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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung geht ferner aus von einer elektrischen Kontaktierung zwischen einem elektrisch leitfähigen Substrat und einer elektrisch leitfähigen Schicht.
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Generell besteht bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) Bedarf an einer elektrischen Kontaktierung von verschiedenen Schichten bzw. Waferbereichen, welche durch einen Isolator (oder eine Isolatorschicht) voneinander elektrisch weitgehend isoliert sind. Beispiele hierfür sind etwa Silicon-On-Insulator (SOI) Wafer bzw. Cavity-Silicon-On-Insulator (CSOI) Wafer oder Substrate, welche in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet werden, um Sensoren, insbesondere Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren, etwa in Kraftfahrzeugen, zu realisieren. Um etwa die Funktionalität von in solchen SOls hergestellten Bauteilen zu gewährleisten, sind elektrische Kontaktierungen beispielsweise zwischen einem Substrat und einer Funktionsschicht, in der beispielsweise Beschleunigungssensoren oder sonstige Sensoren ausgebildet sein können, notwendig.
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Des Weiteren kann es erforderlich sein, elektrische Kontaktierungen zwischen Schichten bzw. Bereichen von zwei Wafersubstraten bzw. Wafersystemen, etwa zwei SOI-Substraten, zu realisieren, wobei etwa ein erstes SOI-Substrat als Kappenwafer und ein zweites SOI-Substrat als Devicewafer fungiert. Hierbei werden häufig der Kappenwafer und der Devicewafer durch dielektrische Materialien gebondet, d.h. miteinander verbunden, insbesondere mit einer Seal-Glas-Paste als Dielektrikum. Sofern elektrische Kontakte zwischen beiden Wafern bzw. zwischen Bereichen beider Wafersysteme erforderlich sind, ist es erforderlich - da Dielektrika elektrisch isolierend sind -, solche elektrischen Kontaktierungen im Rahmen späterer Prozessschritte herzustellen.
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Elektrische Kontakte können bspw. mit Hilfe von reaktivem lonentiefenätzen (englisch: deep reactive ion etching, kurz: DRIE) hergestellt werden. Hierbei kann durch anisotrope Ätzprozesse die Funktionsschicht strukturiert, eine isolierende Schicht entfernt und auf der Funktionsschicht elektrische Kontaktierungen zwischen dem Substrat und der Funktionsschicht aufgewachsen werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch einerseits, dass das Aufwachsen elektrischer Kontaktierungen mikrostrukturbedingt nicht immer möglich ist. Nachteilig sind andererseits die bei diesem Verfahren benötigten hohen Temperaturen um etwa 1000°C, da Metall-Pads auf der Funktionsschicht ausgebildet sein können, deren Schmelztemperatur überschritten werden könnte.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung zwischen einem Substrat und einer Funktionsschicht oder zwischen zwei Substratwafern bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere ein lediglich geringeres Temperaturbudget erfordert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung zwischen einem elektrisch leitfähigen Substrat und einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei das Substrat und die Schicht miteinander verbunden sind und zwischen dem Substrat und der Schicht zumindest teilweise eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, wobei die Schicht im Bereich der herzustellenden elektrischen Kontaktierung zumindest eine Durchgangsöffnung mit freiliegender Isolationsschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt im Bereich der Durchgangsöffnung ein Laserstrahl auf die Isolationsschicht gerichtet wird, wobei in einem zweiten Schritt die Isolationsschicht zumindest teilweise entfernt wird, wobei in einem dritten Schritt das Substrat und/oder die Schicht zumindest teilweise aufgeschmolzen werden, so dass die elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat und der Schicht ausgebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen elektrisch leitfähigen Schichten bzw. Substratwafern gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung ein Laserverfahren herangezogen wird, wodurch die durch den Laserstrahl eingetragene Energie und die hierdurch herbeigeführte Erwärmung lediglich lokal stattfindet und andere Bereiche der Schichten bzw. andere Waferbereiche vor hohen Temperaturen geschützt bleiben. