DE19520034A1 - Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierender, mechanisch spannungsarmer und permanenter Verbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierender, mechanisch spannungsarmer und permanenter Verbindungen

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DE19520034A1 DE1995120034 DE19520034A DE19520034A1 DE 19520034 A1 DE19520034 A1 DE 19520034A1 DE 1995120034 DE1995120034 DE 1995120034 DE 19520034 A DE19520034 A DE 19520034A DE 19520034 A1 DE19520034 A1 DE 19520034A1
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierender mechanisch spannungs­ armer und permanenter Verbindungen zwischen zu verbindenden Bauteilen. Insbesondere liefert das erfindungsgemäße Verfah­ ren eine neuartige Verbindungstechnik für mikroelektroni­ sche, mikromechanische und mikrooptische Materialien, Bau­ elemente und Komponenten (im folgenden Fügepartner). Das er­ findungsgemäße Verfahren liefert ein neuartiges Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierender Verbindungen von ak­ tiven und passiven Halbleitern, Leitern und Isolatoren.
Es existieren verschiedene Verfahren, die derzeit bei der Aufbau- und Verbindungstechnik mikroelektronischer Systeme zur Herstellung elektrisch isolierender Verbindungen von zu verbindenden Bauteilen verwendet werden.
Eine bekannte Verbindungstechnik ist das anodische Bonden. Das anodische Bonden ermöglicht eine permanente Verbindung von Silizium und Glas durch das Anlegen einer starken elek­ trischen Gleichspannung zwischen Glas und Silizium. Das durch die elektrische Gleichspannung erzeugte elektrische Feld bewirkt ein Wandern von Kationen in die Richtung zu der Kathode. Diese Kationen werden immobil, das heißt sie setzen sich fest, sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird. Dadurch baut sich eine Raumladungszone auf, die bewirkt, daß die elektrostatische Coulomb-Kraft die zu verbindenden Bau­ teile fest zusammenhält. Der Nachteil dieses Verfahrens be­ steht darin, daß eine Spannung in einem Bereich von U = (500 . . . 1000) V angelegt werden muß. Außerdem wird, um die Wanderung der Ionen zu unterstützen, der Wafer auf eine Tem­ peratur von T = (400 . . . 500)°C erwärmt.
Ein weiteres herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier zu verbindender Bauteile besteht darin, herkömmliche Klebstoffe, wie z. B. Zweikomponentenkleber, die auf Epoxidharz oder Polyimid basieren, zu verwenden. Diese Verfahren besitzen den Vorteil einer niedrigen Verarbei­ tungstemperatur, weisen jedoch eine Glasübergangstemperatur von unter TG = 100°C. (Epoxid) bzw. TG = 280°C (Polyimid) auf. Ein weiteres Problem sind Belastungen, die bei der Ver­ wendung von Polyimid durch Schrumpfung induziert werden. Das Vorliegen von Alkali-Ionen, die auf Aluminiumleiterbahnen korrosiv wirken können, stellt ein weiteres Problem dar. Au­ ßerdem ist bei einigen Klebeverfahren ein Druck auf die zu verbindenden Bauelemente notwendig, dem die Bauelemente bzw. Strukturen in der Mikrosystemtechnik nicht ausgesetzt werden dürfen.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein einfaches und wenig aufwendiges Verfahren zur Herstellung elektrisch iso­ lierender, mechanisch spannungsarmer, thermisch unkritischer und permanenter Verbindungen zwischen zu verbindenden Bau­ teilen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstel­ lung elektrisch isolierender, mechanisch spannungsarmer und permanenter Verbindungen zwischen zu verbindenden Bauteilen, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Einbringen von Zusatzstoffen in ein organisch modifiziertes Kieselsäu­ re-Polykondensat oder organisch modifiziertes Kieselsäure- Heteropolykondensat, um Eigenschaften des organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modifi­ zierten -Kieselsäure-Heteropolykondensats einzustellen; Auf­ bringen des organisch modifizierten Kieselsäure-Polykonden­ sats oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykon­ densats auf einen Fügepartner; Auflegen der weiteren Füge­ partner auf das organisch modifizierte Kieselsäure-Polykon­ densat oder das organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropo­ lykondensat; und Aushärten des organisch modifizierten Kie­ selsäure-Polykondensats oder organisch modifizierten Kiesel­ säure-Heteropolykondensats.
