel zu dieser, ohne vertikal auf diese Ebene stehenden Erhöhungen, erstreckt, sowie
- eine zwischen dem ersten Substrat (1) und dem reaktiven Multilayer (7) angeordnete thermisch und elektrisch entkoppelnde feste Isolierschicht (19)
aufweist und derart ausgebildet ist, dass das erste Substrat (1) mittels des Fügeschichtsystems (3)
- mit einem zweiten Substrat (2) verbunden werden kann, um mindestens ein passives oder aktives Bauelement (4) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Substrat teilweise oder vollständig einzuschließen oder hermetisch zu verkapseln, und/oder
- flächig mit einem dritten Substrat verbunden werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Isolierschicht (19) eine Dicke von mindestens 400 nm aufweist und
- die Isolierschicht (19) teilweise oder ganz durch mindestens ein gasgefülltes Freistellungssegment (31) unterbrochen ist oder ein vom reaktiven Multilayer (7) nicht oder nur schlecht benetztes Entnetzungssegment aufweist, und
- der reaktive Multilayer (7) auch das mindestens eine Freistellungs- (31) oder Entnetzungssegment unter Ausbildung von mindestens einem vom Substrat (1) freigestellten oder entnetzten Multilayerbereich (30) bedeckt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein erstes Substrat, wie z.B. einen Siliziumwafer mit Auswerteschaltung (ASIC), einen Glaswafer oder einen einzelnen Chip, mit einem darauf aufgebrachten Fügeschichtsystem mit einem reaktiven Multilayer mit mindestens zwei alternierenden flächigen Nanoschichten aus mindestens zwei jeweils unterschiedlichen und nach einer Initiierung miteinander unter sich selbsterhaltender Reaktionsausbreitung exotherm reagierenden Materialien. Dieses erste Substrat ist dabei derart ausgebildet, dass es mittels des Fügeschichtsystems mit einem zweiten Substrat, z.B. einem weiteren Wafer oder Chip, verbunden werden kann, um mindestens ein passives oder aktives Bauelement zwischen den beiden Substraten teilweise oder vollständig einzuschließen oder hermetisch zu verkapseln, und/oder flächig mit einem dritten Substrat, z.B. einem Kühlkörper, verbunden werden kann. Die Begriffe „teilweise oder vollständige Einschließung“ sowie „hermetische Verkapselung“ werden im Folgenden in einem Sammelbegriff „Verkappung“ zusammengefasst.
Ferner betrifft die Erfindung ein System, das durch das Verbinden eines erfindungsgemäßen ersten Substrats mit einem zweiten und/oder dritten, dem ersten Substrat gegenüberliegenden Substrat erhalten wurde, wobei das Verbinden des ersten mit dem zweiten und/oder dritten Substrat jeweils mittels des Fügeschichtsystems erfolgt ist und dabei das mindestens eine passive oder aktive Bauelement zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat teilweise oder vollständig eingeschlossen oder hermetisch verkapselt („verkappt“) wurde und/oder das erste und das dritte Substrat durch Flächenfügung verbunden wurden, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Das erfindungsgemäße System kann z.B. ein einziges zwischen zwei Substraten (z.B. zwischen zwei einzelnen Chips oder zwischen Chip und Kappe) per Rahmenfügung (z.B. durch vorderseitige Einzelchiprahmenlötung) verkapptes passives oder aktives Bauelement, auch mehrere solche Bauelemente, oder alternativ oder gleichzeitig einen einzelnen rückseitig mit einem dritten Substrat (z.B. Kühlkörper) per Flächenfügung verbundenen Chip (d.h. durch eine rückseitige Einzelchipflächenlötung, etwa bei einem verkapselten Drucksensor) darstellen.
Die Erfindung richtet sich ebenfalls auf ein zwischen zwei Substraten/Wafern/Chips verkapptes passives oder aktives Bauelement, das aus einem erfindungsgemäßen System mit mehreren solchen Bauelementen durch Substratvereinzelung erhalten wurde. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um einen rückseitig per Flächenfügung an ein weiteres Substrat per Flächenfügung angebundenen Chip, der aus einem erfindungsgemäßen System mit mehreren solchen Chips durch Substratvereinzelung erhalten wurde.
Das mindestens eine passive oder aktive Bauelement (auch kurz als Bauteil bezeichnet) kann z.B. ein mikrostrukturiertes Bauelement sein, also etwa ein mikroelektromechanisches System (MEMS), ein Mikrosensor oder Mikroaktuator, oder aber eine sonstige gegenüber äußeren Einflüssen empfindliche und daher durch eine Verkappung/Schutzkappe/Packaging zu schützende elektrische, optische, biomedizinische etc. Einrichtung darstellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf mikrosystemtechnische Bauelemente beschränkt, d.h. es kann sich auch um ein größer dimensioniertes passives oder aktives Bauelement handeln, wie etwa einen Sensor, Aktuator, Schalter etc., mit linearen Abmessungen im µm-, mm- oder sogar im cm-Bereich handeln.
Die heutigen mikrosystemtechnischen Bauelemente werden meist mit Herstellungsverfahren der Halbleitertechnik gefertigt. Dabei können kostengünstig viele Bauelemente gleichzeitig hergestellt werden, z.B. auf einem Substrat/Wafer, welches/welcher später in mehrere kleinere Substrate/Chips durch Substratvereinzelung unterteilt wird. Mikrostrukturierte Bauelemente, insbesondere Mikrosensoren, sind in der Regel allein schon wegen ihrer kleinen Abmessungen gegen unerwünschte äußere Einflüsse, wie etwa übermäßige mechanische Belastung, störende elektromagnetische Strahlung und störende Partikel, äußerst empfindlich und müssen während des Betriebs bzw. auch schon während der Fertigung geschützt werden. Dies wird bewerkstelligt, indem diese Bauelemente durch Schutzkappen teilweise, vollständig oder sogar hermetisch geschützt/verkappt werden.
Aus dem Stand der Technik ist z.B. die hermetische (d.h. hermetisch dichte) Verkappung (auch als Verkapselung oder Versiegelung bezeichnet) von Mikrosensoren durch Wafer-Bonden bekannt. Verschiedene Techniken mit und ohne Einsatz von Fügewerkstoffen werden dabei verwendet. Allen für die Massenherstellung relevanten Technologien ist gemeinsam, dass relativ hohe Fügetemperaturen von mehr als 300°C benötigt werden, wodurch der Einsatz auf die Verbindung von Materialien mit gleicher thermomechanischer Ausdehnung beschränkt ist. Der vollständige Prozessablauf beansprucht dabei typischerweise etwa 2 Stunden pro Wafer, was im Vergleich zu anderen Wafer-Prozessen extrem lang ist und daher hohe Infrastrukturkosten erzeugt.
Im Fall der Verkappung von metallischen Mikrostrukturen (Schalter, Spiegel etc.) müssen darüber hinaus besondere Vorkehrungen getroffen werden, um eine Bauteilschädigung (Rekristallisation) durch die hohen Fügetemperaturen und die langen Haltezeiten zu vermeiden. Die Integration von Polymeren (z.B. Polymerlinsen) in eine durch die Versiegelung entstehende Gehäusekavität ist derzeit aus ähnlichen Gründen überhaupt nicht möglich.
Die Grundlagenforschung, aber auch Hersteller von Waferbondern arbeiten derzeit intensiv an metallischen Versiegelungstechnologien bei niedrigen Temperaturen. Als Ansätze werden sowohl Flächenfügungen als auch Versiegelungen von Bauteilkavitäten mit spezieller Oberflächenaktivierung diskutiert, durch die sehr niedrige Prozesstemperaturen für eine Fügung ausreichen sollen. Die niedrige Prozesstemperatur im Bereich von 20°C bis 200°C soll dabei insbesondere die Fügung unterschiedlicher Materialien miteinander ermöglichen. Die Fügung von ultra-glatten Gold-Oberflächen im Ultra-Hochvakuum mit Argon-Aktivierung in einer Vakuumvorkammer ist heute im Labor bei 50°C und einer niedrigen Kraftbeaufschlagung möglich. Notwendig sind hierbei jedoch absolut ebene Substratoberflächen ohne Dickenschwankung und sehr glatte Kontaktflächen. Bei der Direktkontaktierung von Gold-zu-Gold-Strukturen dürfen diese Oberflächen keine Rauigkeiten von mehr als 2 nm Ra aufweisen, bei Si-zu-Si sogar von höchstens 0,7 nm Ra. Solch ideale Bedingungen sind jedoch schwierig für industriell gefertigte Bauteile zu erreichen und damit sehr kostenintensiv. Zudem können keinerlei Oberflächentopografien, d.h. gewünschte Unebenheiten, bei derartiger Versiegelung überwunden werden, ohne dass ein Gasleck entsteht.
Die plastische Deformation von Metallrahmen durch extrem hohe Anpresskräfte beim Thermokompressions-Bonden ist ein weiterer Ansatz, der helfen soll, die notwendige Prozesstemperatur für eine Verschweißung, wie z.B. zur Substratverbindung zwecks Versiegelung einer Kavität, zu reduzieren. Hierbei führen jedoch eingebrachte Bauteildeformationen zu intrinsischen Stresszuständen. Die Verwendung von Auln-Rahmenstrukturen, insbesondere mit sehr dünn ausgeführtem Indium, ist auch ein Ansatz zur Reduzierung der Prozesstemperatur auf etwa 150°C. Sofern der Abscheidungsprozess für Indium beherrscht wird, bietet dieses Verfahren durchaus einige günstige Eigenschaften für die hermetische Versiegelung. Das Verfahren wird zur Gruppe der metallischen Versiegelungstechniken mit vorübergehender flüssiger Phase (Transient Liquid Phase Bonding) gezählt und lebt von der vollständigen Umsetzung des Indium-Angebotes in Auln an in einer intermetallischen Phase mit einer Schmelztemperatur von ca. 435°C. Bei einer nur kurzen Durchwärmung bildet sich jedoch lediglich ein niedrigschmelzendes Auln-Eutektikum (TL = 143°C), das in einem Reflow-Prozess wieder aufschmilzt.
Es ist ferner bekannt, dass reaktive Mehrschichtsysteme (RMS), wie z.B. Ni/Al, Ti/Si etc., bei der exothermen Bildung von intermetallischen Phasen einen deutlichen Temperaturüberschuss bilden, der beispielsweise zu einer lokalen Aufschmelzung von Lotdeckschichten und damit zum Verbinden von Substraten/Wafers/Chips genutzt werden kann. Fügungen können dabei grundsätzlich beliebig in der Form, z.B. als Flächenfügung oder Linien- bzw. Rahmenfügung, ausgeführt werden. Diese relativ neue Technologie hat grundsätzlich das Potential, auch hohe Topografien auszugleichen, eine sehr hohe Gasdichtigkeit und hohe Festigkeit herzustellen, ohne besondere Anforderungen an die Oberflächenrauigkeit oder Partikel und Kratzerfreiheit an den Fügestellen zu stellen. Eine gezielte Substrat-Erwärmung zum Aufschmelzen von Lotmaterial entfällt bei dieser Methode, wodurch eine geringere Substraterwärmung als bei den in der Massenherstellung bislang eingesetzten Wafer-Bonding-Techniken und somit z.B. das Fügen von Fügepartnern unterschiedlicher thermischer Ausdehnung grundsätzlich möglich ist. Die sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit im Schichtstapel führt zu einer schnellen lateralen Reaktionsausbreitung, wodurch sich ein hoher Fügedurchsatz erzielen lässt, insbesondere weil keine zusätzlichen Schritte zur Substraterwärmung davor bzw. der Zwangskühlung danach durchgeführt werden müssen.
Im Falle einer Fügeverbindung eines ersten Substrat mit einem als Kühlkörper agierenden weiteren (im hiesigen Kontext „dritten“) Substrat ist der Kühlkörper unter Umständen wärmeempfindlich, sodass eine entscheidende und zuverlässige Senkung der Fügeprozesstemperatur bei zugleich gleichbleibender Einfachheit für die Massenherstellung ebenfalls erwünscht ist.
In US 2006/0220223 A1 und DE 10 2009 006 822 A1 werden einige Beispiele der Verwendung von reaktiven Mehrschichtsystemen zum Substrat-Bonden gezeigt.
DE 11 2008 002 377 T5 offenbart ein Verfahren zum Bonden einer Elektronikeinheit an ein Trägersubstrat unter Verwendung einer reaktiven Mehrschichtfolie. US 2004/0040578 A1 offenbart die Verwendung einer exotherm reaktiven Mehrschichtstruktur in einer Apparatur zur Beseitigung von Verunreinigungen. DE 10 2004 004 539 A1 offenbart die Verwendung von reaktiven Mehrschichtfolien bei der Waferverbindung, wobei dies die Verkapselung von Elektronikstrukturen beinhalten kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor allem hinsichtlich des Energieverbrauchs, der Prozesstemperaturen und der Herstellungskosten bei einer zugleich vergrößerten Variantenvielfalt für spezifische Anwendungen verbesserte Technologie der Substratverbindung zur Verkappung von passiven und aktiven Bauelementen zwischen zwei oder mehr Substraten und/oder zur Flächenfügung flächiger und unter Umständen wärmeempfindlicher Substratoberflächen jeweils unter Verwendung von reaktiven Mehrschichtsystemen (kurz: reaktiven Multilayers) anzugeben. Mit anderen Worten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein erstes Substrat, ein Verfahren zum Verbinden des ersten Substrat mit einem oder mehreren weiteren und ein System aus mittels reaktiver Multilayers verbundenen Substraten mit dazwischen verkappten passiven oder aktiven Bauelementen anzugeben, die bessere Eigenschaften und Möglichkeiten für die Massenherstellung und für die Vielfalt der Anwendungen bieten, als bisher bekannte Technologien.
Diese Aufgabe wird durch ein erstes Substrat mit einem darauf vorder- und/oder rückseitig aufgebrachten Fügeschichtsystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System nach Anspruch 13, ein Teil-System nach Anspruch 16 und ein Substratverbindungverfahren nach Anspruch 17.
Bei dem ersten Substrat nach der Erfindung kann es sich beispielsweise um ein Halbleitersubstrat (z.B. ein Siliziumsubstrat) mit oder ohne eine darauf oder darin angeordnete anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), um einen Wafer (z.B. einen Halbleiter- oder Glas-Wafer, der in mehrere einzelne Substrate/Wafer/Chips unterteilt werden kann), ferner um einen einzelnen (z.B. zu verkappenden) Chip oder auch um einen Kühlkörper (z.B. ein Peltier-Element oder ein DCB-Substrat, englisch: „direct copper bonded substrate“) handeln.
Das gleiche gilt im Rahmen der Erfindung übrigens auch für das zweite, das dritte und jedes weitere Substrat, zur Verbindung mit welchem das erste Substrat geeignet ist.