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass zur Erzeugung elektrischer Kontaktierungen verhältnismäßig wenig Platz beansprucht wird, etwa im Vergleich zum Drahtbonden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass lediglich ein Wafersystem bzw. ein Substrat verwendet wird, innerhalb dessen die Schicht als Funktionsschicht, insbesondere eines mikroelektromechanischen Bauelements, konfiguriert ist. Insbesondere ist die Schicht Teil eines SOI-Substrats, Silicon-on-Insulator-Substrat, wobei insbesondere die Schicht, die Isolationsschicht und das elektrisch leitfähige Substrat alle Teile des SOI-Substrats sind. Als Funktionsschichten kommen beispielsweise Schichten in Frage, innerhalb der mechanische oder optische Bauelemente wie Sensoren und Aktoren realisiert sind, die beispielsweise mit in dem Substrat realisierten mikroelektronischen Schaltungen kombiniert werden, wodurch Kontaktierungen erforderlich sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es ferner auch vorgesehen, dass zwei Wafersysteme bzw. zwei miteinander verbundene Substrate verwendet werden; hierbei ist das Substrat Teil eines Substratwafers und die Schicht ist als Teil eines weiteren Substratwafers ausgebildet, wobei der weitere Substratwafer mit dem Substratwafer mittels einer Verbindungsschicht verbunden ist. Derartige Systeme werden beispielsweise verwendet, um ein Devicewafer, auf dem zumindest ein mikroelektromechanisches Element (bevorzugt jedoch zwei solcher Elemente) angeordnet ist, mit einem Kappenwafer zu verschließen. Vorteilhafterweise ist es somit möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Kontaktierungen zwischen zwei Substrat- oder Wafersystemen einzusetzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im Substrat eine Kaverne ausgebildet ist, wobei die Kaverne parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats ein erstes laterales Maß aufweist und wobei die Durchgangsöffnung parallel zur Haupterstreckungsrichtung ein zweites laterales Maß aufweist, wobei das erste laterale Maß kleiner ist als das zweite laterale Maß. Dadurch, dass ein Laserstrahl durch die Durchgangsöffnung und auf die zwischen dem Substrat und der Schicht angeordnete Isolationsschicht gerichtet wird, kann die Isolationsschicht - insbesondere eine isolierende Siliziumdioxid-Schicht, insbesondere ein Buried Oxide (BOX) im Fall eines SOI-Substrats - abgetragen, insbesondere geschmolzen und/oder verdampft und somit bzw. dadurch, zumindest teilweise, entfernt werden. Infolge des Energieeintrags durch den Laserstrahl schmelzen unmittelbar umliegende Bereiche des Substrats und der Schicht, sodass sich hierdurch in der Kaverne eine elektrische Kontaktierung ausbildet, wobei die hierbei entstehende elektrische Kontaktierung bzw. der Materialbereich des unter der Wirkung des Lasers aufgeschmolzenen Materials im Bereich der Durchgangsöffnung zumindest teilweise über die durch die Oberseite der Schicht gebildete Ebene im Bereich der Durchgangsöffnung hinausragen kann (tip formation). Besonders bevorzugt sind hierbei Kavernenquerschnitte, die kleiner sind als Durchgangsöffnungsquerschnitte, wobei insbesondere beide Querschnitte kreisförmig und konzentrisch angeordnet sind. Infolge eines - relativ zum Querschnitt der Durchgangsöffnung - kleineren Kavernenquerschnittes, insbesondere auch einer geringen Kavernentiefe, mithin auch eines möglichst kleinen Kavernenvolumens, erwächst der Vorteil, dass die Kaverne schneller durch die zuvor durch Energieeintrag geschmolzenen Materials aufgefüllt wird und folglich die elektrische Kontaktierung schneller und unter geringerem Materialeinsatz und/oder geringerem Energieeintrag ausgebildet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Projektion des Querschnitts der Durchgangsöffnung in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene und eine Projektion des Querschnitts der Kaverne in der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene sich teilweise überlappen und teilweise nicht überlappen, wobei der Querschnitt der Durchgangsöffnung insbesondere kreisförmig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Durchgangsöffnung, bedingt durch die Laserstrahlgeometrie, einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 10µm auf. Anwendungsspezifisch sind jedoch ebenfalls ring- oder linienförmige Durchgangsöffnungen, oder auch Durchgangsöffnungsprofile wie Trapeze, Parallelogramme etc. realisierbar. Analog zu Durchgangsöffnungen sind Kavernen unterschiedlicher Geometrien und Maße realisierbar, wobei die Geometrie der projizierten Querschnitte von Kaverne und Durchgangsöffnung identisch oder verschieden sein können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Projektion des Querschnitts der Durchgangsöffnung in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene und eine Projektion des Querschnitts der Kaverne in der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene sich derart vollständig überlappen, dass die Projektion des Querschnitts der Kaverne größer als die Projektion des Querschnitts der Durchgangsöffnung ist. Ein größerer Kavernenquerschnitt ermöglicht, dass oberhalb der Kaverne eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen angeordnet sind und daher in einer einzelnen Kaverne - falls aus technischen oder Designgründen erwünscht - mehrere elektrische Kontaktierungen ausgebildet werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Kontaktierung, die gemäß dem oben beschrieben Verfahren hergestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktierungen hauptsächlich senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrates ausgebildet ist. Diese Ausrichtung der Kontaktierungen ermöglicht die kürzeste Verbindung zwischen dem Substrat und einer darüber angeordneten Funktionsschicht. Ferner werden durch diese Ausführungsform Material und Energie beim Herstellen der Kontaktierungen eingespart.