Nach dem Schritt des Aufbringens des organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modifizierten Kie­ selsäure-Heteropolykondensats ist es vorteilhaft, den ersten Fügepartner und das aufgebrachte organisch modifizierte Kie­ selsäure-Polykondensat oder organisch modifizierte Kiesel­ säure-Heteropolykondensat einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen unter 100°C zu unterziehen, um etwaiges Restlö­ sungsmittel aus dem organisch modifizierten Kieselsäure-Po­ lykondensat oder organisch modifizierten Kieselsäure-Hetero­ polykondensat zu treiben.
Durch das Einbringen von Zusatzstoffen in das organisch mo­ difizierte Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifi­ zierte Kieselsäure-Heteropolykondensat vor dem Aufbringen desselben auf das erste zu verbindende Bauteil können Para­ meter desselben eingestellt werden, um eine Schicht defi­ nierter Viskosität zu erhalten, die geeignet ist, eine Ver­ bindung von Fügepartnern mit günstigen Eigenschaften zu er­ halten. Diese Zusatzstoffe können Amine und Lösungsmittel sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es erstmalig, be­ liebige Kombinationen von metallischen, isolierenden oder halbleitenden Oberflächen bei Temperaturen ab T = 80°C mit einer dünnen Verbindungsschicht miteinander zu verbinden. Die niedrige Prozeßtemperatur und die Möglichkeit, sehr dün­ ne Verbindungsschichten zu erhalten, sind für viele Anwen­ dungen in der Mikrosystemtechnik wichtig. In finanzieller Hinsicht ist durch die Erfindung eine wesentliche Reduzie­ rung der Herstellungskosten von Produkten zu erwarten, da teuere Materialien, wie z. B. Polyimid, bzw. Prozesse, wie z. B. die Sputtertechnik, vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber bekannten Verfahren zum Verbinden von zu verbindenden Bauteilen mehre­ re Vorteile auf. Es kann als Niedertemperaturprozeß bei Tem­ peraturen ab T = 80°C durchgeführt werden. Die entstehende Verbindung der Fügepartner ist bis T = 300°C temperaturbe­ ständig. Ferner ist es ein mechanisch druckloses Verbin­ dungsverfahren, wobei auf die zu verbindenden Bauteile kein Druck ausgeübt werden muß. Die Dicke der Verbindungsschich­ ten kann bis in den Sub-Mikrometerbereich reduziert werden. In der Verbindungsschicht werden nur geringe mechanische Ei­ genspannungen erzeugt. Ferner können Verbindungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne das Anlegen elektrischer Spannungen erzeugt werden. Die Klebefuge zeigt eine Durch­ schlagfestigkeit bis zu Feldstärken von max. 400 V/µm. In dem organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensat be­ finden sich keine Alkali-Ionen, die eine korrosive Wirkung ausüben könnten. Schließlich ist das Verfahren kostengünstig und einfach.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Verwendung von organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensaten oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensaten als Verbindungsstoff zur Verbindung von Fügepartnern. Die organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensate oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensate werden durch Zusatzstoffe derart ergänzt, daß die für die Verbindungsbildung notwendigen Eigenschaften der organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensate oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensate, wie z. B. das Elastizitätsmodul, die Fugenbreite und die Maximaltemperatur angepaßt werden können. Es ist wichtig, die geeigneten Sub­ stanzen im richtigen Mischungsverhältnis zu finden, um in Einklang mit dem darauffolgenden Aufbringungsverfahren und der folgenden Temperaturbehandlung eine viskose Schicht zu erhalten, die geeignet ist, die zu verbindenden Bauteile mit den oben beschriebenen günstigen Eigenschaften zu verbinden.