Das Fügeschichtsystem kann z.B. ausschließlich auf einer ersten, mit dem zweiten Substrat zu verbindenden, Oberfläche des ersten Substrats (d.h. „vorderseitig“) aufgebracht sein, um ein oder mehrere Bauelemente zwischen den beiden Substraten zu verkappen. Alternativ kann das Fügeschichtsystem auch allein auf der anderen Seite des ersten Substrats (d.h. „rückseitig“) aufgebracht sein, die in diesem Fall flächig mit dem dritten Substrat verbunden werden kann, z.B. wenn die Rückseite eines Sensors oder Chips (erstes Substrat) mit einer Kühlfläche/einem Kühlkörper (drittes Substrat) flächig verbunden werden soll. Auch eine Kombination dieser beiden Alternativen ist bei einem Substrat nach der Erfindung möglich, d.h. das Fügeschichtsystem ist sowohl vorderseitig auf dem ersten Substrat zu seiner Verbindung mit dem zweiten Substrat als auch rückseitig zur Verbindung mit einem dritten Substrat aufgebracht, sodass es sich um eine beidseitige Beschichtung des ersten Substrats mit dem Fügeschichtsystem gemäß der Erfindung handelt. Ferner kann das auf einer ersten Oberfläche des erfindungsgemäßen ersten Substrats angeordnete Fügeschichtsystem in seinen unterschiedlichen Bereichen jeweils zur Verbindung mit dem zweiten oder mit dem dritten Substrat vorgesehen und ausgebildet sein, d.h. das zweite und das dritte Substrat können mittels des Fügeschichtsystems mit einer und derselben ersten Oberfläche des ersten Substrats in deren verschiedenen Flächensegmenten verbunden werden.
Des Weiteren können auch mehr als zwei bzw. mehr als drei Substrate in diversen Kombinationen aus Substratverbindungen in diesem Kontext genannter Art und auf die hierin beschriebene Weise zu hierin genannten (oder auch anderen) Zwecken mittels eines Fügeschichtsystems auf einem ersten Substrat nach der Erfindung mit diesem Substrat verbunden werden. Einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen des ersten Substrats und des Fügeschichtsystems, die in Verbindung mit der Bauelement-Verkappung beschrieben werden, können bei Eignung und Bedarf auch für eine Flächenfügung eingesetzt werden und umgekehrt. Daher wird im Folgenden der Kürze wegen nur noch von einer ersten Oberfläche des ersten Substrats die Rede sein, wobei eine geeignete gleiche, ähnliche oder entsprechende Beschaffenheit, Beschichtung oder Verbindung zu einem anderen Substrat auch auf die Rückseite des ersten Substrats Anwendung finden kann. Ebenfalls können und sollen die im Folgenden in Bezug auf ein „zweites“ Substrat dargelegten Beispiele, Merkmale und Merkmalskombinationen des erfindungsgemäßen ersten Substrats/Systems/Verfahrens auch in Bezug auf ein „drittes“ Substrat im obigen Sinne Anwendung finden.
Im Falle einer beidseitigen Beschichtung des ersten Substrats mit dem Fügeschichtsystem gemäß der Erfindung können die auf den beiden verschiedenen Seiten/Oberflächen des ersten Substrats aufgebrachten Fügeschichtsystem-Beschichtungen nach der Erfindung in ihrer konkreten Ausführung (d.h. im Aufbau der einzelnen Schichten, der Materialwahl und in der lateralen Strukturierung) identisch, ähnlich oder aber unterschiedlich sein, je nach Anforderungen einer konkreten Anwendung. Wenn im Folgenden und in den Unteransprüchen eine laterale Strukturierung des Fügeschichtsystems beschrieben wird, wird sinnvollerweise eine laterale Strukturierung entlang einer einzigen Seite/Oberfläche des ersten Substrates gemeint, welche jedoch sowohl die Vorder- als auch die Rückseite des ersten Substrates sein kann und, wenn geeignet und gewünscht, für eine Rahmen- oder Flächenfügung oder beides mit einem anderen (zweiten, dritten etc.) Substrat verwendet werden kann.
Ein oder mehrere passive oder aktive Bauelemente können bereits an dem ersten Substrat angeordnet sein. Ein oder mehrere solche Elemente können aber auch an dem zweiten Substrat angeordnet sein, mit dem das erste Substrat zu verbinden ist. Es können auch zwei oder mehr gleiche oder unterschiedliche Bauelemente eingangs genannter Arten zwischen den beiden Substraten einzuschließen/zu verkapseln (kurz: „zu verkappen“) sein bzw. in einem eingangs erwähnten und weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen System zwischen zwei miteinander verbundenen Substraten verkappt sein. Die Verbindungen der beiden Substrate können beispielsweise als Flächenverbindungen oder als Rahmenverbindungen ausgeführt werden.
Das auf einem erfindungsgemäßen ersten Substrat aufgebrachte Fügeschichtsystem umfasst in jedem Fall eine feste thermisch und elektrisch entkoppelnde Schicht (d.h. die Isolierschicht), welche in der Regel unmittelbar auf dem ersten Substrat aufgebracht ist. Auf die Isolierschicht ist entweder unmittelbar oder über eine oder mehrere ggf. vorhandene optionale Zwischenschichten die reaktive Multilayerschicht (d.h. der reaktive Multilayer) aufgebracht. Als Zwischenschichten können z.B. eine optionale Haftvermittlerschicht, eine optionale Diffusionsbarriere und/oder eine optionale Deckschicht zwischen der Isolierschicht und dem reaktiven Multilayer vorgesehen sein oder aber Teil einer zusammengesetzten oder gradierten Isolierschicht sein. Der reaktive Multilayer kann optional mit einer für ein Lot oder ein Verbindungsmaterial benetzbaren Deckschicht und/oder, ebenfalls nur optional, einem Lotwerkstoff oder Verbindungsmaterial abschließen. Ein Verbindungmaterial kann in allen Fällen mit einer entsprechenden Verbindungsschicht z.B. ein durch die Reaktionswärme im reaktiven Multilayer (wie auch ein Lot) schmelzbares Metall sein, welches eine festigende Legierung mit einem anderen (ebenfalls durch diese Wärme schmelzbaren) Metall des zu verbindenden weiteren Substrats bildet.
Das Fügeschichtsystem kann und wird auch in der Regel lateral (d.h. etwa entlang einer lokalen Substratoberfläche) strukturiert sein, z.B. unterschiedlich aufgebaute und/oder voneinander getrennte Fügestellen (d.h. Fügebereiche) aufweisen. Insbesondere können der Schichtaufbau des Fügeschichtsystems und/oder die Dicken einzelner Schichten entlang der lokalen Substratoberfläche variieren. Beispielsweise können voneinander getrennte oder miteinander verbundene rahmenförmige Bereiche oder Inseln im Fügeschichtsystem vorliegen, die etwa zum Einschließen eines passiven oder aktiven Bauelements zwischen den beiden Substraten bzw. zur Ausbildung von elektrischen Kontakten dazwischen dienen können. Es können auf dem ersten Substrat nach der Erfindung also auch zwei oder mehr unterschiedliche Bereiche/Flächensegmente des Fügeschichtsystems nebeneinander vorliegen, deren Schichten (die Isolierschicht, der reaktive Multilayer und ggf. vorhandene weitere Schichten) jeweils unterschiedlich ausgebildet sind. Die Erfindung bezieht sich somit auf substratgebundene Fügeschichten (das auf dem ersten Substrat aufgebrachte Fügeschichtsystem), die einen oder mehrere reaktive Multilayers und eine oder mehrere darunter liegende Isolierschichten aufweisen, mit einer möglichen lateralen Strukturierung einzelner Schichten und des gesamten Fügeschichtsystems. Zur lateralen Strukturierung einzelner Schichten und Schichtstapel können jeweils geeignete Techniken, wie z.B. das Abscheiden mit und ohne Maske, Lift-Off-Verfahren, nachchemische Ätzverfahren, Lasergravur bzw. Laserschneiden, etwa mit einem Neodym-YAG Laser ohne Zündung, eingesetzt werden.
Das Fügeschichtsystem und dessen feste Isolierschicht kann eine erste Oberfläche des ersten Substrats, auf der das Fügeschichtsystem aufgebracht ist, vollständig, teilweise oder auch nur stellenweise, z.B. nur an den künftigen Fügestellen, bedecken. Sie kann in sich ununterbrochen verlaufen oder in zwei oder mehr voneinander separaten Flächensegmenten der ersten Oberfläche des ersten Substrats vorliegen, die beispielsweise zu separaten Chips auf einem Wafer gehören. Die thermische Entkopplung zwischen dem ersten Substrat und dem reaktiven Multilayer erfolgt grundsätzlich lokal, d.h. die in einem Flächensegment des ersten Substrats vorgesehene Isolierschicht sorgt für die thermische Entkopplung dieses Flächensegments von dem darüber liegenden Flächensegment des reaktiven Multilayers. Es können bei einem erfindungsgemäßen ersten Substrat jedoch auch Flächensegmente der ersten Oberfläche vorliegen, in denen zwar eine Isolierschicht, aber kein reaktiver Multilayer vorliegt, oder in denen, umgekehrt, keine Isolierschicht zwischen dem reaktiven Multilayer und dem Substrat vorliegt. Vorzugsweise ist der reaktive Multilayer jedoch zumindest auf einem Großteil seiner Flächenausdehnung, d.h. auf zumindest 80% seiner Fläche, besonders bevorzugt auf seiner gesamten Fläche, entweder durch die feste Isolierschicht oder stellenweise/lokal durch andere, etwa gasförmige, thermische Entkoppler von dem ersten Substrat getrennt.
Mit anderen Worten sind die Flächenbedeckungen der ersten Oberfläche des ersten Substrats mit der Isolierschicht, mit dem reaktiven Multilayer und mit ggf. vorhandenen weiteren Schichten, wie z.B. einer Lot- oder Verbindungsschicht, grundsätzlich unabhängig voneinander. D.h. die laterale Strukturierung der verschiedenen Schichten im erfindungsgemäßen Fügeschichtsystem kann generell untereinander verschieden sein.
Die obige erste Oberfläche des ersten Substrats kann sowohl eben ausgebildet sein als auch Unebenheiten/Profil/Topografien aufweisen.
Obwohl die Zündtemperatur bei der Initiierung der exothermen Reaktion im reaktiven Multilayer oder die durch die exotherme Reaktion selbst verursachte hohe Temperatur im reaktiven Multilayer - in der Regel nur lokal bzw. stellenweise und nur für die Zeit der Reaktionsausbreitung - deutlich über 800°C erreichen kann, wird das lokal darunter liegende und durch die Isolierschicht vom reaktiven Multilayer thermisch abgekoppelte Substrat in der Regel nicht über 300°C, vorzugsweise nicht über 200°C, bevorzugt nicht über 100°C, besonders bevorzugt nicht über 50°C erwärmt. D.h. die Wärme verbleibt wegen der extra hierfür vorgesehenen Isolierschicht während der Reaktionsausbreitung in der Reaktions- bzw. einer ggf. vorhandenen Lotschicht und wird nicht oder zumindest nicht zu schnell vom ersten Substrat abgeführt. Bei der Zeitskala für „nicht zu schnell“ wird auf die Reaktionsausbreitungsgeschwindigkeit im reaktiven Multilayer abgestellt. Dadurch wird zum einen das erste Substrat nach der Erfindung vor einer unerwünschten Erwärmung geschützt. Zum anderen fördert die im reaktiven Multilayer verbleibende und nicht zum ersten Substrat hin abgeführte Wärme die weitere Ausbreitung der exothermen Reaktion, sodass sich die Letztere schneller und weiter ausbreiten kann und man dementsprechend mit weniger Zündungsenergie bzw. weniger oder einfacheren Zündungsstellen für die Initiierung auskommen kann, als bei den bisher bekannten Systemen.
Bei der thermisch und elektrisch entkoppelnden Isolierschicht kann es sich beispielsweise um eine dielektrische Schicht handeln. Mit der thermischen Entkopplung geht eine - ebenfalls lokale - elektrische Entkopplung zwischen dem ersten Substrat und dem reaktiven Multilayer und/oder ggf. vorhandenen weiteren Schichten, wie etwa einer Lot- oder Verbindungsschicht, einher.
Der reaktive Multilayer umfasst eine sich vorzugsweise wiederholende Abfolge aus zwei oder mehr als zwei sehr dünnen, vorzugsweise flachen Schichten (als Nanoschichten bezeichnet), wobei die beiden (oder mehreren) Schichten aus unterschiedlichen Materialien A und B (bzw. - bei mehr als zwei Schichten A, B, C,...) bestehen (vgl. 4), die nach einer Initiierung (auch als Zündung oder Energieeintrag bezeichnet) miteinander unter sich selbsterhaltender Reaktionsausbreitung exotherm reagieren. Die Einzelschichtdicken können im Bereich von 3 nm bis 300 nm, vorzugsweise von 5 nm bis 250 nm, besonders bevorzugt von 5 nm bis 30 nm, liegen. Etwa 200- 2000 Paare bilden dabei beispielsweise einen reaktiven Multilayer mit einer Stapeldicke im Bereich 1 µm bis 1 mm, vorzugsweise 1 µm bis 200 µm, bevorzugt 1 µm bis 20 µm, besonders bevorzugt 1 µm bis 5 µm.
Die flächigen Nanoschichten im Sinne der Erfindung folgen - zumindest lokal betrachtet - dem Verlauf der Substratoberfläche oder der Isolierschicht, d.h. sie weisen keine gezielten vertikal auf die lokale Substratebene stehenden Erhöhungen auf. Die flächigen Nanoschichte sind in diesem Sinne im Wesentlichen flach und können sich z.B. zu einer jeweils lokalen Substratebene parallel erstrecken. Gewisse Variationen der Dicke einer Nanoschicht sind hingegen möglich und können in spezifischen Ausführungsformen sogar erwünscht sein, wie z.B. in gewollt dünner ausgebildeten Multilayerbereichen oder in seinen Randbereichen. Ebenfalls sind gewisse Abweichungen von dem bezüglich der jeweiligen lokalen Substratebene parallelen Verlauf einer Nanoschicht möglich oder können sogar erwünscht sein, z.B. falls die zwischen dem Substrat und dem Multilayer angeordnete feste Isolierschicht lokal eine Dickenänderung oder eine Unterbrechung aufweist, d.h. wenn der reaktive Multilayer eine Unebenheit im ersten Substrat oder in der Isolierschicht überdeckt.
Als Materialien A und B im obigen Sinne können diverse Metalle, aber auch Nichtmetalle in Kombinationen wie etwa Ni/Al, NiV/AI (mit vorzugsweise ca. 7 Masse-% Vanadium in der NiV-Legierung), Ti/Si, Zr/Al, Pd/Al, Ti/Al, Ru/Al, Cu/Ti, Au/X, wobei X ein beliebiges Übergangsmetall sein kann, eingesetzt werden. Eine alternierende Abfolge von Metall-Nanoschichten aus zwei verschiedenen Metallen A und B ist bevorzugt. Es können auch drei oder mehr jeweils verschiedene Materialien für die Nanoschichten des reaktiven Multilayers, vorzugsweise in einer sich wiederholenden Abfolge, verwendet werden. Insbesondere können die Nanoschichten in allen Fällen der Erfindung aus anderen Materialien aufgebaut sein, als das erste Substrat. Z.B. kann bei einem ersten Substrat aus Silizium, Germanium oder Glas ein reaktiver Multilayer aus ausschließlich metallischen Nanoschichten in genannten Kombinationen gewählt werden.
