DE10235372A1 - Elektrisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Um Silizium/Silizium- oder Silizium-Glas-Lagen fest zu verbinden, wird vorgeschlagen, dass die Lagen (1, 3) fügeschichtfrei mittels einer Laserverschweißung verbunden sind. Dabei weist mindestens eine der Lagen (1, 3) eine so hohe Transparenz auf, dass die Lagen (1, 3) mittels einer Laserstrahlung (6, 10, 11), deren Leistungsdichte in der Fügeebene (5) zwischen den Lagen (1, 3) bis zu einer dort zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien durch Absorption ausreichenden Leistungsdichte lokal erhöht ist, verschweißbar sind.

Description

  • Elektrisches Bauelement, insbesondere mikromechanischer Silizium-Chip, mit Silizium/Material, insbesondere Silizium/Silizium- oder Silizium/Glas-Verbindungen und Verfahren zur Herstellung solcher Verbindungen Die Erfindung betrifft ein vorzugsweise in Silizium-Mikromechanik hergestelltes elektrisches Bauelement, mit einer Siliziumlage und einer weiteren Lage aus Silizium oder Glas, die sandwichartig zusammengefügt sind, wobei zwischen den Lagen an mindestens einer Stelle eine mechanisch feste und dauerhafte Verbindung hergestellt ist.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Silizium/Material, insbesondere Silizium/Silizium- oder Silizium/Glas-Verbindungen unter Verwendung von Laserstrahlung, bei dem Siliziumlagen oder Glas- und Siliziumlagen an einer ebenen Fügezone miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ist insbesondere zur Herstellung des genannten Bauelementes einsetzbar.
  • Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE 42 19 132 A1 bekannt.
  • Bauelemente der Mikroelektronik, der Mikrosystemtechnik und moderne Sensoren werden meist in Silizium-Mikromechanik hergestellt. In vielen Fällen ist es dabei üblich, aus Schutzgründen eine Siliziumkappe auf das Silizium-Bauelement aufzubringen. In anderen Anwendungen soll das Silizium-Bauelement mit einem Glassockel verbunden werden. Die dazu erforderlichen Silizium/Silizium- oder Silizium/Glas-Verbindungen zwischen den Wafern bzw. im Bauelement sind in Anbetracht der geforderten Festigkeit und Dauerhaftigkeit nicht ohne weiteres zu realisieren.
  • Bekannte Silizium/Glas-Verbindungen werden typischerweise mittels eines anodischen Bondverfahrens durchgeführt, bei dem jedoch der ganze Wafer erheblichen elektrischen Spannungen (ca. 500 V bis 1000 V) und Temperaturen (ca. 500 °C) ausgesetzt wird. Auch Silizium/Silizium-Verbindungen können mittels direkter Bondverfahren, insbesondere dem Fusionsbonden, erzeugt werden, wobei jedoch wiederum eine aufwendige bzw. problematische Verfahrensführung notwendig wird.
  • Silizium/Silizium-Verbindungen werden heute jedoch meist mit Hilfe einer Fügeschicht, beispielsweise einer Sealingglasoder einer Kleberschicht, hergestellt. Neben dem generellen Nachteil einer zusätzlichen Hilfsschicht ergeben sich hierbei oft Prozessprobleme, beispielsweise eine Kontamination in der Waferfertigung. Auch in der weiteren Verarbeitung können Probleme auftreten, wie zum Beispiel beim Sägen der Wafer oder durch die von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügeschicht und der Lagen hervorgerufenen mechanischen Verspannungen.
  • Das aus der oben genannten DE 42 19 132 A1 bekannte Verfahren setzt primär ein Hochtemperaturbonden ein, um die Lagen fest miteinander zu verbinden. Lediglich im Rahmen der dafür notwendigen Justierung wird eine Vorfixierung vorgeschlagen, die mit Hilfe einer beispielsweise durch eine fokussierte Xenonlampe oder einen Laserstrahl gegebenen intensiven Lichtstrahlung eine lokale Anheftung der beiden Lagen durch deren Erwärmung hervorbringt. Wenn mit einem durch eine Glasschicht auf die Grenzschicht zwischen Glas und Silizium gerichteten Laserstrahl gearbeitet wird, so kann im sichtbaren Bereich liegende Laserstrahlung eingesetzt werden. Ansonsten, also bei Silizium/Silizium-Lagen, muss gemäß der genannten Veröffentlichungsschrift der Laser eine Wellenlänge größer 1 μm aufweisen, also im so genannten fernen Infrarotbereich liegen. Das in diesem Wellenlängenbereich intransparente Silizium der dem Laser zugewandten Lage wird demnach in diesem Fall nicht durchstrahlt, sondern von der Oberfläche her nach in nen, bis zur Fügeebene, d. h. bis zum Berührungsbereich mit der zweiten Silizium-Lage, durchgewärmt. In jedem Fall muss die endgültige Befestigung durch ein anschließendes reguläres Bondverfahren gewährleistet werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein elektrisches Bauelement bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die feste und dauerhafte Verbindung der Lagen, insbesondere zweier Silizium-Lagen, ohne Verwendung einer Hilfsschicht und gleichzeitig ohne globale Temperaturbelastung des Bauelementes bzw. des Wafers möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird in diese Aufgabe bei einem Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Lagen fügeschichtfrei mittels einer Laserverschweißung verbunden sind, wobei mindestens eine der Lagen eine so hohe Transparenz aufweist, dass die Lagen mittels einer Laserstrahlung, deren Leistungsdichte in der Fügeebene zwischen den Lagen bis zu einer dort zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien durch Absorption ausreichenden Leistungsdichte lokal erhöht ist, verschweißbar sind.