Zum Einstellen der Parameter haben sich Amine, wie z. B. N- Methyldiethanolamin (N-MDEA), N-Benzyldimethylamin, Diethy­ lentriamin (DETA), Hexahydrophthalsäureanhydrid und Isopro­ pylthioxanthon (IPT), als vorteilhaft erwiesen. Um die Schichtdicke einzustellen, können ferner Lösungsmittel, wie z. B. Diethylcarbonat (DEC), mit einer Siedetemperatur unter TBP= 160°C verwendet werden.
Das organisch modifizierte Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropolykondensat kann z. B. mittels einer Schleudervorrichtung, in die ein erstes zu verbindendes Bauteil positioniert wird, auf den ersten Fügepartner aufgebracht werden. Das organisch modifizierte Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifizierte Kie­ selsäure-Heteropolykondensat wird bei Drehzahlen zwischen 400 und 8000 U·min-1 mit der gewünschten Dicke aufgeschleu­ dert, wobei im Falle der Verwendung des Lösungsmittels ein Großteil desselben verdampft. Nachfolgend wird eine Tempe­ rung bei Temperaturen unter 100°C durchgeführt, wodurch Restlösungsmittel ausgetrieben wird. Anschließend wird das zweite oder weitere zu verbindende Bauteile auf die Viskose­ schicht, die aus dem organisch modifizierten Kieselsäure-Po­ lykondensat oder organisch modifizierten Kieselsäure-Hetero­ polykondensat und eventuell verwendeten Zusatzstoffen be­ steht, aufgelegt. Die Verbindungsschicht wird abschließend bei Temperaturen bis zu 300°C ausgehärtet.
Ein Ausführungsbeispiel behandelt die Problematik, Druck­ sensoren, die als dreidimensional geätzte Strukturen mit elektronischen Schaltkreisen in Silizium vorliegen, auf ein Substrat zu kleben, das ganzflächig mit Bohrlöchern von 1,7 mm Durchmesser versehen ist. Die maximale zukünftige Ein­ satztemperatur des Mikrosystems beträgt 120°C. Zum Herstel­ len der Verbindung zwischen den Drucksensoren und dem Sili­ ziumsubstrat wurde ein Verbindungsstoff, d. h. ein organisch modifiziertes Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modi­ fiziertes Kieselsäure-Heteropolykondensat mit Zusatzstoffen, mit einer geringen Viskosität gewählt, um ein Zufließen der Bohrungen zu verhindern. Aus diesem Grund wurde das orga­ nisch modifizierte Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropolykondensat zu gleichen Teilen mit Diethylcarbonat (DEC) als Lösungsmittel verdünnt. DEC besitzt eine Siedetemperatur von 121°C. Aufgrund seiner nicht allzu niedrigen Siedetemperatur ermöglicht dieses Lö­ sungsmittel geringe Schichtdicken. Ferner wurden dem orga­ nisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensat oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensat 3% N-MDEA und IPT hinzugefügt, um den Aushärtungsvorgang beim abschließen­ den Aushärtungsschritt zu beschleunigen und andererseits das Elastizitätsmodul zu vergrößern, um eine Druckfestigkeit der Verbindungsschicht zu gewährleisten, was bei herkömmlichen Verfahren nicht gegeben war.