Ein oder mehrere reaktive Multilayers können beispielsweise als selbsttragende Folien mit oder ohne eine einseitige oder beidseitige Lotbeschichtung erzeugt und auf das erste Substrat bzw. auf die Isolierschicht oder auf ggf. vorhandene Zwischenschichten aufgebracht, d.h. damit mechanisch verbunden werden. Selbsttragende Folien mit doppelseitiger Lotbeschichtung sind dabei für Zwecke einer Massenherstellung, wie z.B. in der Leistungselektronik, besonders gut geeignet. Alternativ können die Nanoschichten auf das erste Substrat bzw. auf die Isolierschicht oder ggf. vorhandene Zwischenschichten abgeschieden werden. Im letzteren Fall lässt sich eine nahezu beliebige, je nach Anwendung und der Topografie des ersten Substrats erwünschte, laterale Strukturierung des reaktiven Multilayers bewerkstelligen, etwa mittels einer Maske, durch Lift-Off-Verfahren, nachchemische Ätzverfahren, Lasergravur, Laserschweißen etc.. Das Gleiche kann im Übrigen auch für oben erwähnte optionale Schichten, wie Zwischenschichten, Deckschichten etc., Anwendung finden.
Die Reaktionsentfachung (auch als Initiierung oder Zündung bezeichnet) benötigt eine gezielte Energieeinleitung, beispielsweise durch einen mechanischen Stoß oder durch Erwärmung. Eine lokale Erwärmung durch Laserbeschuss oder elektrische Widerstandserwärmung kann dabei prozesstechnologisch einfacher integriert und bei Bedarf automatisiert werden. Die Zündung kann dabei beispielsweise über spezielle Zündelemente am Rand oder in der Fläche des ersten Substrates bzw. des Fügeschichtsystems an mindestens einer Stelle (d.h. lokal) durchgeführt werden. Ein Zündelement kann z.B. aus dem reaktiven Multilayer selbst, einem lokal abgedünnten Multilayer-Schichtstapel oder einem separaten, d.h. extra hierfür vorgesehenen und ggf. anders als der reaktive Multilayer aufgebauten, Dünnschichtelement als Widerstandsheizer bestehen. Es ist zudem möglich, über eine Funkenstrecke die elektrische Energie zur Reaktionsentfachung einzuleiten.
Die wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäß beschichteten ersten Substrats liegt in einem aufgrund der Isolierschicht im Vergleich zu den bekannten Technologien schnelleren Fügeprozess und niedrigerem Wärme- und Stresseintrag in die Fügepartner (die beiden Substrate), wobei eine hochschmelzende metallische Verbindung geschaffen werden kann. Wegen des erfindungsgemäß gewährleisteten Verbleibs der Initiierungs- und der Reaktionswärme im reaktiven Multilayer lässt sich der energetische Zündungsaufwand deutlich reduzieren, wobei weniger bzw. kleinere und einfachere Zündstellen/Zündelemente ausreichen, diese effektiver funktionieren und damit eine höhere Geometrieauflösung bei der Gestaltung des reaktiven Multilayers und des gesamten Fügeschichtsystems ermöglichen.
Insbesondere für das Waferbonden stellt die hierin vorgeschlagene Technologie einen Vorteil dar, weil die Bauteildichte im Vergleich zum Glasfritt-Bonden um etwa 30% oder mehr gesteigert werden kann, bei kleinen Bauteilen sogar um 40% oder mehr. Gleichzeitig kann vollständig auf umweltschädliche Legierungselemente wie Blei verzichtet werden und die Prozesszeit auf 15 Minuten oder noch weniger reduziert werden, die im Wesentlichen durch das Waferhandling, das notwendige Ausgasen im Vakuum und nur unwesentlich durch die kurze Reaktionszeit des Metallschichtverbundes bestimmt wird. Substrat-Aufwärmzeiten und - Abkühlzeiten werden nahezu vollständig gestrichen. Hierdurch kann der Waferdurchsatz um einen Faktor fünf im Vergleich zum eutektischen-AuSn-Waferbonden gesteigert werden.
Der Einsatz von thermisch entkoppelten reaktiven Mehrschichtsystemen (reaktiven Multilayers) als Flächenlötung kann sich in der Leistungselektronik als sinnvoll erweisen, um ungleiche Substratmaterialien ohne oder nur mit sehr geringer Verspannung miteinander zu fügen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Isolierschicht anorganisch. Besonders bevorzugt weist sie ein Oxid, Carbid oder Nitrid eines Hauptgruppenelements oder eines Übergangsmetalls auf oder besteht sogar daraus. In vielen Fällen, besonders bei einem Si-Substrat, ist beispielsweise eine erfindungsgemäße Isolierschicht aus Siliziumoxid gut geeignet, d.h. insbesondere eine SiO₂ -Schicht. Die Isolierschicht kann daher z.B. durch thermische Oxidation des ersten Substrats, durch TEOS- oder HTO-Abscheidung, LP-CVD oder PE-CVD auf dem ersten Substrat aufgebracht werden.
In allen Fällen nach der Erfindung weist die Isolierschicht eine Dicke von mindestens 400 nm auf, vorzugsweise von mindestens 1 µm, bevorzugt von mindestens 2 µm, besonders bevorzugt von mindestens 3 µm. Beispielsweise stellt sich heraus, dass das erste Substrat von der im reaktiven Multilayer erzeugten bzw. entstehenden Wärme durch eine Isolierschicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 500 nm oder mehr bereits äußerst effektiv isoliert wird, bei Dicken von 2 µm oder mehr wird das erste Substrat in der Regel sogar nahezu vollständig isoliert, d.h. es wird nicht über 100° C dadurch erwärmt. Je nach Aufbau des reaktiven Multilayers und der ggf. vorhandenen Zwischenschichten können die Temperaturen darin während der Zündung oder der Reaktionsausbreitung über 800°C, in manchen Systemen sogar bis über 1600°C erreichen. Je nach dieser Temperatur und der gewählten Dicke der Isolierschicht wird das erste Substrat dabei vorzugsweise nicht über 300°C, bevorzugt nicht über 200°C, besonders bevorzugt nicht über 100°C erwärmt.
In allen Fällen nach der Erfindung kann der reaktive Multilayer des Fügeschichtsystems einen zusammenhängenden Multilayer-Bereich aufweisen, welcher derart ausgebildet ist, dass sich eine exotherme Reaktion darin nach einer Initiierung sich selbsterhaltend radial nach innen (d.h. einschnürend) oder radial nach außen ausbreiten und dadurch den gesamten zusammenhängenden Multilayer-Bereich abdecken kann. In einem einfachen Fall kann der zusammenhängende Multilayer-Bereich (genau oder ungefähr) kreisförmig, ggf. mit Löchern oder untereinander verbundenen Inseln im Kreis, ausgebildet sein, z.B. bei einem kreisförmigen Wafer als einem ersten Substrat nach der Erfindung. Die kreisrunde Form des zusammenhängenden Multilayer-Bereichs ist jedoch nicht zwingend erforderlich für die sich selbsterhaltende Reaktionsausbreitung mit einer Radialfront. Vielmehr kann sich die exotherme Reaktion radial nach innen oder nach außen auch bei einem recht- oder vieleckigen oder einem beliebig unregelmäßig, etwa oval oder gebogen, ausgebildeten Rand des zusammenhängenden Multilayer-Bereichs ausbreiten, wobei eine mehr oder minder strenge kreisrunde Randform besonders effektiv für die Zündung/Initiierung sein kann. In allen solchen Fällen reicht zu einer flächendeckenden Reaktionsausbreitung im zusammenhängenden Multilayer-Bereich grundsätzlich ein Zündelement aus, das sich am Rand dieses Bereichs oder aber in seinem Inneren, vorzugsweise möglichst mittig angeordnet, aus (vgl. 9).
Befinden sich auf einer Oberfläche des ersten Substrats nach der Erfindung mehrere Fügestellen (Bereiche des Fügeschichtsystems) mit reaktiven Multilayerschichten, so kann in einem einfachen Fall jede einzelne Fügestelle über ein Zündelement verfügen, um die Fügung individuell zu starten. Verschiedene Fügestellen können z.B. zu verschiedenen Chips auf einem Wafer (ersten Substrat) gehören.
Für den Einsatz in einer Massenproduktion ist jedoch das Konzept der elektrischen Zentralzündung mit einer Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer über Trennflächen (z.B. Sägestraßen) hinaus vorteilhafter. Für die Substratvereinzelung ist es dabei vorteilhaft, die Trennflächen/Sägestraßen von dem oder den metallischen Fügewerkstoffen, etwa von metallischen Nanoschichten des reaktiven Multilayers und/oder ggf. von einem Lotmaterial, frei zu halten. Koppelelemente („Brückenkoppler“) überführen die Reaktionsfront sicher von einer Fügefläche zur nächsten ohne Reaktionsabriss. Optional wird zudem durch eine gewollte Überhitzung und geeignete Geometrien ein Aufreißen der Schicht (eine Art „laterale Entnetzung“) während des Reaktionsübergangs auf eine benachbarte Fügefläche/-Stelle oder gleich danach erzeugt, wodurch die Sägestraße von Metall-Nanoschichten freigestellt wird.
In dem erfindungsgemäßen ersten Substrat ist daher die feste Isolierschicht teilweise unterbrochen oder ganz zertrennt durch ein oder mehrere gasgefüllte Freistellungssegmente, welche jedoch von einem darüber ununterbrochen verlaufenden reaktiven Multilayer bedeckt sind und aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit von Gasen ebenfalls thermisch isolierend wirken. Der jeweils entsprechende von dem ersten Substrat freigestellte Multilayerbereich kann beispielsweise als eine Soll-Reißstelle des reaktiven Multilayers genutzt werden, in der er während der Reaktionsausbreitung oder bei der anschließend eintretenden Abkühlung, etwa durch einen Schrumpf der miteinander reagierten Nanoschichten, mit einer an Sicherheit grenzenden Wahrscheinlichkeit reißen wird.
Das Freistellungssegment in der Isolierschicht und das wie beschrieben gezielt herbeigeführte Aufreißen des darüber liegenden freigestellten Multilayerbereichs kann z.B. zum Freilegen von Trennflächen/Sägestraßen für die spätere Substratvereinzelung genutzt werden (vgl. z.B. 3, 4), wobei sinnvollerweise nicht nur die Isolierschicht, sondern auch ggf. vorhandene sonstige feste Schichten unterhalb und oberhalb des freigestellten Multilayerbereichs, etwa Lot- oder Verbindungsschichten, im Fügeschichtsystem an dieser Stelle fehlen bzw. unterbrochen sind. Dann muss die Säge nicht durch dicke Metallschichten sägen.
Ein solcher Aufbau kann auch zur Ausbildung einer vom Rest des reaktiven Multilayers elektrisch getrennten (z.B. vertikalen) Kontaktverbindung zwischen den nach der Reaktionsausbreitung miteinander verbundenen Substraten dienen (vgl. z.B. 8). D.h. das derart strukturierte Fügeschichtsystem ermöglicht eine gleichzeitige Verkappung von aktiven oder passiven Bauelementen innerhalb eines Fügerahmens (d.h. von diesem umgeben oder umschlossen) und eine elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Substraten innerhalb oder außerhalb des Fügerahmens (d.h. nicht durch diesen hindurch).
Ein Freistellungssegment kann z.B. durch ein nachträgliches Unterätzen eines zunächst festen und mit dem reaktiven Multilayer beschichteten Segments der Isolierschicht erhalten werden. Bei der Verwendung von selbsttragenden reaktiven Multilayer-Folien kann die Isolierschicht auch von vornherein mit Aussparungen oder aber in Form von Sockeln gefertigt werden, wobei sich die ein Freistellungssegment überdeckende Folie beim Aufbringen auf die festen Segmente der Isolierschicht stützt.
Alternativ zu den Freistellungssegmenten weist die Isolierschicht beim erfindungsgemäßen ersten Substrat ein oder mehrere Entnetzungssegmente auf, welche wiederum von einem darüber ununterbrochen verlaufenden reaktiven Multilayer bedeckt, jedoch nicht oder nur schlecht von diesem benetzt sind (entnetzter Multilayerbereich). Bei einem solchen Entnetzungssegment kann es sich um ein von dem Rest der Isolierschicht verschiedenes Material handeln, welches von dem reaktiven Multilayer nicht oder schlechter benetzt wird, als die restliche Isolierschicht. Oder aber es handelt sich beim Entnetzungssegment um ein mit einer entsprechenden entnetzend wirkenden Beschichtung versehenes oder, umgekehrt, von einer ggf. vorhandenen Haft- oder Benetzungsschicht freies Segment der Isolierschicht handeln.
In allen Fällen nach der Erfindung weist das Fügeschichtsystem vorzugsweise mindestens zwei benachbarte, z.B. ringförmige oder rechteckige, Fügerahmenbereiche (kurz: Rahmenbereiche) jeweils zum teilweisen oder vollständigen Einschließen oder zum hermetischen Verkapseln von mindestens einem passiven oder aktiven Bauelement auf. Ferner ist dabei ein Freistellungs- oder Entnetzungssegment, vorzugsweise ein gasgefülltes Freistellungssegment, zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmenbereichen angeordnet, wobei der zugehörige freigestellte bzw. entnetzte Multilayerbereich als ein Brücken-/Kopplungselement zur Reaktionsübertragung zwischen den benachbarten Rahmenbereichen ausgebildet ist und bei der Reaktionsausbreitung reißen kann (vgl. z.B. 3, 4). Ein solcher Aufbau ist, wie oben beschrieben, für eine besonders einfache in der Herstellung, effektive und energiesparsame Fügung zweier Substrate zur Verkappung von zwei oder mehr passiven oder aktiven Bauelementen innerhalb von zwei oder mehr verschiedenen, benachbarten Rahmenbereichen geeignet. Dieser Aufbau ist ferner vorteilhaft für eine nachträgliche Substratvereinzelung, die zwischen solchen Rahmenbereichen entlang der oben erwähnten Trennflächen/Sägestraßen zum Trennen der benachbarten und jeweils verkappten passiver oder aktiver Bauelemente voneinander erfolgen kann, weil die Säge nicht durch dicke feste (Metall-)Schichten sägen muss (auch hier sind vorzugsweise keine Lotschichten in den entsprechenden Segmenten des Fügeschichtsystems vorgesehen). Die weiter oben erwähnte erste Oberfläche des ersten Substrats kann bei solchen Ausführungsformen stets auch Unebenheiten/Profil/Topografie aufweisen, die zu der lateralen Strukturierung des Fügeschichtsystems zumindest teilweise passen, z.B. Erhebungen der Substratoberfläche an den Fügestellen und Vertiefungen zur Aufnahme eines oder mehrerer zu verkappender passiver oder aktiver Bauelemente dazwischen (vgl. 4).