  • Die Erfindung beruht zunächst auf dem Gedanken, die Eigenschaft insbesondere des Siliziums, für Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich weitgehend durchsichtig zu sein, nutzbar zu machen. Ein Laserschweißen im Durchstrahlverfahren würde dann allerdings voraussetzen, dass die Absorption lokal durch Einbringen eines anderen Materials erhöht würde. Konkret würde dies eine – unerwünschte – zusätzliche Absorptionsschicht an der Fügeebene erfordern.
  • Demgegenüber wird erfindungsgemäß die weitere Eigenschaft ausgenutzt, dass – auch bei weitgehender Transparenz – ein gewisser Anteil der Strahlung auch im Silizium selbst absorbiert wird. Sofern die eingestrahlte Leistungsdichte gering ist, wird die Strahlung im Wesentlichen einfach transmit tiert, es tritt somit nur eine geringe Erwärmung im Silizium auf. Erst bei hinreichend hoher Leistungsdichte wird die zugeführte Energie ausreichen, um das Silizium bzw. Silizium und Glas aufzuschmelzen.
  • Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, die Leistungsdichte lokal zu erhöhen, indem mit konvergenter Strahlung gearbeitet wird. Der Fokus der Laserstrahlung wird dabei so gesetzt, dass er in der Schweißebene liegt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieses Bauelementes sieht vor,
    – dass in der Siliziumlage eine oberflächenmikromechanischer Struktur hergestellt ist,
    – dass in der weiteren Lage eine dazu komplementäre Kavernenstruktur hergestellt ist, wobei die Lagen so zusammengefügt sind, das mindestens die oberflächenmikromechanischer Struktur, jedoch nicht die vollständige Siliziumlage, von der Kavernenstruktur der weiteren Lage abgedeckt ist,
    – und dass die Lagen auf gegenüberliegenden Seiten der Kavernenstruktur, im Berührungsbereich zwischen diesen Lagen, an jeweils mindestens einer Stelle miteinander verschweißt sind.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren der eingangs genannten Art welches vorsieht,
    – dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge des Laserlichtes verwendet wird, die in der ersten – der Laserstrahlung zugewandten – Lage überwiegend transmittiert und zu einem geringeren Teil absorbiert wird,
    – dass konvergente Laserstrahlung verwendet wird, wobei der Fokus der Laserstrahlung in die Fügeebene zwischen den Lagen gesetzt wird, und wobei die Leistungsdichte der Laserstrahlung so gewählt wird, dass nur im Fokus genügend Energie zum stellenweisen Aufschmelzen der Lagen- Materialien durch einen absorbierten Anteil dieser Energie zur Verfügung gestellt wird,
    – so dass die Lagen durch eine wenigstens stellenweise erfolgte Laserverschweißung fest miteinander verbunden werden.
  • Die konvergente Laserstrahlung kann dabei unkompliziert mittels einer Verfahrensvariante erzeugt werden, bei der die Laserstrahlung vor Eintritt in die erste Lage mittels einer Aufweitungsoptik zu einem parallelen Strahl mit größerem Durchmesser und geringerer Leistungsdichte aufgeweitet wird, und bei der dieser Laserstrahl anschließend auf einen Punkt in der Fügeebene fokussiert wird, so dass die nunmehr konvergente Laserstrahlung erst in der Fügeebene mit maximaler, zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien ausreichender, Leistungsdichte zur Wirkung kommt.
  • Ebenso möglich ist eine zweite Verfahrensvariante, bei der mindestens zwei Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen zu einem Fokus in der Fügeebene konvergieren, wobei die Leistungsdichten der einzelnen Laserstrahlen so ausgelegt sind, das erst die totale Leistungsdichte im Fokus zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien ausreicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
  • 1 bis 3 jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittansicht drei aufeinander folgende Herstellungsstadien eines erfindungsgemäßen Bauelementes gemäß einer ersten Verfahrensvariante,
  • 4, in gleicher Darstellung, das Verfahrensstadium entsprechend 2, jedoch gemäß einer zweiten Verfahrensvariante.