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Für das erfindungsgemäße System können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung beschrieben worden sind.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch vier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt schematisch vier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 sind mögliche Stellen von Kontaktierungen in vier Ausführungen in einer schematischen Abbildung in einer Seitenansicht vor der Herstellung der elektrischen Kontaktierungen 1 in einem System dargestellt, wobei diese Darstellung insofern schematisch ist, als in der Regel nicht alle vier Arten oder Varianten solcher Kontaktierungsstellen auf ein und dem gleichen Substrat bzw. Substraten realisiert ist, wobei dies jedoch andererseits auch nicht ausgeschlossen ist. In einem Siliziumsubstrat 3, das als Träger dient und mechanische Stabilität für das System gewährleistet, sind zwei Kavernen 14 mit unterschiedlichen geometrischen Maßen ausgebildet. Beide Kavernen 14 weisen ein laterales Maß 16 auf, wobei die erste, in der Figur links angeordnete Kaverne 14 ein kleineres laterales Maß 16 aufweist als die zweite, in der Figur rechts angeordnete Kaverne 14. Oberhalb des Substrats 3 ist eine Schicht 5 angeordnet, die beispielsweise als Sensor fungiert (bzw. in welcher ein Sensor realisiert ist). In 1 weist die Schicht 5 vier Durchgangsöffnungen 9 auf (d.h. für jede dargestellte Variante von Kontaktierungsstelle eine Durchgangsöffnung 9). Die Durchgangsöffnungen 9 weisen ein laterales Maß 18 auf. Sowohl die lateralen Maße 16 der Kavernen 14 als auch die lateralen Maße 18 der Durchgangsöffnungen 9 sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 3 angeordnet. Das Substrat 3 ist von dem Sensor 5 durch eine Isolationsschicht 7 elektrisch getrennt, wobei das gesamte Substrat 3 samt den beiden Kavernen 14 mit einer Siliziumdioxidschicht (SiO2) als Isolations- bzw. Passivierungsschicht 7 bedeckt ist. Die Isolationsschicht 7 wird bei der Herstellung der elektrischen Kontaktierungen 1 zumindest teilweise, mindestens in den Bereichen unmittelbar unterhalb der Durchgangsöffnungen 9, mit Hilfe der durch einen Laserstrahl 10 eingetragenen Energie entfernt. Die gesamte Darstellung in 1 ist nicht maßstabsgetreu.
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In 1 a) ist eine erste Variante der Erfindung dargestellt; der Querschnitt der Durchgangsöffnung 9 ist in einer parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 3 angeordneten Ebene insbesondere kreisförmig ausgebildet, d.h., dass das laterale Maß 18 einem Durchmesser 18 entspricht. Unmittelbar unterhalb der Durchgangsöffnung 9 ist im Substrat 3 eine Kaverne 14 ausgebildet, deren Querschnitt in einer weiteren parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 3 angeordneten Ebene ebenfalls insbesondere kreisförmig ausgebildet ist, wobei das laterale Maß 16 der Kaverne 14 einem Durchmesser 14 entspricht und insbesondere kleiner ist als der Durchmesser 18 der Durchgangsöffnung 9. Die Projektion des kreisförmigen Querschnitts der Durchgangsöffnung 9 und die Projektion des kreisförmigen Querschnitts der Kaverne 14 sind insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet.