Alternativ oder zusätzlich zu dieser Ausführungsform kann das Fügeschichtsystem mindestens zwei benachbarte, z.B. kreis- oder quaderförmige, Flächenfügungsbereiche jeweils zum flächigen verbinden eines Chips auf dem ersten Substrat mit einem weiteren (z.B. dritten im obigen Sinne etc.) Substrat, die durch Brücken-/Kopplungselemente der beschriebenen Arten untereinander verbunden sind.
Ferner kann die Isolierschicht in allen Fällen des erfindungsgemäßen ersten Substrats vorzugsweise teilweise oder ganz durch mindestens ein unmittelbar an dem ersten Substrat anliegendes mit einem elektrisch leitenden Material gefülltes/versehenes Kontaktsegment unterbrochen sein, das einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Substrat und dem reaktiven Multilayer herstellt. Vorzugsweise ist ein solches Kontaktsegment Teil des reaktiven Multilayers und der reaktive Multilayer verläuft am und im Kontaktsegment ununterbrochen, wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem ersten Substrat und dem reaktiven Multilayer auf einem einfachen Weg entsteht (vgl. 6).
Wie oben bereits erwähnt, kann in allen Fällen nach der Erfindung vorzugsweise ein Zündelement in Form eines Widerstandsheizers zur elektrischen Initiierung der exothermen Reaktion im reaktiven Multilayer vorgesehen sein. Der Widerstandsheizer stellt ferner vorzugsweise einen Widerstandsbereich eines in diesem Fall ebenfalls elektrisch leitenden reaktiven Multilayers dar, wobei der Widerstandsbereich sich durch einen lokal erhöhten elektrischen Widerstand im Vergleich zum übrigen reaktiven Multilayer auszeichnet (vgl. 6). Darüber hinaus ist der höhere elektrische Widerstand des Widerstandsbereichs vorzugsweise durch eine lokal reduzierte Dicke des reaktiven Multilayers erreicht, d.h. es handelt sich um ein Dünnschichtelement. Der Widerstandsbereich trägt ferner bevorzugt keine zusätzlichen Lotdeck- oder Lotzwischenschichten. Durch eine lokale Überhitzung und ggf. aufgrund von reduzierter Dicke im Widerstandsbereich reißt dieser im Übrigen bei der Reaktionsausbreitung eher und auch zuverlässiger, als der übrige reaktive Multilayer, und kann daher zugleich als oben erwähnte Soll-Reißstelle dienen.
Um den Leistungsbedarf/Energieverbrauch für die elektrische Zündung/Initiierung/ Reaktionsentfachung zu verringern, ist eine lokale thermische Entkopplung des Widerstandsheizers vom ersten Substrat mittels der Isolierschicht oder sogar eine Freistellung des Widerstandsheizers vom ersten Substrat, etwa durch ein gasgefülltes Freistellungssegment (durch eine lokale Unterätzung erhalten oder eine andere Art des oben beschriebenen Freistellungssegments) in der Isolierschicht von Vorteil (vgl. 6). Hierdurch lässt sich die thermische Anbindung an das Substrat im Vergleich zu der festen Isolierschicht lokal noch weiter reduzieren bzw. ganz unterdrücken. Die erforderliche Zündleistung hängt von der Geometrie des Widerstandsheizers bzw. des Widerstandsbereichs im reaktiven Multilayer (vorzugsweise einschnürend für die Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer ausgebildet) sowie, im Falle eines Widerstandsbereiches oder eines Dünnschichtelements, von dessen Schichtaufbau ab.
Bei vollständig an der exothermen Reaktion teilnehmenden Nanoschichten kann ein je nach Dicke und Material der Nanoschichten unterschiedlicher und unter Umständen beträchtlicher Schrumpf von bis zu 20 Volumen-% aufgrund der Reaktion beobachtet werden. Um damit verbundenen und im Gegensatz zu den obigen Soll-Reißstellen unerwünschten Verwerfungen oder Rissen im reaktiven Multilayer entgegenzuwirken, kann z.B. ausreichend Lotmaterial im Fügeschichtsystem vorgesehen werden, welches während und nach der Reaktion im reaktiven Multilayer entstehende unerwünschte Leerstellen oder Risse in bestimmten Bereichen füllen kann.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen ersten Substrats kann im reaktiven Multilayer zwischen zwei von den mindestens zwei Nanoschichten vorzugsweise und z.B. als Gegenmaßnahme für den geschilderten Schrumpf eine im Vergleich zu den angrenzenden Nanoschichten etwas dickere Zwischenlage mit einer Dicke von z.B. 100 nm oder dicker, vorzugsweise 200 nm oder dicker, zumindest in einem lokalen Bereich/Segment des reaktiven Multilayers, vorgesehen sein. Eine solche Zwischenlage kann an der sich selbsterhaltenden Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer nicht oder nur unvollständig, z.B. lediglich bis zu einer gewissen Eindringtiefe ab ihrer an eine Nanoschicht angrenzenden Oberfläche, teilnehmen, weil einer oder beide Reaktionspartner (die ein- oder beidseitig angrenzenden Nanoschichten) in einer unzureichenden Menge vorhanden sind. Da eine solche Zwischenlage in ihrer Tiefe nicht an der Reaktion teilnimmt, schrumpft ihre Fläche nicht, wodurch einem Riss oder einer Verwerfung des reaktiven Multilayers in dem entsprechenden Bereich effektiv vorgebeugt ist.
Die dickere Zwischenlage kann z.B. eine Metallzwischenlage oder eine Titan- oder Siliziumoxidschicht, d.h. insbesondere aus TiO₂ bzw. SiO₂, darstellen. Bei einer Zwischenlage aus Metall besteht eine gute thermische (und elektrische) Verbindung zwischen den durch die Zwischenlage lokal getrennten Nanoschichten. Da eine solche Verbindung jedoch nicht zwingend erforderlich ist, kommen auch nichtmetallische Zwischenlagen in Frage. Optional können die Letzteren jedoch auch als wärmeleitfähig ausgebildet bzw. strukturiert sein, etwa durch metallische Hälse/Brücken/Einsätze durch die Dicke der Zwischenlage hindurch.
In allen Fällen nach der Erfindung weist das Fügeschichtsystem vorzugsweise mindestens einen Oberflächenbereich auf, der im thermischen Kontakt mit dem reaktiven Multilayer steht und durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer entstehende Wärme in einen gasabsorptionsfähigen (auch getterfähig genannten) Zustand überführbar (d.h. aktivierbar) ist. Die hierzu erforderliche Getter-Aktivierungstemperatur kann je nach gewähltem Material des Oberflächenbereichs T>500°C, vorzugsweise >650°C, bevorzugt >800°C, besonders bevorzugt >900°C, betragen. Ein solcher zur Getterfähigkeit aktivierbarer Oberflächenbereich kann beispielsweise auf einer vom ersten Substrat abgewandten Seite des Fügeschichtsystems angeordnet sein. Vorzugsweise ist er zumindest teilweise an einer künftigen Innenseite einer künftigen Kavität angeordnet, die beim Verbinden des ersten Substrats mit einem zweiten Substrat entstehen und ein passives oder aktives Bauelement aufnehmen soll.
Ein solcher Oberflächenbereich kann z.B. Teil des reaktiven Multilayers sein, welcher z.B. aufgrund der Materialauswahl, etwa TiSi, ggf. mit geeigneter Strukturierung gegenüber dem Fügeschichtsystem, durch thermische Aktivierung getterfähig werden kann. Es kann sich bei dem aktivierbaren Oberflächenbereich auch um einen auf dem reaktiven Multilayer, ggf. mit thermisch leitfähigen Zwischenschichten zur besseren Haftung oder Benetzung, aufgebrachten im obigen Sinne thermisch aktivierbaren Getter-Film, z.B. aus Zr, Ti oder einer geeigneten Legierung, handeln.
Mit dem reaktiven Multilayer können dadurch gleichzeitig Getterflächen erzeugt werden, wobei dort eine optionale zusätzliche Lotbedeckung weggelassen wird. Die Getteraktivierung kann dabei während des Fügeprozesses oder auch nachträglich durch lokale Zündung mit einem Laser oder elektrisch durchgeführt werden. Einzelheiten zur Zündung, die weiter unten im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden, können daher auch auf die Getteraktivierung Anwendung finden.
Insbesondere kann der weiter oben erwähnte um einen Faktor fünf gesteigerte Waferdurchsatz im Vergleich zum eutektischen-AuSn-Waferbonden mit einem erfindungsgemäßen Substrat/System/Verfahren bei einer gleichzeitigen Getteraktivierung sogar eine weitere Steigerung, insgesamt um einen Faktor acht im Vergleich zum eutektischen AuSi, aufweisen. Die Erzeugung von Getterflächen mit thermischer Getteraktivierung während der Verbindungsherstellung hat insbesondere für die Mikrosystemtechnik große Vorteile. Hierdurch können hohe Kosten für extern aufgebrachte Getterschichten von einigen Hundert Euro pro Wafer eingespart werden. Insbesondere die durch hohe Temperaturen im reaktiven Multilayer erfolgende Getteraktivierung bei erfindungsgemäß im Vergleich dazu äußerst niedriger Temperaturbelastung des passiven oder aktiven Bauteils ermöglicht die Vakuumgehäusung temperaturempfindlicher Bauteile, was bisher auf einem derart einfachen Wege nicht möglich war. Die Anwendungen können durchaus vielfältig sein.
Um eine vorzeitige Alterung durch Diffusion im reaktiven Multilayerschichtstapel noch vor der gezielten Initiierung/Zündung (z.B. während der Lagerungszeiten) zu vermeiden, kann zwischen reaktiven Nanoschichten (z.B. zwischen den Einzelschichten A und B in 4) eine Diffusionsbarriere vorgesehen sein. Die Diffusionsbarriere ist typischerweise als eine im Vergleich zu den angrenzenden Nanoschichten sehr dünne Schicht ausgeführt, um die gewünschte Diffusion zwischen den reaktiven Nanoschichten nach der Initiierung der exothermen Reaktion nicht zu behindern. Vorzugsweise sind mehrere solche Schichten im reaktiven Multilayer vorgesehen, d.h. zwischen mehreren, bevorzugt zwischen sämtlichen Nanoschichten. Als Material für die Diffusionsbarrieren können unter anderem natürliche Metalloxide, - Carbide, -Nitride, Kohlenstoff (z.B. Grafit), natürliche Oxide anderer Hauptgruppenelemente, wie z.B. SiO₂ oder Si₃N₄ etc., oder auch künstliche Verbindungen verwendet werden. Diffusionsbarrieren aus natürlichen Oxiden können beispielsweise durch eine gezielte Oberflächenoxidierung einer gerade abgeschiedenen Nanoschicht entstehen, bevor die nächste Nanoschicht aufgebracht wird. Die Wirkung einer Diffusionsbarriere ist, dass keine vorzeitige Diffusion vor der Initiierung der exothermen Reaktion zwischen den dadurch getrennten Nanoschichten im reaktiven Multilayer stattfindet. Eine Diffusionsbarriere kann auch unterhalb bzw. oberhalb einer äußeren Nanoschicht des reaktiven Multilayers angeordnet sein, um die unerwünschte Diffusion an der Grenzfläche mit den anderen Schichten des Fügeschichtsystems oder mit dem Substrat zu verringern/verhindern.
Wie bereits erwähnt, ist in allen Fällen der Erfindung in dem auf das erste Substrat aufgebrachten Fügeschichtsystem vorzugsweise eine oder mehrere Lot- oder Verbindungsschichten vorgesehen, z.B. zwischen dem ersten Substrat und dem reaktiven Multilayer und/oder an einer von dem ersten Substrat abgewandten Seite des reaktiven Multilayers.
Ein beispielhafter typischer Aufbau eines auf einem erfindungsgemäßen ersten Substrat aufgebrachten (ggf. lateral strukturierten) Fügeschichtsystems umfasst (z.B. lokal) eine thermische Entkopplungsschicht (d.h. die Isolierschicht) auf dem ersten Substrat, eine optionale Haftvermittlerschicht, eine optionale Diffusionsbarriere und eine optionale Deckschicht (etwa eine Lot- oder Verbindungsschicht), auf die der reaktive Multilayer aufgebracht ist. Der reaktive Multilayer aus einer Vielzahl reaktiver Nanoschichten mit optionalen einer oder mehreren Diffusionsbarrieren zwischen den Nanoschichten schließt optional mit einer für ein Lot benetzbaren Deckschicht und dem Lotwerkstoff ab.
Die vorstehend und nachfolgend beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere solche, die Eigenschaften, geometrische Ausgestaltungen und laterale Strukturierungen von Substraten und darauf aufgebrachten Schichten betreffen, können sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten, dritten oder einem weiteren Substrat, mit welchem das erste Substrat zu verbinden ist, vorliegen. Die jeweils zu verbindenden Substrate oder deren Oberflächen mit Beschichtungen können in einem einfachen Fall ähnlich oder sogar identisch ausgeführt sein und an den einander entsprechenden Fügestellen miteinander verbunden werden. In einem anderen einfachen Fall kann das zweite bzw. dritte Substrat auch ohne ein eigenes Fügeschichtsystem ausgeführt sein, d.h. alle zur Verbindung der beiden Substrate erforderlichen Elemente sind im Fügeschichtsystem des ersten Substrates vorgesehen. Typischerweise werden die miteinander zu verbindenden Oberflächen der beiden Substrate jedoch unterschiedlich strukturiert und mit unterschiedlichen, jedoch zueinander zum Zwecke der Verbindung passenden, Fügeschichtsystemen beschichtet sein.
Die vorstehend und nachfolgend in Bezug auf das erste Substrat genannten Merkmale und Merkmalskombinationen können des Weiteren auch, wenn geeignet, bei einem eingangs erwähnten fertigen System nach der Erfindung, einem daraus durch Substratvereinzelung erhaltenen Teilsystem oder einem einzelnen verkappten Chip vorliegen oder auch für das ebenfalls eingangs erwähnte erfindungsgemäße Substratverbindungsverfahren relevant sein, ohne das es explizit erwähnt wird; oder auch umgekehrt. D.h. insbesondere, dass die beschriebenen Merkmale auch in anderen als explizit angegebenen Kombinationen und in den jeweils anderen Kategorien für die Erfindung relevant sein können, ohne dass darauf jedes Mal explizit eingegangen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System gemäß Anspruch 13, das durch das Verbinden eines erfindungsgemäßen ersten Substrats mit einem zweiten und/oder einem dritten, jeweils dem ersten Substrat gegenüberliegenden (und in der Regel bezüglich einer Substratebene des ersten Substrats im Wesentlichen parallel ausgerichteten) Substrat erhalten wurde, wobei

- das Verbinden des ersten Substrats mit dem ersten und/oder mit dem dritten Substrat jeweils mittels des Fügeschichtsystems erfolgt ist, wobei die miteinander zu verbindenden Substrate aneinander angedrückt wurden, eine exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer initiiert wurde, welche sich darin sich selbsterhaltend ausgebreitet hat, und dabei
- das mindestens eine passive oder aktive Bauelement mittels des Fügeschichtsystems zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat teilweise oder vollständig eingeschlossen oder hermetisch verkapselt wurde und/oder aneinander angedrückte Oberflächen des ersten und des dritten Substrats flächig unter Ausbildung einer Flächenfügung miteinander verbunden wurden.