  • 1 zeigt beispielshalber eine obere Lage 1 aus Silizium, an deren Unterseite eine Kavernenstruktur 2 geöffnet ist. Darunter, in 1 noch getrennt von der oberen Lage 1, ist eine weitere, untere Siliziumlage 3 erkennbar.
  • Die obere Lage 1 kann in Form eines Wafers oder eines Einzel- chips oberhalb der zweiten Siliziumlage 3 positioniert werden, wobei in jedem Fall die Kavernenstruktur 2 der Lage 1 über der vorzugsweise oberflächenmikromechanisch erzeugten Struktur 4 der Lage 3 zu liegen kommt.
  • 2 zeigt die beiden Lagen 1 und 3 in zusammengefügtem Zustand mit der Fügeebene 5. In einer ersten Verfahrensvariante können die beiden Lagen 1 und 2 seitlich der Kavernenstruktur 2, gleichzeitig oder nacheinander, mit fokussierter Laserstrahlung 6 verschweißt werden.
  • Der Ausgangsstrahl kann dazu mittels eines an sich bekannten Strahlaufweiters (nicht dargestellt) zunächst aufgeweitet werden. Der resultierende, kollimierte Strahl kann durch eine in den Strahlengang des Lasers eingefügte fokussierende Optik auf einen Ort in einer gewünschten Tiefe innerhalb der Lagen 1 und 3 fokussiert werden. Zum Verschweißen wird der Fokus 12 in die Fügeebene 5 oder in deren unmittelbare Nähe gesetzt. Die Siliziumlage 3, also das Substrat des Bauelementes, besitzt eine Dicke von ca. 0,6 mm.
  • Da die Silizium/Glas-Lagen aus dem gleichen bzw. einem sehr ähnlichen Material bestehen, kommt es in Hinsicht auf die thermische Ausdehnung zu keinen Problemen.
  • Einer der beiden Wafer bzw. Lagen 1 und 3 kann aus z.B. Glas oder einem Material bestehen, das mit Silizium thermisch ver bindbar ist, bestehen. Beide Lagen 1 und 3 können auf den einander zugewandten Flächen eine oder mehrere Strukturen 4 beispielsweise mit Silizium, Oxid, Nitrid, Metall aufweisen, wie sie typischerweise in der Oberflächenmikromechanik erzeugt werden. Ebenso gut möglich ist aber auch die Verbindung von in Bulk-Mikromechanik hergestellten Drucksensoren zu Glassockeln.
  • 3 zeigt das durch die zwei Schweißpunkte 8 und 9 fertig verbundene Bauelement. Die obere Siliziumlage 1 bildet dabei eine festsitzende Kappe auf der strukturierten Siliziumlage 3, wobei die Kappe, anders als hier dargestellt, ohne weiteres auch nur einen Teil der Oberfläche der unteren Siliziumlage 3 abdecken kann. Jedenfalls muss außerhalb der Kavernenstruktur 2 noch ein Berührungsbereich 7 vorhanden sein, in dem die Verschweißung stattfinden kann.
  • Erfindungsgemäß ist keine Hilfs- bzw. Fügeschicht erforderlich. In der Siliziumkappe 1 wird zwar etwas von der konvergenten Laserstrahlung 6 absorbiert, die Leistungsdichte ist aber zu gering, um eine signifikante Erwärmung der Siliziumkappe 1 zu bewirken. Erst in der Schweißebene, genauer: in der Fügeebene 5, wird die im Fokus 12 konzentrierte Leistungsdichte so hoch, dass das Lagen-Material aufschmilzt und eine Verbindung zwischen den Lagen bzw. zwischen den Wafern ausgebildet wird.
  • In einer zweiten Verfahrensvariante ist eine lokale Erhöhung der Leistungsdichte durch zwei Laserstrahlen 10 und 11, vgl. 4, die sich in der Fügeebene 5 treffen, möglich.
  • Sollen nicht nur einzelne Schweißpunkte 8 und 9, sondern eine bereichsweise Verbindung 13, vgl. 4, erzeugt werden, so sind von der Fügestrategie her verschiedene, an sich bekannte Varianten durchführbar: Möglich ist ein Konturschweißen, bei dem die Schweißbahn mit der konvergenten Laserstrahlung (einmal) langsam abgefahren wird, oder ein Quasi-Simultan-schweißen , bei dem der Laser beispielsweise über einen Scannerspiegel so schnell umläuft, dass die gesamte Schweißfläche quasi simultan erwärmt wird.