Das modifizierte organisch modifizierte Kieselsäure-Polykon­ densat oder organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropoly­ kondensat wurde bei 4000 U·min-1 für 90 Sekunden aufge­ schleudert. Der nachfolgende Temperschritt wurde bei 70°C für 5 Minuten auf einer Heizplatte durchgeführt. Auf das Auflegen der Drucksensoren folgte der Aushärtungsschritt. Um einen allzu großen Temperaturgradienten zu vermeiden, wurde das Mikrosystem in Abständen von 5 Minuten zunächst auf 100°C, dann auf 130°C und schließlich auf 150°C erhitzt, um bei der letztgenannten Temperatur für 6 Stunden ausgehärtet zu werden. Die Temperatur von 150°C wurde bewußt gewählt, um zu gewährleisten, daß das System den spezifizierten Arbeits­ bereich sicher einhalten kann.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, elektrisch isolierende, mechanisch spannungsarme, Tempera­ tur-unkritische und permanente Verbindungen zwischen zu ver­ bindenden Bauteilen einfach und kostengünstig herzustellen. Es ist ferner möglich, extrem dünne Verbindungsschichten herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann verwendet werden, um alle Kombinationen von metallischen, isolierenden oder halbleitenden Oberflächen miteinander zu verbinden. Da­ bei sind die niedrige Prozeßtemperatur und die Fähigkeit, sehr dünne Verbindungsschichten zu erhalten, für viele An­ wendungen in der Mikrosystemtechnik wichtig. Da teuere Ma­ terialien bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht benötigt werden, stellt die Erfindung bezüglich bekannter Verfahren ferner eine Verbesserung im finanziellen Bereich dar.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierender, me­ chanisch spannungsarmer und permanenter Verbindungen zwischen zu verbindenden Bauteilen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • 1.1 Einbringen von Zusatzstoffen in ein organisch mo­ difiziertes Kieselsäure-Polykondensat oder orga­ nisch modifiziertes Kieselsäure-Heteropolykonden­ sat, um Eigenschaften des organisch modifizierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Heteropolykondensats einzu­ stellen;
  • 1.2 Aufbringen des organisch modifizierten Kieselsäu­ re-Polykondensats oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats auf ein erstes zu verbindendes Bauteil;
  • 1.3 Auflegen eines zweiten oder weiterer zu verbinden­ der Bauteile auf das organisch modifizierte Kie­ selsäure-Polykondensat oder organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropolykondensat; und
  • 1.4 Aushärten des organisch modifizierten Kieselsäu­ re-Polykondensats oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
  • 2.1 Tempern des ersten zu verbindenden Bauteils und des auf dasselbe aufgebrachten organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats vor dem Schritt 1.3.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eigenschaften des organisch modifizierten Kie­ selsäure-Polykondensats oder organisch modifizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats, die eingestellt wer­ den, das Elastizitätsmodul, die Fugendicke und das Tem­ peraturverhalten des ausgehärteten organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modi­ fizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats, sowie die Aushärtungszeit des organisch modifizierten Kieselsäu­ re-Polykondensats oder organisch modifizierten Kiesel­ säure-Heteropolykondensats einschließen.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe Amine, Hexahydrophthalsäurean­ hydrid oder Isopropylthioxanthon sind.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amine aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind:
N-Methyldiethanolamin (N-MDEA), N-Benzyldimethylamin und Diethylentriamin (DETA).
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe ferner ein Lösungsmittel mit einer Siedetemperatur unter TBP = 160°C aufweisen.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel Diethylcarbonat (DEC) ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das organisch modifizierte Kieselsäure-Polykonden­ sat oder organisch modifizierte Kieselsäure-Heteropoly­ kondensat mittels eines Schleuderverfahrens bei Dreh­ zahlen von 400 bis 8000 U/min in einer gewünschten Dicke aufgebracht wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung des ersten zu verbindenden Bauteils und des auf dasselbe aufgebrachten organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modi­ fizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats bei Tempera­ turen unter 100°C durchgeführt wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten des organisch modifizierten Kiesel­ säure-Polykondensats oder organisch modifizierten Kie­ selsäure-Heteropolykondensats bei Temperaturen bis zu 300°C durchgeführt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Aushärten des organisch modifi­ zierten Kieselsäure-Polykondensats oder organisch modi­ fizierten Kieselsäure-Heteropolykondensats schrittweise erhöht wird, um einen großen Temperaturgradienten zu vermeiden.
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