Wie oben bereits erwähnt, kann das passive oder aktive Bauelement im erfindungsgemäßen System sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Substrat angeordnet sein.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen Systems, in denen es aus einem ersten Substrat mit mindestens einem wie weiter oben beschrieben durch die in dem reaktiven Multilayer entstehende Reaktionswärme in einen gasabsorptionsfähigen/getterfähigen Zustand überführbaren (kurz: thermisch aktivierbaren) Oberflächenbereich des Fügeschichtsystems erhalten wurde, weist das System zwischen den beiden Substraten vorzugsweise eine oder mehrere hermetisch dichte Kavitäten auf, welche mittels des Fügeschichtsystems beim Verbinden der beiden Substrate entstanden sind und in welchen jeweils mindestens ein passives oder aktives Bauelement hermetisch verschlossen (d.h. verkapselt) ist, wobei im Inneren von einer oder mehreren Kavitäten eine bzw. mehrere Gasabsorptionsflächen (Getter) angeordnet sind, welche einem oder einem Teil von einem thermisch aktivierbaren Oberflächenbereich entstammen und durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer entstandene Wärme in den getterfähigen Zustand überführt worden sind. Besonders bevorzugt liegt in jeder der im System vorhandenen Kavitäten mit darin verkapselten passiven oder aktiven Bauelementen mindestens ein auf diese Weise aktivierter Getter. Es können auch mehrere voneinander getrennte Gasabsorptionsflächen dieser Art in einer und derselben Kavität vorliegen, die beispielsweise für eine besonders gleichmäßige Gasabsorption innerhalb dieser Kavität sorgen.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen Systems, in denen es aus einem ersten Substrat mit zwei oder mehr durch Brücken-/Kopplungselemente verbundenen benachbarten Rahmenbereichen im Fügeschichtsystem zum Verkappen von passiven oder aktiven Bauelementen innerhalb des jeweiligen Rahmenbereichs erhalten wurde, weist das System vorzugsweise zwei oder mehr innerhalb solcher unterschiedlichen und benachbarten Rahmenbereiche zwischen den beiden Substraten verkappte passive oder aktive Bauelemente auf, zwischen denen das oder die Brücken-/Kopplungselemente des reaktiven Multilayers während oder nach der Reaktionsausbreitung unter Ausbildung einer (vorzugsweise von der Isolierschicht und von optionalen Lotschichten freien) Trennfläche/Sägestraße gerissen ist.
Vorzugsweise haben die Brücken-/Kopplungselemente des ersten Substrats (d.h. die entsprechenden Flächensegmente des ersten Substrats) in diesem Fall kein Gegenstück im zweiten Substrat, sodass zum Zwecke einer Substratvereinzelung des Systems zwischen den benachbarten Rahmenbereichen nur durch das erste, nicht jedoch durch das zweite Substrat gesägt werden muss.
Die Erfindung richtet sich gemäß Anspruch 16 ferner auch auf ein (oder mehrere) zwischen zwei Substraten verkapptes passives oder aktives Bauelement oder einen alternativ oder zusätzlich rückseitig an ein drittes Substrat per Flächenfügung angebundenen Chip als Teil-System, das aus einem erfindungsgemäßen System mit mehreren verkappten passiven oder aktiven Bauelementen und/oder mit mehreren rückseitig flächig mit einem weiteren Substrat verbundenen Chips durch Substratvereinzelung erhalten wurde. Die Bauelemente können in einem solchen Teil-System einzeln oder zu mehreren verkappt, z.B. in einer und derselben Kavität verkapselt, sein. An den aus den Trennflächen/Sägestraßen durch das Trennen/Zersägen entstandenen Stirnseiten des Teil-Systems können charakteristische Trenn-/Sägespuren/Sägeflächen vorhanden sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Substratverbindungsverfahren gemäß Anspruch 17 zum Verkappen von passiven oder aktiven Bauelementen zwischen einem ersten Substrat nach der Erfindung und einem damit zu verbindenden zweiten Substrat und/oder zum Herstellen einer flächigen Verbindung zwischen einem erfindungsgemäßen ersten Substrat und einem dritten Substrat, bei welchem Verfahren

- das zweite und/oder dritte Substrat dem ersten Substrat gegenüberliegend ausgerichtet wird, derart, dass sich das mindestens eine passive oder aktive Bauelement zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat befindet und/oder derart, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen des ersten und des dritten Substrates einander gegenüber liegen,
- das erste Substrat mit dem zweiten und/oder dritten Substrat an allen Fügestellen des Fügeschichtsystems mechanisch in Kontakt gebracht wird,
- eine exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer lokal initiiert wird und sich darin sich selbsterhaltend ausbreitet,
- durch die dabei entstehende Reaktionswärme
1. (a) ein zwischen den beiden jeweils zu verbindenden Substraten an den Fügestellen angeordnetes Lot- oder Verbindungsmaterial schmilzt und beim Erstarren die beiden Substrate unter einem auf die beiden Substrate von außen einwirkenden Druck verbindet oder
2. (b) eine Festphasendiffusion zwischen an den jeweils gegenüberliegenden zu verbindenden Substraten an den Fügestellen angeordneten Materialien verläuft und die dabei entstehende Legierung die beiden Substrate unter einem auf die beiden Substrate von außen einwirkenden Druck verbindet,
derart, dass das mindestens eine passive oder aktive Bauelement mittels des Fügeschichtsystems zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat verkappt wird und/oder die miteinander zu verbindenden Oberflächen des ersten und des dritten Substrates mittels des Fügeschichtsystems flächig miteinander verbunden sind.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren, in dem das Fügeschichtsystem des erfindungsgemäßen ersten Substrats ein Freistellungs- oder Entnetzungssegment und einen zugehörigen freigestellten bzw. entnetzten Multilayerbereich aufweist, sind diese vorzugsweise derart ausgebildet, dass der freigestellte bzw. entnetzte Multilayerbereich bei der Reaktionsausbreitung unter Entstehung einer von dem übrigen Multilayer elektrisch getrennten Multilayer-Insel reißt und durch diese Multilayer-Insel gleichzeitig mit der Substratverbindung mittels des Fügeschichtsystems eine elektrische Kontaktierung (ein elektrischer Kontakt) zwischen den beiden Substraten aus der Substratebene heraus entsteht (z.B. ein vertikaler Via, d.h. ein durch die Dicke des jeweiligen Substrats hindurch geführter elektrischer Kontakt).
Die Wirkung liegt hier z.B. in der Herstellung eines elektrischen Kontakts, der elektrisch unabhängig vom Versiegelungsrahmen ist, d.h. z.B. entweder innerhalb oder außerhalb eines oben erwähnten Rahmenbereichs liegt und nicht durch diesen hindurch verläuft. Es können z.B. je eine elektrisch leitende (z.B. metallische) Kontaktstelle auf den beiden gegenüberliegenden Substraten vorgesehen sein, die beim Verbinden der beiden Substrate aneinander anliegen, mit der künftigen Multilayer-Insel dazwischen, die in diesem Fall in erster Linie einer elektrischen Verbindung der Kontaktstellen dient (vgl. z.B. 8). Eine der Kontaktstellen kann beispielsweise an einem elektrisch isolierenden Deckelwafer angeordnet sein und eine elektrische Verbindung zu einem damit verbundenen passiven oder aktiven Bauelement aufweisen, während die gegenüberliegende Kontaktstelle beispielsweise an einem Siliziumsubstrat angeordnet ist und mit einer darin oder darauf befindlichen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich beim Verbinden der beiden Substrate zu einem erfindungsgemäßen System z.B. ein vom Versiegelungsrahmen elektrisch unabhängiger Anschluss des zwischen den beiden Substraten eingeschlossenen passiven oder aktiven Bauelements an den ASIC des jeweils anderen Substrats herstellen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren, in dem das Fügeschichtsystem des erfindungsgemäßen ersten Substrats ein Freistellungs- oder Entnetzungssegment und einen zugehörigen freigestellten bzw. entnetzten Multilayerbereich aufweist, wird die exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer vorzugsweise durch einen Laserstrahl initiiert, der einen freigestellten bzw. entnetzten Multilayerbereich (welcher vorzugsweise im Vergleich zu der Dicke des restlichen reaktiven Multilayers dünner ausgebildet ist) durch das erste Substrat, und zwar durch das zugehörige Freistellungs-/Entnetzungssegment in seinem Fügeschichtsystem hindurchtretend erreicht, ohne dass eine metallische Lot- oder Verbindungsschicht im Weg des Laserstrahls ist. Alternativ kann der Laserstrahl auch auf die andere Seite des Multilayers, d.h. durch das zweite bzw. dritte Substrat hindurch, gerichtet sein, wiederum ohne dass metallische Lot- oder Verbindungsschichten vom Laserstrahl gekreuzt werden.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in denen das Fügeschichtsystem des erfindungsgemäßen ersten Substrats ein oben beschriebenes elektrisch leitendes Kontaktsegment aufweist, wird die exotherme Reaktion vorzugsweise in einem elektrisch leitfähigen reaktiven Multilayer, und zwar durch einen Stromfluss initiiert, der dem reaktiven Multilayer

(a) seitens des ersten Substrats (z.B. seitens dessen Rückseite) über zwei voneinander getrennte und jeweils mit einer Elektrode nach außen (z.B. mit der Rückseite) verbundene Kontaktsegmente zugeführt wird (vgl. z.B. 7), oder
(b) seitens der beiden zu verbindenden Substrate (z.B. seitens deren Rückseiten) zugeführt wird, die jeweils eine Elektrode darstellen (d.h. elektrisch leitfähig sind) oder mit einer Elektrode (die z.B. zu der jeweiligen Substratrückseite hin führt) versehen sind, wobei die beiden Elektroden beim Andrücken der beiden Substrate aneinander durch das Kontaktsegment und den reaktiven Multilayer hindurch miteinander elektrisch verbunden werden und wobei die elektrische Verbindung des reaktiven Multilayers zum ersten Substrat über das Kontaktsegment verläuft (vgl. z.B. 2 und 6), oder
(c) einseitig durch zwei Elektroden seitens des ersten Substrats durch eine direkte elektrische Kontaktierung eines Zündbereichs des reaktiven Multilayers zugeführt wird.

Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform in allen deren Varianten (a) bis (c) zusätzlich ein ebenfalls oben beschriebener Widerstandsheizer/Widerstandsbereich im Fügeschichtsystem des ersten Substrats vorgesehen und die elektrische Initiierung/Zündung der exothermen Reaktion erfolgt in diesem Widerstandsheizer.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in denen das Fügeschichtsystem des erfindungsgemäßen ersten Substrats einen oder mehrere weiter oben beschriebene thermisch zur Gasabsorption aktivierbare Oberflächenbereiche aufweist, entstehen zwischen den beiden Substraten bei deren Verbindung vorzugsweise eine oder mehrere hermetisch dichte Kavitäten mit darin verkapselten einem oder mehreren passiven oder aktiven Bauelementen und der eine oder mehrere genannte Oberflächenbereiche des Fügeschichtsystems werden durch die bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer entstehende Wärme in mindestens eine Gasabsorptionsfläche (Getter) überführt, die zumindest teilweise im Inneren einer der entstandenen Kavitäten angeordnet ist. Vorzugsweise ist der jeweilige Oberflächenbereich vollständig innerhalb einer zu entstehenden bzw. entstandenen Kavität angeordnet. Ferner entsteht vorzugsweise in jeder der hermetisch dichten Kavitäten jeweils mindestens ein solcher Getter.
In allen Fällen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in denen das Fügeschichtsystem des erfindungsgemäßen ersten Substrats einen oder mehrere benachbarte (Füge-)Rahmenbereiche jeweils zum Verkappen von einem oder mehreren passiven oder aktiven Bauelementen und ein oder mehrere Brücken-/Kopplungselemente zwischen den benachbarten Rahmebereichen aufweist, erfolgt die Reaktionsausbreitung zwischen zwei oder mehreren benachbarten Rahmenbereichen vorzugsweise in einem oder mehreren Brücken-/Kopplungselementen, wobei diese aufgrund dieser Reaktionsübertragung reißen. Der Vorteil derartiger Soll-Reißstellen besteht allein schon darin, dass das durch die exotherme Reaktion typischerweise schrumpfende Material des reaktiven Multilayer aus den lediglich zur Reaktions-Brückenübertragung, nicht jedoch für den eigentlichen Fügerahmen dienenden Bereichen des Fügeschichtsystems beim Reißen wegzieht und durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials in die als eigentlicher Fügerahmen zur Substratverbindung genutzten Bereiche weicht. Darüber hinaus entsteht dadurch eine (bevorzugt auch von weiteren festen Schichten, insbesondere von etwaigen metallischen Schichten aber auch von der Isolierschicht) freie Trennfläche/Sägestraße zwischen den benachbarten Rahmenbereichen, die später zur Substratvereinzelung genutzt werden kann. Das gleiche kann analog oder zusätzlich auf den oben erwähnten Fall mit benachbarten Flächenfügungsbereichen zur rückseitigen Chipanbindung an ein oder mehrere weitere Substrate angewendet werden.
Und zwar wird vorzugsweise anschließend eine Substratvereinzelung durchgeführt, wobei mittels der zwei oder mehr benachbarten Rahmenbereiche verkappte (benachbarte) passive oder aktive Bauelemente entlang der Trennfläche voneinander vollständig getrennt werden, was in der Regel durch das Zersägen geschieht. Dadurch entstehen die erfindungsgemäßen einzeln oder in Gruppen verkappten passiven oder aktiven Bauelemente als Teil-Systeme des erfindungsgemäßen Systems (wie z.B. einzelne verkappte Chips). Wie bereits erwähnt, fehlen dabei vorzugsweise im durch die Substratverbindung entstandenen erfindungsgemäßen System in den Flächensegmenten der Brücken-/Kopplungselemente etwaige Gegenstücke aus festem Material im zweiten Substrat, was die Substratvereinzelung zusätzlich vereinfacht.
Die vorstehend und nachfolgend geschilderten konkreten Beispiele einzelner Aufbauten und Ausführungsformen eines beschichteten ersten Substrats, eines Systems, Teil-Systems oder eines Verfahrens nach der Erfindung sollen nicht als abschließend verstanden werden. Das erfindungsgemäße erste Substrat, System und Verfahren lassen vielmehr auch andere als explizit geschilderte Kombinationen einzelner Merkmale bzw. Schritte und deren anwendungsspezifische Variationen zu, die für den Fachmann ohne Weiteres ersichtlich sind.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Diese sollen keine beschränkende Wirkung für den Erfindungsgegenstand haben, sondern als konkrete Beispiele dafür dienen. Insbesondere sind die Figuren schematische Darstellungen, die nicht maßstabsgetreu zu lesen sind.