  • Ebenso möglich ist ein Maskenschweißen, bei dem die nicht zu schweißenden Bereiche mit einer Maske abgedeckt werden, die in den Strahlengang des Lasers vor das Bauelement, also außerhalb der Fügeebene 5, positioniert wird. Der Laserstrahl wird dabei über die Maske geführt, so dass in der Fügeebene 5 eine bereichsweise Verbindung 13 der Lagen 1 und 3 hergestellt wird. Beim Maskenschweißen sind allerdings keine geschlossenen Konturen möglich.
  • Die Dauer des Schweißvorganges ist abhängig von der Dotierung der Lagen 1 und 3 und der erforderlichen Temperatur und bewegt sich in der Größenordnung von einigen Sekunden.

Claims (8)

  1. Elektrisches Bauelement, insbesondere mikromechanischer Silizium-Chip, mit einer Siliziumlage (3) und einer weiteren Lage (1) vorzugsweise aus Silizium oder Glas, die sandwichartig zusammengefügt sind, wobei zwischen den Lagen (1, 3) an mindestens einer Stelle eine mechanisch feste und dauerhafte Verbindung (8, 9) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (1, 3) fügeschichtfrei mittels einer Laserverschweißung verbunden sind, wobei mindestens eine der Lagen (1, 3) eine so hohe Transparenz aufweist, dass die Lagen (1, 3) mittels einer Laserstrahlung (6, 10, 11), deren Leistungsdichte in der Fügeebene (5) zwischen den Lagen (1, 3) bis zu einer dort zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien durch Absorption ausreichenden Leistungsdichte lokal erhöht ist, verschweißbar sind.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Siliziumlage (3) eine oberflächenmikromechanischer Struktur (4) hergestellt ist, – dass in der weiteren Lage (1) eine dazu komplementäre Kavernenstruktur (2) hergestellt ist, wobei die Lagen (1, 3) so zusammengefügt sind, das mindestens die oberflächenmikromechanischer Struktur (4), jedoch nicht die vollständige Siliziumlage (3), von der Kavernenstruktur (2) der weiteren Lage (1) abgedeckt ist, – und dass die Lagen (1, 3) auf gegenüberliegenden Seiten der Kavernenstruktur (2), im Berührungsbereich (7) zwischen diesen Lagen (1, 3), an jeweils mindestens einer Stelle (8, 9) miteinander verschweißt sind.
  3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das in der Siliziumlage (3) eine Drucksensorstruktur in Bulk-Mikromechanik hergestellt ist, und dass die weitere Lage (1) aus Glas besteht.
  4. Verfahren zum Herstellen von Silizium/Material, insbesondere Silizium/Silizium- oder Silizium/Glas-Verbindungen unter Verwendung von Laserstrahlung, bei dem Siliziumlagen (1, 3) oder Glas- und Siliziumlagen (1, 3) an einer ebenen Fügezone (5) miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, – dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge des Laserlichtes verwendet wird, die in der ersten – der Laserstrahlung zugewandten – Lage (1) überwiegend transmittiert und zu einem geringeren Teil absorbiert wird, – dass konvergente Laserstrahlung (6, 10, 11) verwendet wird, wobei der Fokus (12) der Laserstrahlung (6, 10, 11) in die Fügeebene (5) zwischen den Lagen (1, 3) gesetzt wird, und wobei die Leistungsdichte der Laserstrahlung (6, 10, 11) so gewählt wird, dass nur im Fokus (12) genügend Energie zum stellenweisen Aufschmelzen der Lagen-Materialien durch einen absorbierten Anteil dieser Energie zur Verfügung gestellt wird, – so dass die Lagen (1, 3) durch eine wenigstens stellenweise erfolgte Laserverschweißung (8, 9) fest miteinander verbunden werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung vor Eintritt in die erste Lage (1) mittels einer Aufweitungsoptik zu einem parallelen Strahl mit größerem Durchmesser und geringerer Leistungsdichte auf geweitet wird, und dass dieser Laserstrahl anschließend auf einen Punkt in der Fügeebene (5) fokussiert wird, so dass die nunmehr konvergente Laserstrahlung (6) erst in der Fügeebene (5) mit maximaler, zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien ausreichender, Leistungsdichte zur Wirkung kommt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das mindestens zwei Laserstrahlen (10, 11) aus verschiedenen Richtungen zu einem Fokus (12) in der Fügeebene (5) konvergieren, wobei die Leistungsdichten der einzelnen Laserstrahlen (10, 11) so ausgelegt sind, das erst die totale Leistungsdichte im Fokus (12) zum Aufschmelzen der Lagen-Materialien ausreicht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung (6, 10, 11) mit einer Wellenlänge des Laserlichtes im nahen Infrarotbereich verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Technik des Konturschweißens, des Quasi-Simultan-schweißens oder des Maskenschweißens der Laserstrahl (6, 10, 11) so geführt wird, dass eine bereichsweise Verbindung (13) der Lagen (1, 3) hergestellt wird.
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