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In 1 b) wird die Durchgangsöffnung 9 im Sensor 5 lediglich durch die elektrische Isolationsschicht 7 von dem darunter angeordneten Substrat 3 getrennt. Der Querschnitt der Durchgangsöffnung 9 in der parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 3 angeordneten Ebene ist ebenso kreisförmig ausgebildet.
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In 1 c) ist im Sensor 5 eine Durchgangsöffnung 9 ausgebildet, deren laterales Maß 18 kleiner ist als das laterale Maß 16 der darunter angeordneten Kaverne 14, wobei die Projektion des lateralen Maßes 18 in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 vollständig eine Schnittlinie mit dem lateralen Maß 16 der Kaverne 14 bildet. Mit anderen Worten ist die Erstreckung des lateralen Maßes 16 in beide Pfeilrichtungen ausgeprägter als die Erstreckung des lateralen Maßes 18.
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In 1 d) überlappt sich eine Projektion des in einer parallel zur Haupterstreckungsebene 100 angeordneten Querschnitts der Durchgangsöffnung 9 teilweise und teilweise nicht mit einer Projektion eines Querschnitts der Kaverne 14, der ebenfalls in einer parallel zur Haupterstreckungsebene angeordneten Ebene angeordnet ist.
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In 2 sind schematisch vier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung 1 abgebildet. In allen dargestellten Ausführungsformen ragen die Spitzen der elektrischen Kontaktierungen 1 im Bereich der Durchgangsöffnungen 9 zumindest teilweise über die durch die Oberseite der Schicht 5 gebildete Ebene hinaus (tip formation). Zudem sind die elektrischen Kontaktierungen 1 in allen vier Ausführungen hauptsächlich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ausgebildet. Die Dimensionen in 2 sind hierbei nicht maßstabsgerecht.
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In 2 a) ist abgebildet, dass infolge des Energieeintrags durch den in 1 abgebildeten Laserstrahl 10 zunächst die Isolations- bzw. Oxidschicht 7 ablatiert wurde. Die so abgetragene, insbesondere geschmolzene oder verdampfte, Isolationsschicht 7 kann anschließend durch die oberhalb der Kaverne 14 angeordnete Durchgangsöffnung 9 entweichen. Das unterhalb der Oxidschicht 7 angeordnete und derart freigegebene Substrat 3 wird durch den Energieeintrag des Laserstrahls 10 weiter geschmolzen. Ferner wird durch ein Umpositionieren des Laserstrahls 10 zumindest teilweise auch die Schicht 5 geschmolzen. Beide Siliziumschmelzmassen füllen die Kaverne 14 auf, wobei aufgrund des kleineren lateralen Maßes 18 der Durchgangsöffnung 9 im Vergleich zum lateralen Maß 16 der Kaverne 14 die ausgebildete Kontaktierung 1 sich in Richtung der Durchgangsöffnung 9 verjüngt bzw. konisch zuläuft. Das weitere Schmelzen der Schicht 5 resultiert in einem Überstand, welcher charakteristischerweise eine Spitze aufweist (tip formation).
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In 2 b) wurde die Isolationsschicht 7 ablatiert, ohne dass das Substrat 3 maßgeblich geschmolzen wurde. Die elektrische Kontaktierung 1 bildet sich aus dem Schmelzen der Schicht 5 aus und weist ebenfalls eine Spitze auf.
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In den 2 c) und 2 d) sind die elektrischen Kontaktierungen 1 - analog zur Kontaktierung in 2 a) - hauptsächlich in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 3 ausgebildet. In Abgrenzung zur Kontaktierung 1 in 2 a) erstrecken sich die Kontaktierungen 1 in 2 c) und 2 d) jedoch nicht konisch in Richtung der nicht abgebildeten Durchgangsöffnungen 9, sondern im Wesentlichen säulen- bzw. prismenförmig. Im Bereich der Durchgangsöffnungen 9 laufen die Kontaktierungen 1 zumindest teilweise spitz zu.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Kontaktierung
- 3
- Substrat
- 5
- Schicht, Sensor
- 7
- Elektrische Isolationsschicht
- 9
- Durchgangsöffnung
- 10
- Laserstrahl
- 12
- Substratwafer
- 14
- Kaverne
- 16
- laterales Maß der Kaverne
- 18
- laterales Maß der Durchgangsöffnung
- 100
- Haupterstreckungsebene des Substrats