Es zeigen:

1a einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems, das zwei mittels eines Fügeschichtsystems verbundene Si-Substrate und MEMS dazwischen aufweist;
1b eine vergrößerte schematische Darstellung einer Fügestelle aus 1a während der erfindungsgemäßen Substratverbindung;
2 Beispiel für eine elektrische Erhitzung eines Dünnschichtelements/Widerstandsheizers im reaktiven Multilayer zur Zündung durch die Rückseiten beider Substrate;
3 Beispiel für Brückenkoppler (Brücken-/Kopplungselemente) zwischen benachbarten Rahmenbereichen im Fügeschichtsystem, die die Reaktionsfront weitergeben und dabei/anschließend an den Kreuzungs-/Brückenpunkten reißen, d.h. lateral entnetzen;
4 Beispiel für erfindungsgemäßes Substrat/System/Verfahren, bei dem während der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer eine künftige Sägestraße zur Substratvereinzelung freigelegt wird;
5 Beispiel für erfindungsgemäßes Substrat/System/Verfahren, bei dem die exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer mittels eines Laserstrahls gezündet wird;
6 Beispiel für erfindungsgemäßes Substrat/System/Verfahren, bei dem die exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer durch einen auf beide Substrate (d.h. zwischen den beiden Substraten) aufgeprägten Stromfluss initiiert/gezündet wird;
7 Beispiel für erfindungsgemäßes Substrat/System/Verfahren, bei dem die exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer durch einen nur seitens eines der beiden Substrate aufgeprägten Stromfluss initiiert/gezündet wird;
8 Beispiel für erfindungsgemäßes Substrat/System/Verfahren, bei dem gleichzeitig mit der Entstehung eines Fügerahmens zur Verbindung beider Substrate mittels des reaktiven Multilayers ein vom Fügerahmen unabhängiger elektrischer Kontakt zwischen den beiden Substraten innerhalb des Fügerahmens entsteht;
9 Beispiel für einen ungefähr kreisrunden zusammenhängenden Multilayer-Bereich aus mehreren über Brücken-/Kopplungselemente untereinander verbundenen einzelnen rechteckigen Multilayer-Teilflächen mit einem Zündelement in seiner Mitte (9a), an seinem Rand (9b) und einem, das vom Rand zu betätigen ist und in der Mitte wirkt (9c).
10 Beispiel für eine Getteraktivierung durch die Reaktionswärme im reaktiven Multilayer beim Verbinden zweier Substrat zur Bauelement-Verkapselung.
11 Beispiels für eine Getteraktivierung durch die Reaktionswärme im reaktiven Multilayer beim Verbinden zweier Substrat zur Bauelement-Verkapselung, wobei eine Reaktionszündung und zugleich zusätzliche Erwärmung im zur Getteraktivierung genutzten Bereich des reaktiven Multilayers mittels eines Laserstrahls erfolgt.

Vom Prinzip her ähnliche oder einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit jeweils gleichen Bezugszeichen versehen. In 3 bis 9 ist ein optionaler, zur Gasabsorption aktivierbarer Oberflächenbereich des erfindungsgemäßen Fügeschichtsystems nicht immer explizit gezeigt und kann in allen Fällen z.B. jeweils an einer dem zwischen zwei Substraten verkapselten bzw. zu verkapselnden Bauelement zugewandten Oberfläche des Fügeschichtsystems, insbesondere an einer Oberfläche des reaktiven Multilayers oder einer mit diesem thermisch verbundenen zusätzlichen Metallschicht, angeordnet sein. Ferner kann in allen gezeigten Beispielen, in denen die Rede von einer hermetischen Verkapselung von Bauelementen ist, auch lediglich eine Verkappung dieser Bauelemente erfolgen/vorliegen.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit zwei Silizium-Substraten, und zwar einem ersten Substrat 1 „Kappe/Cap“ (oben) und einem damit mittels eines Fügeschichtsystems 3 (hier durch eine AuSi-Bondline angedeutet) verbundenen zweiten Substrat 2 „Sensor“ (unten), welches eine MEMS-Vorrichtung 4 (zu verkapselndes Bauelement) auf sich trägt.
Das Kappen-Substrat 1 besitzt im dargestellten senkrechten Schnitt durch das System links und rechts stegförmige Erhebungen 5, die zum Fügerahmen gehören und auf denen jeweils ein Fügeschichtsystem 3 mit einem reaktiven Multilayer 7, einer Isolierschicht etc. zum Verbinden mit dem Sensor-Substrat 2 zu sehen sind. Das rechte Fügeschichtsystem 3 ist in 1b in vergrößerter Darstellung schematisch genauer gezeigt.
Zwischen den stegförmigen Erhebungen 5 befindet sich auf der im Bild unteren Oberfläche des Kappen-Substrats 1 ein flächiger Getter/Gasabsorber 6 (Getter-Film), welcher ebenfalls zum Fügeschichtsystem 3 gehört, z.B. aus einem zur Gasabsorption aktivierten Oberflächenbereich durch thermische Aktivierung entstanden ist und eine thermische Verbindung zum reaktiven Multilayer 7 mittels einer metallischen Zwischenschicht 8 aus Au und Ti hat, welche in 1b zu sehen ist.
Das Sensor-Substrat 2 trägt einen mikrostrukturierten Sensor 4 (MEMS-Sensor), welcher mittels des Kappen-Substrats 1 von störenden äußeren Einflüssen geschützt wird. Auf einer dem Kappen-Substrat 1 zugewandten oberen Oberfläche 9 des Sensor-Substrats 2 sind diverse zum Sensor 4 gehörige Mikrostrukturen zu erkennen. Direkt unter den linken und rechten Fügeschichtsystemen 3 des Kappen-Sensors liegen entsprechende FügerahmenBereiche 10 des Sensorsubstrats 2. In bzw. unter diesen sind etwa einer elektrischen Verbindung des Sensors 4 nach außen dienende Strukturen (vergrabene Verbindungsschicht 11 „Buried Interconnection Layer“, Schutzschicht 12 „Protection Layer“, Isolationsschicht 13 „Isolation Layer“, Opferschicht 14 „Sacrificial Layer“) zu sehen.
Die zwischen den beiden Substraten 1, 2 mittels der Fügeschichtsysteme 3 des Kappen-Substrats 1 eingeschlossene/verkapselte MEMS-Vorrichtung 4 weist eine im Schnitt etwa T-förmige MEMS-aktive Schicht „MEMS Active Layer“ auf, die mit ihrem T-Bein 15 mechanisch und elektrisch mit dem unteren Substrat 2 verbunden ist und stegförmige Elektroden/Erhebungen 16 „Dimples“ auf deren dem unteren Substrat 2 zugewandten unteren freien Oberfläche besitzt. Auf der im Bild darunter liegenden Oberfläche des Sensor-Substrats 2 sind zugehörige Gegenelektroden 17 „Counter Electrodes“ angeordnet.
Außerhalb des Kappen-Substrats 1 sind auf dem unteren Substrat 2 weitere Strukturen, unter anderem Aluminiumklötze 18 „Aluminum Pads“ etwa zur Verbindung mit weiteren (Kappen-) Substraten gezeigt.
In 1b ist die rechte Fügestelle 3, 10 zwischen den beiden Substraten 1, 2 aus 1a im Prozess deren Verbindung schematisch gezeigt. Die auf die beiden Substrate dabei von außen gerichteten Pfeile deuten den im erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren von außen rückseitig angelegten Anpress-Druck an. Dieser sorgt in allen Fällen des Verfahrens nach der Erfindung für eine bessere Fügung während der exothermen Reaktion im Fügeschichsystem 3, z.B. um den Volumenschrumpf im reaktiven Multilayer 7 auszugleichen.
Das Fügeschichtsystem 3 des ersten, oberen Si-Substrats 1, weist auf einer ersten, dem unteren zweiten Substrat 2 zugewandten Oberfläche dieses Substrats eine thermisch entkoppelnde Isolierschicht 19 auf, auf die eine Au- und Ti-Beschichtung 8 folgt, die außerhalb der Fügestelle direkt am Substrat 1 anliegt.
Nach der Isolierschicht 19 und der Au- und Ti-Zwischenschicht 8 folgt (nach unten gesehen) ein reaktiver Multilayer 7 aus einer Vielzahl alternierender reaktiver Nanoschichten, etwa Au/Si oder aber einer anderen der eingangs genannten Nanoschicht-Kombinationen. Der reaktive Multilayer ist nach unten mit einer Cu-Zwischenschicht 20 zur besseren Haftung und Formerhaltung bedeckt. Das Fügeschichtsystem 3 schließt mit einer dem unteren Substrat 1 zugewandten Lotschicht 21 ab.
Das untere Si-Substrat 2 weist an der entsprechenden Fügestelle 10 ein eigenes Fügeschichtsystem aus einer Isolierschicht 19 und einer darauf folgenden Au- und Ti-Beschichtung 8, die beim Andrücken der beiden Substrate 1, 2 aneinander direkt am Lotmaterial 21 des oberen Substrats 1 anliegt.
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zweier Substrate 1, 2 während deren erfindungsgemäßer Verbindung mittels eines Fügeschichtsystems 3, wobei in diesem Beispiel zur Zündung/Initiierung einer exothermen Reaktion im reaktiven Multilayer 7 eine Spannung V von außen an den beiden Substraten 1, 2 angelegt wird.
Das obere, erste Substrat 1 weist hierzu eine im Schnitt keilförmige Elektrode 22 auf, die die rückseitige Oberfläche 23 des oberen Substrats 1 mit dem an seiner dem unteren Substrat 2 zugewandten Oberfläche aufgebrachten Fügeschichtsystem 3 elektrisch verbindet. Das untere Substrat 2 ist selbst elektrisch leitfähig und dient als Gegenelektrode.
Das untere Substrat 2 trägt ein passives oder aktives Bauelement 4 (hier eine Mikrostruktur), die mittels des oberen Substrats 1 verkapselt wird. Hierzu weist das untere Substrat 2 im Bild links und rechts der Mikrostruktur 4 jeweils ein Fügeschichtsystem 3 auf, das hier als eine Schnitt-Darstellung eines rechteckigen oder rundlich oder sonst unregelmäßig ausgebildeten, geschlossenen Fügerahmens zu lesen ist. Schematisch dargestellt sind alternierende (schwarzweiß) Nanoschichten des reaktiven Multilayes 7 im Fügeschichtsystem 3. Das gleiche gilt für das obere Kappen-Substrat 1. Die zu den beiden Substraten gehörenden Fügeschichtsysteme 3 liegen in diesem Beispiel direkt übereinander, eine Lot- oder Verbindungsschicht 21 ist dazwischen angeordnet. Diese wird bei der Reaktionsausbreitung nach der erfolgten Zündung im reaktiven Multilayer 7 schmelzen und beim Erstarren einen gemeinsamen Fügerahmen entstehen lassen.
Die Zündung kann hier beispielsweise durch einen Stromfluss in einem Widerstandsbereich des reaktiven Multilayers 7 mit einem erhöhten elektrischen Widerstand (nicht gezeigt) erfolgen, wenn die Spannung V angelegt wird.
Ferner sind in dieser Figur ein Gasabsorber/Getter 6 an der Decke des Kappen-Substrats 1 dargestellt, welcher ähnlich wie in 1a/1b mit dem reaktiven Multilayer über eine zusätzliche Metallschicht thermisch verbunden sein kann. Weiter ist eine elektrische Verbindung 24 zwischen der verkapselten Mikrostruktur 4 und dem Außenbereich des unteren Substrats 2, welche unter dem Fügerahmen vergraben verläuft, dargestellt.
In 3 ist die Reaktionsausbreitung zwischen benachbarten Füge-Rahmenbereichen 25, 26 am Beispiel von zwölf zweidimensional angeordneten rechteckigen Flächenfügungsrahmen-Bereichen 25, 26 mit einer Reaktionsfront 27 (als eine gebogene Linie dargestellt) mitten im Prozess der Ausbreitung dargestellt.
Die benachbarten Rahmenbereiche 25, 26, die z.B. zu benachbarten und einzeln zu verkapselnden Chips auf einer Wafer-Oberfläche gehören können, sind im Fügeschichtsystem 3 mittels der Brücken-/Kopplungselemente 28 des reaktiven Multilayers 7 verbunden, damit die einmal an einer Stelle (hier links im Bild) im reaktiven Multilayer 7 gezündete Reaktion sich weiter ohne Abbruch über die ganze mit dem Fügeschichtsystem 3 beschichtete Oberfläche des Substrats ausbreiten kann, von einem Fügerahmen-Bereich zu den benachbarten.
Die Brücken-Elemente 28 sind hier jeweils zwischen den Ecken der benachbarten Rahmenbereiche angeordnet und als abgedünnte Multilayer-Bereiche gezeigt. Wegen der reduzierten Dicke und wegen einer thermischen Isolierung durch die unter dem jeweiligen Brücken-Element 28 liegende Isolierschicht (nicht gezeigt) oder durch ein diese unterbrechendes gasförmiges Freistellungssegment, reißen die Brücken-Elemente 28 während oder direkt nach der Reaktionsausbreitung darin auf, weil der reaktive Multilayer 7 insgesamt einem Volumenschrumpf unterliegt. Die Reaktionsfront 27 hinterlässt dabei hinter sich (d.h. links im Bild) offene Sägestrassen 29, die zu einer späteren Substratvereinzelung genutzt werden können.
In 4 ist ein Beispiel für das gezielte Aufreißen des reaktiven Multilayers 7 in einem vom Substrat 1 mittels eines gasgefüllten Freistellungssegments 31 freigestellten Multilayerbereich 30 bei oder direkt nach der Reaktionsausbreitung nochmals gezeigt. Hier ist ein Querschnitt zweier Substrate 1, 2 zu sehen, die Wafer darstellen. Das untere Substrat 2 trägt benachbarte MEMS-Vorrichtungen 4 (d.h. diese sind mit dem unteren Substrat 2 verbunden), die als gabelförmige Mikro-Resonatorstrukturen schematisch dargestellt sind. Ansonsten ist die obere Oberfläche 32 des unteren Substrats 2 eben.
Das obere, erste Substrat 1 nach der Erfindung ist hier ein Kappen-Wafer, mit dem die MEMS 4 einzeln hermetisch verkapselt werden sollen. Hierzu weist eine erste, dem unteren Wafer 2 zugewandte Oberfläche 33 des Kappen-Wafers 1 zur Ausbildung von Kavitäten 34 geeignete Vertiefungen auf, zwischen denen zur Ausbildung von Füge-Rahmen geeignete Erhebungen 35 verlaufen. Diese Erhebungen 35 sind jeweils mit einem Fügeschichtsystem 3 beschichtet, das eine substratseitige thermische Isolierschicht 19 mit darauf folgendem reaktivem Multilayer 7 aufweist. Der reaktive Multilayer 7 ist ferner mit einer stabilisierenden Zwischenschicht 20 (z.B. Cu, Ag, Al etc.) bedeckt, auf die eine Lotschicht 21 folgt. In den entsprechenden Flächensegmenten des darunter liegenden unteren Substrats 2 sind jeweils eine substratseitige Isolierschicht 19 und eine Benetzungsschicht 36 (für das Lotmaterial des Kappenwafers) angeordnet.
Als Materialien für die Isolierschichten 19 können hier z.B. natürliche Oxide, wie SiO₂ oder TiO₂, verwendet werden. Der reaktive Multilayer 7 weist (in einer Zoom-Darstellung vergrößert gezeigt) alternierende Nanoschichten A und B auf, die jeweils durch eine relativ dazu dünne Diffusionsbarriere-Schicht 37 getrennt sind. Das Lot 21 (als Legierung oder als Mehrlagenmetallisierung) kann in diesem und allen Fällen nach der Erfindung nicht nur, wie in diesem Beispiel, auf dem Kappenwafer 1 angeordnet sein, sondern auch nur am Gegensubstrat 2 vorliegen oder auf beide, das Kappen- und das Gegensubstrat, aufgeteilt sein.
Die Isolierschicht 19 des Kappenwafers 1 ist in einer Vertiefung 38 zwischen zwei benachbarten, jeweils von Fügerahmen-Erhebungen 35 umgebenen Einzel-Kappen-Bereichen 34 durch ein Freistellungssegment 31 (z.B. Luft oder anderes Gas) unterbrochen. Der das Freistellungssegment 31 überdeckende vom Kappenwafer 1 freigestellte Multilayerbereich 30 ist eine Soll-Reißstelle, die bei der Reaktionsausbreitung unter Ausbildung mit gestrichelten Linien angedeuteter lateral voneinander getrennter Multilayer-Teile 39 reißt. Statt des Freistellungssegments 31 kann auch ein festes Entnetzungssegment der Isolierschicht 19 vorliegen, das vom reaktiven Multilayer 7 nicht gut benetzt ist und daher ebenfalls während der exothermen Reaktionsausbreitung schneller reißt, als der umliegende Rest des Multilayers 7.
Beim Reißen zieht sich das geschmolzene Material 39 des reaktiven Multilayers 7 zu den beiden Seiten von der Reißstelle weg durch die Oberflächenspannung zusammen und hinterlässt eine zum Sägen (Substratvereinzelung) besonders gut geeignete Trennfläche/Sägestraße 40 ohne das metallische Multilayer-Material, auch ohne die unter Umständen recht dicke feste Isolierschicht 19 und ohne Lotmaterial 21.
5 zeigt ein Beispiel (im Querschnitt) für die Zündung der exothermen Reaktion 41 in einem strukturierten Fügeschichtsystem 3, bzw. in dessen reaktivem Multilayer 7, mittels eines Lasers. Ein lokal freigestellter Multilayerbereich 30 wird mit dem Laserstrahl 42 durch das erste (im Bild obere) Substrat 1 und das Freistellungssegment 31 in der Isolierschicht 19 hindurch lokal erhitzt, was die sich anschließend selbsterhaltend ausbreitende (im Bild durch einen waagerechten Pfeil angedeutet) Reaktion 41 im reaktiven Multilayer 7 auslöst/zündet. Bei den beiden miteinander zu verbindenden Substraten 1, 2 kann es sich hier, wie auch in allen Fällen der Erfindung, jeweils um ein Substrat aus Glas, Silizium, Germanium, einem anderen Halbleiter etc. handeln. Der Fügerahmen 42, der von dem strukturierten Fügeschichtsystem 3 des oberen Substrats 1 und einer optional vorgesehenen, sein Gegenstück bildenden, Beschichtung 10 (hier mit einer für das Lot 21 benetzbaren Schicht 8) des unteren Substrats 2 gebildet wird, kann hier und in allen anderen Beispielen eine Ring- oder Flächenlötung ermöglichen. Das Lotmaterial 21 kann hier sowohl zum Fügeschichtsystem 3 des oberen Substrats 1 als auch zur Beschichtung 10 des unteren Substrats 2 gehören, oder beides. Im Inneren (z.B. Kavität 34) des Fügerahmens 42 kann ein passives oder aktives Bauelement 4 (nicht gezeigt) verkapselt werden.
In 6 ist ein (weiteres) Beispiel (im Querschnitt) für eine Zündung mit aufgeprägtem Stromfluss 43, z.B. auf anodischem Waferbonder, dargestellt. Die beiden miteinander zu verbindenden Substrate 1, 2 sind in diesem Beilspiel elektrisch leitfähig. Beide verfügen auf deren dem jeweils anderen Substrat zugewandten Oberflächen über ein eigenes Fügeschichtsystem 3 nach der Erfindung mit einem metallischen reaktiven Multilayer 7 und einer substratseitigen Isolierschicht 19. In beiden Fällen ist die feste Isolierschicht 19, die jeweils am Substrat 1,2 anliegt, durch ein Kontaktsegment 44 unterbrochen, in dem der reaktive Multilayer 7 ununterbrochen von dem jeweiligen Rest des reaktiven Multilayers 7 verläuft und im elektrischen Kontakt mit dem Substrat 1 bzw. 2 steht.
Links im Bild ist der auf den beiden Substraten von außen (z.B. rückseitig) aufgeprägte Strom 43 schematisch angedeutet. Der Strom fließt in dem oberen reaktiven Multilayer 7 durch einen Widerstandsbereich 45 (Überhitzungszone), der lokal mittels eines gasgefüllten Freistellungssegments 31 in der oberen Isolierschicht 19 vom oberen Substrat 1 freigestellt ist.
In 7 ist ein alternatives hierzu Beispiel für eine Initiierung der sich selbsterhaltenden Reaktion in einem elektrisch leitfähigen reaktiven Multilayer 7 dargestellt, bei welchem der Zündstrom 43 allein seitens des oberen Substrats 1 zugeführt wird. Die Figur ist eine perspektivische Darstellung mit Blick seitlich und von oben auf das obere Substrat 1. Die elektrische Energie wird dem reaktiven Multilayer 7 über zwei Elektroden 46 zugeführt, die durch das obere Substrat 1 hindurch mit dem elektrisch leitenden (z.B. metallischen) reaktiven Multilayer 7 elektrisch verbunden sind. Das entsprechende Zündelement 47 kann im Fügeschichtsystem 3 durch einen freigestellten Widerstandsbereich des reaktiven Multilayers 7 zwischen zwei voneinander getrennten, jeweils mit einer der beiden Elektroden 46 verbundenen Kontaktsegmenten realisiert sein. Das Zündelement ist ein Teil eines Lötrahmens 48, von dem in der Figur künftige Sägestraßen 29 auf der oberen Substratseite zu erkennen sind, entlang derer das nach der Substratverbindung erhaltene erfindungsgemäße System zum Zwecke der Substratvereinzelung durchtrennt werden kann. Ferner sind jeweils durch Brücken-Elemente 28 verbundene Fügerahmenbereiche 25, 26 dargestellt.
8a, 8b zeigen jeweils in einer Draufsicht (links) und einer vertikalen Querschnittsdarstellung (rechts) ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Verbindung zweier Substrate 1, 2, zwischen denen eine Resonatorstruktur 4 verkapselt wird, wobei durch ein gezieltes Reißen eines freigestellten Multilayerbereichs 30 bei der Reaktionsausbreitung 41 eine Multilayer-Insel 50 entsteht, die eine vertikale elektrische Kontaktverbindung 51 (Via) zwischen den beiden Substraten 1, 2 im Inneren des Fügerahmens 42 herstellt. (8a zeigt die Anordnung während der Reaktionsausbreitung 41 und unmittelbar vor dem gezielten Reißen des reaktiven Multilayers 7, 8b dementsprechend dieselbe Anordnung nach der Reaktionsausbreitung und mit bereits gerissenem reaktivem Multilayer 7.) Diese Kontaktverbindung 51 bzw. die Multilayer-Insel 50 ist durch das gezielte Reißen elektrisch und mechanisch von dem Fügerahmen 42 getrennt. Ein solcher Via 51 kann beispielsweise einer elektrischen Verbindung der mit dem Kappensubstrat verbundenen zu verkapselnden Resonanzstruktur mit dem unteren Substrat 2 dienen. Hierzu sind insbesondere ferner elektrisch leitende Strukturen 52 auf/in beiden Substraten 1, 2 vorgesehen. Die Reaktionsausbreitung 41 erfolgt in diesem Beispiel, wie in 8a links gezeigt, zunächst über ein Brücken-Element 28 des reaktiven Multilayers 7, welches die gezeigte Kavität 34 und den zugehörigen Rahmenbereich des reaktiven Multilayers mit einem (nicht gezeigten) benachbarten Rahmenbereich verbindet.
9 zeigt ein Beispiel für einen in etwa kreisrunden zusammenhängenden Multilayer-Bereich 53 aus mehreren über Brücken-/Kopplungselemente 28 untereinander verbundenen einzelnen rechteckigen Multilayer-Teilflächen 25, 26, die in diesem Beispiel Flächenfügungsbereiche zu einer flächigen Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Substraten (nicht gezeigt) darstellen. Das Beispiel kann analog auch für benachbarte Rahmenbereiche 25, 26 statt Flächenfügungsbereichen im Fügeschichtsystem 3 gelesen werden.
In 9a ist eine Anordnung mit einem einzigen Zündelement 54 gezeigt, welches in der Mitte des kreisrunden zusammenhängenden Multilyer-Bereichs 53 sitzt und bei Zündung eine sich selbst erhaltende Reaktionsausbreitung mit einer nach außen laufenden radialen Reaktionsfront bis hin zum Rand 55 des zusammenhängenden Multilayer-Bereichs 53 auslöst. Alternativ hierzu ist in 9b das einzige Zündelement 54 am Rand 55 (im Bild rechts durch einen Pfeil oben in der Figur angedeutet) des zusammenhängenden Multilayer-Bereiches 53 angeordnet, wobei der Rand 55 die Zündungsenergie sofort entlang des Randes 55 weitergibt (z.B. durch Wärmeleitung in einem metallischen Ring), sodass sich die am ganzen Rand 55 nahezu zeitgleich gezündete exotherme Reaktion 41 sich selbst erhaltend mit einer radialen Reaktionsfront nach innen bis zur Mitte des Kreises ausbreiten kann. Schließlich ist in 9c eine Variante gezeigt, bei der das Zündelement 54 zwar vom Rand 55 aus betätigt (etwa durch einen Stromheizer, einen Laserstrahl 56 etc.) werden kann, die Zündenergie (z.B. Hitze) jedoch sofort durch eine Verbindung (z.B. eine Metallbahn) in die Mitte des zusammenhängenden Multilayer-Bereichs 53 weitergegeben wird und die Initiierung daher zentral/mittig (ähnlich zu 9a) stattfindet. Als Zündelemente 54 können in allen Fällen geeignet strukturierte Bereiche des reaktiven Multilayers 7 sämtlicher weiter oben genannten Arten mit ggf. vorhandenen zugehörigen Einrichtungen, wie Laser, Elektroden etc., fungieren.
In 10 ist eine Querschnittsdarstellung zweier erfindungsgemäß zu verbindenden bzw. bereits verbundenen Substrate 1, 2 zu sehen, wobei eine Mikroresonatorstruktur 4 in einer Kavität 34 verkapselt wird/wurde. Das obere Kappen-Substrat 1 (in diesem Beispiel erstes Substrat nach der Erfindung) ist mit einem Fügeschichtsystem 3 mit einer unmittelbar am Substrat 1 angeordneten festen Isolierschicht 19, einem reaktiven Multilayer 7, einer Benetzungs-Zwischenschicht 8, 20 sowie einer Lot- oder Verbindungsschicht 21 versehen. An einer unteren, dem unteren Substrat 2 und dem Kavitätsinneren 34 zugewandten Oberfläche 56 des Fügeschichtsystems 3 ist ein zur Getterfähigkeit aktivierbarer Oberflächenbereich 6 angeordnet. Dieser stellt in diesem Beispiel eine Teiloberflächen-Metallisierung 6 des reaktiven Multilayers 7 dar, wodurch eine gute thermische Ankopplung an den letzteren gewährleistet ist. Hier kann somit eine Getteraktivierung ohne weiteres Zutun durch die im reaktiven Multilayer 7 entstehende Reaktionswärme bei der Ausbreitung 41 der exothermen Reaktion erfolgen.
In 11 ist eine Variante mit einer Reaktionsentfachung im reaktiven Multilayer 7 mit einhergehender Getteraktivierung mittels eines Laserstrahls 58 schematisch dargestellt. Hier ist rein beispielhaft eine hermetische Verkapselung einer Laserdiode 4 in einer hermetisch dichten Kavität 34 zwischen einem dieses aktive Bauelement 4 tragenden unteren Substrat 2 mit einem darin integrierten ASIC und einem oberen Substrat 2 (erstes Substrat im Sinne der Erfindung), in diesem Fall einer Glas-Kappe, dargestellt. Das nicht im Detail gezeigte Fügeschichtsystem 3 nach der Erfindung weist insbesondere Lot- oder Verbindungsschichten 21 an den Fügestellen 57 des Kavitäts-Fügerahmens 42 und einen mit dem (nur teilweise gezeigten) reaktiven Multilayer 7 thermisch verbundenen, zur Getterfähigkeit aktivierbaren Oberflächenbereich 6 (Getter-Film) auf. Neben der Reaktionswärme im reaktiven Multilayer 7 kann hier eine zusätzliche Temperaturerhöhung zur Getteraktivierung im Getter-Film 6 mittels eines seitens des Kappen-Glassubstrats 1 einstrahlenden Laserstrahls 58 erreicht werden. Die verkapselte Mikrostruktur 4 (Laserdiode) weist insbesondere ein optisches Linsenelement 59 aus einem Polymer und einen metallischen Mikrospiegel 60 auf, welche durch eine (nicht gezeigte) Isolierschicht 19 zuverlässig vor hohen Temperaturen im Fügeschichtsystem 3 während der Substratverbindung geschützt sind.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass diese schematischen Beispiele lediglich als wenige konkrete Demonstrationsbeispiele dienen und unter einander in anderen Kombinationen kombiniert und in der konkreten Geometrie abgewandelt werden können, ohne dass sich die darin enthaltenen Prinzipien nach der Erfindung ändern.

Claims

Erstes Substrat (1) mit einem darauf ein- oder beidseitig aufgebrachten Fügeschichtsystem (3), wobei das Fügeschichtsystem (3) auf der jeweiligen Seite des ersten Substrats (1) - einen reaktiven Multilayer (7) mit mindestens zwei alternierenden flächigen Nanoschichten, die aus jeweils unterschiedlichem Material bestehen und nach einer Initiierung miteinander unter sich selbst erhaltender Reaktionsausbreitung exotherm reagieren, wobei sich der reaktive Multilayer (7) entlang einer lokalen Substratoberfläche parallel zu dieser, ohne vertikal auf diese Ebene stehenden Erhöhungen, erstreckt, sowie - eine zwischen dem ersten Substrat (1) und dem reaktiven Multilayer (7) angeordnete thermisch und elektrisch entkoppelnde feste Isolierschicht (19) aufweist und derart ausgebildet ist, dass das erste Substrat (1) mittels des Fügeschichtsystems (3) - mit einem zweiten Substrat (2) verbunden werden kann, um mindestens ein passives oder aktives Bauelement (4) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Substrat teilweise oder vollständig einzuschließen oder hermetisch zu verkapseln, und/oder - flächig mit einem dritten Substrat verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass - die Isolierschicht (19) eine Dicke von mindestens 400 nm aufweist und - die Isolierschicht (19) teilweise oder ganz durch mindestens ein gasgefülltes Freistellungssegment (31) unterbrochen ist oder ein vom reaktiven Multilayer (7) nicht oder nur schlecht benetztes Entnetzungssegment aufweist, und - der reaktive Multilayer (7) auch das mindestens eine Freistellungs- (31) oder Entnetzungssegment unter Ausbildung von mindestens einem vom Substrat (1) freigestellten oder entnetzten Multilayerbereich (30) bedeckt.
Erstes Substrat (1) nach Anspruch 1, bei dem die Isolierschicht (19) anorganisch ist und ein Oxid, Carbid oder Nitrid eines Hauptgruppenelements oder eines Übergangsmetalls aufweist oder daraus besteht.
Erstes Substrat (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Isolierschicht (19) eine Dicke von mindestens 2 µm aufweist.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der reaktive Multilayer (7) des Fügeschichtsystems (3) einen zusammenhängenden Multilayer-Bereich aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass sich eine exotherme Reaktion darin nach einer Initiierung sich selbsterhaltend radial nach innen oder radial nach außen ausbreitet, dadurch jeweils den gesamten zusammenhängenden Multilayer-Bereich abdeckend.
Erstes Substrat (1) nach Anspruch 1, bei dem das Fügeschichtsystem (3) auf einer ersten Oberfläche des ersten Substrats (1) - mindestens zwei benachbarte Rahmenbereiche (25) jeweils zum teilweisen oder vollständigen Einschließen oder zum hermetischen Verkapseln von mindestens einem passiven oder aktiven Bauelement (4) und/oder - mindestens zwei benachbarte Flächenfügungsbereiche jeweils zur flächigen Verbindung mit einem anderen Substrat aufweist und das Freistellungs- (31) oder Entnetzungssegment, vorzugsweise das gasgefüllte Freistellungssegment (31), zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmen- und/oder Flächenfügungsbereichen angeordnet ist, wobei der zugehörige freigestellte (31) oder entnetzte Multilayerbereich als ein Kopplungselement zur Reaktionsübertragung zwischen den benachbarten Rahmen- (25) und/oder Flächenfügungsbereichen ausgebildet ist und bei der Reaktionsausbreitung reißen kann.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem - die Isolierschicht (19) teilweise oder ganz durch mindestens ein unmittelbar an dem ersten Substrat (1) anliegendes elektrisch leitendes festes Kontaktsegment (44) unterbrochen ist, das einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Substrat (1) und dem reaktiven Multilayer (7) herstellt, wobei vorzugsweise - das mindestens eine Kontaktsegment (44) Teil des reaktiven Multilayers (7) ist und der reaktive Multilayer (7) am und im mindestens einen Kontaktsegment (44) ununterbrochen verläuft.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der reaktive Multilayer (7) elektrisch leitend ist und einen durch die Isolierschicht (19) und/oder durch das Freistellungs (31)- oder Entnetzungssegment vom ersten Substrat (1) thermisch und elektrisch entkoppelten Widerstandsbereich mit einem lokal erhöhten elektrischen Widerstand aufweist, wobei der Widerstandsbereich vorzugsweise im Vergleich zu der Dicke des angrenzenden übrigen reaktiven Multilayers (7) dünner ausgebildet ist.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der reaktive Multilayer (7) zwischen den mindestens zwei Nanoschichten mindestens eine im Vergleich zu diesen dickere Zwischenlage aufweist, die bei der sich selbsterhaltenden Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer (7) nicht oder nur unvollständig an dieser exothermen Reaktion teilnehmen kann.
Erstes Substrat (1) nach Anspruch 8, bei dem die dickere Zwischenlage eine Metallzwischenlage oder eine Siliziumoxidschicht ist.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Fügeschichtsystem (3) mindestens einen durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer (7) entstehende Wärme in einen gasabsorptionsfähigen Zustand überführbaren, im thermischen Kontakt mit dem reaktiven Multilayer (7) stehenden Oberflächenbereich (6) aufweist.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Diffusionsbarriere (27) zwischen den mindestens zwei Nanoschichten vorgesehen ist.
Erstes Substrat (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Fügeschichtsystem (3) eine Lot- oder Verbindungsschicht (21) aufweist.
System, das durch das Verbinden eines ersten Substrats (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einem zweiten (2) und/oder einem dritten, jeweils dem ersten Substrat (1) gegenüberliegenden Substrat erhalten wurde, wobei - das Verbinden des ersten Substrats (1) mit dem zweiten (2) und/oder mit dem dritten Substrat jeweils mittels des Fügeschichtsystems (3) erfolgt ist, wobei die miteinander zu verbindenden Substrate (1, 2) aneinander angedrückt wurden, eine exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer (7) initiiert wurde, welche sich daraufhin darin sich selbsterhaltend ausgebreitet hat, und dabei - das mindestens eine passive oder aktive Bauelement (4) mittels des Fügeschichtsystems (3) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten Substrat (2) teilweise oder vollständig eingeschlossen oder hermetisch verkapselt wurde und/oder aneinander angedrückte Oberflächen des ersten und des dritten Substrats flächig unter Ausbildung einer Flächenfügung miteinander verbunden wurden.
System nach Anspruch 13, wobei - das Verbinden des ersten Substrats (1) mit dem zweiten Substrat (2) mittels des Fügeschichtsystems (3) unter Ausbildung mindestens einer hermetisch dichten Kavität zwischen den beiden Substraten (1, 2) mit mindestens einem darin verkapselten passiven oder aktiven Bauelement erfolgt ist und - mindestens ein durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer (7) entstehende Wärme in einen gasabsorptionsfähigen Zustand überführbarer, im thermischen Kontakt mit dem reaktiven Multilayer (7) stehender Oberflächenbereich (6) des Fügeschichtsystems (3) oder ein Teil davon durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer (7) entstandene Wärme in mindestens eine in der mindestens einen Kavität angeordnete Gasabsorptionsfläche überführt wurde.
System nach Anspruch 13 oder 14, - das (i) zwei oder mehr mittels mindestens zweier benachbarten Rahmenbereiche (35) des Fügeschichtsystems zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat teilweise oder vollständig eingeschlossene oder hermetisch verkapselte passive oder aktive Bauelemente (4) und/oder (ii) zwei oder mehr mittels mindestens zweier benachbarten Flächenfügungsbereiche des Fügeschichtsystems (2) rückseitig mit jeweils einem weiteren Substrat flächig verbundene Chips des ersten Substrats (1) aufweist, zwischen welchen benachbarten Rahmen- (25) und/oder Flächenfügungsbereichen ein als das zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmen- und/oder Flächenfügungsbereichen angeordnete Freistellungs- (31) oder Entnetzungselement ausgebildete Kopplungselement (28) des reaktiven Multilayers (7) während oder nach der Reaktionsausbreitung gerissen ist.
Teil-System mit einem zwischen zwei Substraten (1, 2) teilweise oder vollständig eingeschlossenen oder hermetisch verkapselten passiven oder aktiven Bauelement (4) und/oder mit einer rückseitigen Flächenfügung eines Chips an ein drittes Substrat, das aus einem System nach Anspruch 15 mit mehreren passiven oder aktiven Bauelementen und/oder mit mehreren Chips durch Substratvereinzelung hergestellt ist.
Substratverbindungsverfahren zum teilweisen oder vollständigen Einschließen oder hermetischen Verkapseln von passiven oder aktiven Bauelementen (4) zwischen einem ersten Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem damit zu verbindenden zweiten Substrat (2) und/oder zum Herstellen einer flächigen Verbindung zwischen einem ersten Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem dritten Substrat, bei welchem Verfahren - das zweite (2) und/oder dritte Substrat dem ersten Substrat (1) gegenüberliegend ausgerichtet wird, derart, dass sich das mindestens eine passive oder aktive Bauelement (4) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat befindet und/oder derart, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen des ersten (1) und des dritten Substrates einander gegenüber liegen, - das erste Substrat (1) mit dem zweiten (2) und/oder dritten Substrat an Fügestellen des Fügeschichtsystems (3) mechanisch in Kontakt gebracht wird, - eine exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer (7) lokal initiiert wird und sich daraufhin darin sich selbsterhaltend ausbreitet, - durch die dabei entstehende Reaktionswärme (a) ein zwischen den beiden jeweils zu verbindenden Substraten an den Fügestellen angeordnetes Lot- oder Verbindungsmaterial schmilzt und beim Erstarren die beiden Substrate unter einem auf die beiden Substrate von außen einwirkenden Druck verbindet und/oder (b) eine Festphasendiffusion zwischen an den jeweils gegenüberliegenden zu verbindenden Substraten an den Fügestellen angeordneten Materialien verläuft und die dabei entstehende Legierung die beiden Substrate unter einem auf die beiden Substrate von außen einwirkenden Druck verbindet, derart, dass das mindestens eine passive oder aktive Bauelement (4) mittels des Fügeschichtsystems zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Substrat teilweise oder vollständig eingeschlossen oder hermetisch verkapselt wird und/oder die miteinander zu verbindenden Oberflächen des ersten (1) und des dritten Substrates mittels des Fügeschichtsystems per Flächenfügung miteinander verbunden werden, wobei der freigestellte oder entnetzte Multilayerbereich (30) bei der Reaktionsausbreitung während der Substratverbindung unter Entstehung einer von dem übrigen Multilayer (7) elektrisch getrennten Multilayer-Insel (50) reißt und durch diese Multilayer-Insel (50) eine elektrische Kontaktierung zwischen den zu verbindenden Substraten (1, 2) aus der Substratebene heraus entsteht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die exotherme Reaktion im reaktiven Multilayer (7) durch einen Laserstrahl initiiert wird, der den freigestellten Multilayerbereich (30) durch das zugehörige Freistellungssegment (31) in der Isolierschicht (19) hindurchtretend durch das erste Substrat (1) oder an der anderen Seite des Multilayers (7) durch das zweite (2) oder dritte Substrat erreicht, jeweils ohne dass eine Lot- oder Verbindungsschicht im Weg des Laserstrahls ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei - die Isolierschicht (19) teilweise oder ganz durch mindestens ein unmittelbar an dem ersten Substrat (1) anliegendes elektrisch leitendes festes Kontaktsegment (44) unterbrochen ist, das einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Substrat (1) und dem reaktiven Multilayer (7) herstellt, wobei vorzugsweise - das mindestens eine Kontaktsegment (44) Teil des reaktiven Multilayers (7) ist und der reaktive Multilayer (7) am und im mindestens einen Kontaktsegment (44) ununterbrochen verläuft und/oder vorzugweise - der reaktive Multilayer (7) einen durch die Isolierschicht (19) und/oder einen durch das Freistellungs (31)- oder Entnetzungssegment vom ersten Substrat (1) thermisch und elektrisch entkoppelten Widerstandsbereich mit einem lokal erhöhten elektrischen Widerstand aufweist, wobei der Widerstandsbereich vorzugsweise im Vergleich zu der Dicke des angrenzenden übrigen reaktiven Multilayers (7) dünner ausgebildet ist, bei welchem Verfahren eine exotherme Reaktion im elektrisch leitfähigen reaktiven Multilayer (7) durch einen Stromfluss initiiert wird, der dem reaktiven Multilayer (7) (a) einseitig seitens des ersten Substrats (1) über zwei durch die Isolierschicht (19) voneinander getrennte und jeweils mittels einer Elektrode nach außen verbundene Kontaktsegmente (44) zugeführt wird, oder (b) beidseitig seitens beider Substrate (1, 2) eines zu verbindenden Substrat-Paares zugeführt wird, die jeweils eine Elektrode darstellen oder mit einer Elektrode versehen sind, wobei die beiden Elektroden beim Andrücken der beiden Substrate (1, 2) aneinander durch ein Kontaktsegment (44) und den reaktiven Multilayer (7) des ersten Substrats (1) hindurch miteinander in elektrische Verbindung gelangen und der initiierende Strom zwischen dem ersten Substrat (1) und dem reaktiven Multilayer (7) über das Kontaktsegment (44) fließt, oder (c) einseitig durch zwei Elektroden seitens des ersten Substrats (1) durch eine direkte elektrische Kontaktierung eines Zündbereichs des reaktiven Multilayers (7), wobei die Reaktionsinitiierung vorzugsweise im hierzu vorgesehenen Widerstandsbereich des reaktiven Multilayers des ersten Substrats erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei vor dem Verbinden des ersten Substrats (1) mit dem zweiten Substrat (2) das Fügeschichtsystem (3) des ersten Substrats (1) mindestens einen durch bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer (7) entstehende Wärme in einen gasabsorptionsfähigen Zustand überführbaren, im thermischen Kontakt mit dem reaktiven Multilayer (7) stehenden Oberflächenbereich (6) aufweist, bei welchem Verfahren eine hermetisch dichte Kavität mit dem darin verkapselten mindestens einen passiven oder aktiven Bauelement (4) entsteht und der mindestens eine in einen gasabsorptionsfähigen Zustand überführbare Oberflächenbereich (6) des Fügeschichtsystems (3) durch die bei der Reaktionsausbreitung im reaktiven Multilayer entstehende Wärme in mindestens eine Gasabsorptionsfläche überführt wird, die zumindest teilweise in der Kavität angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei - das Fügeschichtsystem (3) auf einer ersten Oberfläche des ersten Substrats (1) (i) mindestens zwei benachbarte Rahmenbereiche (25) jeweils zum teilweisen oder vollständigen Einschließen oder zum hermetischen Verkapseln von mindestens einem passiven oder aktiven Bauelement (4) und/oder (i) mindestens zwei benachbarte Flächenfügungsbereiche jeweils zur flächigen Verbindung mit einem anderen Substrat aufweist und das Freistellungs- oder Entnetzungssegment (31), vorzugsweise das gasgefüllte Freistellungssegment (31), zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmen- (25) und/oder Flächenfügungsbereichen angeordnet ist, wobei der zugehörige freigestellte (31) oder entnetzte Multilayerbereich als ein Kopplungselement zur Reaktionsübertragung zwischen den benachbarten Rahmen- (25) und/oder Flächenfügungsbereichen ausgebildet ist, und wobei - die Reaktionsausbreitung zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmenbereichen (25) und/oder zwischen den mindestens zwei benachbarten Flächenfügungsbereichen in dem jeweiligen Kopplungselement erfolgt und - das Kopplungselement während und/oder nach der Reaktionsübertragung unter Ausbildung einer vorzugsweise von der Isolierschicht (19) freien Sägestraße zwischen den mindestens zwei benachbarten Rahmen- (25) oder Flächenfügungsbereichen reißt.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem anschließend eine Substratvereinzelung durchgeführt wird, wobei die mittels der mindestens zwei benachbarten Rahmenbereiche (25) teilweise oder vollständig eingeschlossenen oder hermetisch verkapselten passiven oder aktiven Bauelemente (4) oder die mittels der mindestens zwei benachbarten Flächenfügungsbereiche rückseitig mit jeweils einem weiteren Substrat flächig verbundene Chips des ersten Substrats (1) entlang der Sägestraße voneinander vollständig getrennt werden.