DE4006108A1

DE4006108A1 - Verfahren zum aufbau von mikromechanischen bauelementen in dickschichttechnik

Info

Publication number: DE4006108A1
Application number: DE19904006108
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl I Roethlingshoefer; Horst Dipl Phys Dr Muenzel; Helmut Dipl Phys Dr Baumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 1991-08-29
Also published as: WO1991013470A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau mikromechanischer Bauelemente nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In Albaugh, K.B., "Mechanism of Anodic Bonding of Silicon to Pyrex- Glass" wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Glasplatten aus Cor ning 7740, bei Temperaturen von 250°C bis 330°C unter Spannungen von 500 bis 1000 V gegen Siliziumscheiben gebondet werden. Die Zusam mensetzung des Glases muß so gewählt sein, daß der thermische Aus dehnungskoeffizient dem von Silizium nahekommt.

Aus Younger, P.R., "Hermetic Glass Sealing by Electrostatic Bonding" ist ferner bekannt, daß der Ausdehnungskoeffizient von Corning 7070 Glas sich im Temperaturbereich 20°C bis 150°C nicht wesentlich von dem von Corning 7740 Glas unterscheidet, für höhere Temperaturen aber besser an den Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepaßt ist. Trotz guter Anpassung an die Eigenschaften des Siliziums ent stehen durch den unsymmetrischen Aufbau der mikromechanischen Bau elemente mechanische Spannungen, die sich z. B. bei piezoresistiven Drucksensoren in Form von Offsets und Temperaturgängen der Kenn linien bemerkbar machen.

In Knecht, T.A., "Bonding Techniques for Solid State Pressure Sensors" wird ein Sandwich-Aufbau für Drucksensoren aus Silizium/ Glas/Silizium vorgestellt. Hierfür wird im Sputterverfahren auf einen Wafer ein Dünnschichtglasfilm aufgetragen und anschließend ein zweiter Wafer gegengebondet. Da die Dicke der Glasschicht klein gegenüber den Dicken der Siliziumplatten ist, kommen die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursachten mechanischen Spannungen nicht so stark zum Tragen. Dafür sorgt auch der symmetrische Aufbau der Sensoren. Bei den dünnen, aufgesputter ten Glasschichten ergeben sich jedoch Probleme hinsichtlich der maximal erreichbaren Schichtdicken, der Defektdichten sowie der Zusammensetzung der Glasschichten. Die erzielbare Sputterrate der Gläser ist zu niedrig, um im Fertigungsmaßstab Glasschichten von 5 bis 10 µm Dicke zu erzeugen. Bei höheren Sputterraten reicht die Zusammensetzung der aufgestäubten Schichten vom Targetmaterial ab, was wiederum die Bondqualität beeinträchtigt.

Es wird außerdem ein Verfahren vorgestellt, bei dem die beiden Wafer über eine Glaspaste, die bei Temperaturen von 320°C bis 650°C und einem Druck von 7 bis 700 kPa gebrannt werden muß, miteinander ver klebt werden ("glass frit seals"). Da bei dem Brennprozeß Lösungs mittel der Glaspaste gasförmig entweichen, lassen sich mit dieser Methode keine evakuierten Hohlräume, beispielsweise für Drucksenso ren, herstellen. Eine weitere Schwierigkeit dieses Verfahrens liegt in der beschränkten Justierung der beiden Siliziumwafer gegeneinan der.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dickere Glasschichten von typisch 10 bis 50 µm in einem kostengünstigen einfachen und zuver lässigen Fertigungsprozeß und mit einer auf die Bedürfnisse des anodischen Bondens ausgerichteten Zusammensetzung auf Siliziumwafern abzuscheiden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem als Stand der Technik bekannten Verfahren den Vorteil, daß die in Dickschichttechnik erzielbaren Glasschichten mit Dicken von typisch 10 bis 50 µm bei mehreren Lagen bis 1000 µm sich zuverlässig und mit geringerer Defektdichte als die bisher verwendeten Dünnschichtfilme bonden lassen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfah rens möglich. Ein besonderer Vorteil ist, daß sich die im Siebdruck verfahren verwendeten Pasten sowohl unstrukturiert als auch struktu riert auftragen lassen. Dies erspart gegenüber anderen Techniken eine Reihe von Prozeßschritten. Besonders vorteilhaft ist, daß sich die Zusammensetzung der im Siebdruckverfahren mittels einer Paste aufgebrachten Glasschicht gezielt variieren läßt, beispielsweise so, daß sich über die Zusammensetzung die Eigenschaften der Glasschicht bezüglich des Bondprozesses positiv verändern. Eine weitere vorteil hafte Möglichkeit der Variation der Eigenschaften der Glasschicht besteht in der Wahl der Brenntemperatur, über die die Mikrostruktur und die chemischen Eigenschaften der Glasschichten eingestellt wer den können.

Ein wesentlicher Vorteil des vorgestellten Verfahrens und der damit gefertigten Bauelemente stellt die Möglichkeit dar, daß neben dem die mikromechanischen Strukturen tragenden Siliziumwafer auch der Gegenwafer, auf den der Dickschichtfilm aufgebracht wird, struktu riert sein kann. Dadurch entsteht ein neuer Freiheitsgrad für das Design der Sensorstrukturen, mit dem sich vorteilhaft vergrabene Kontaktdurchführungen realisieren lassen. Vorteilhaft ist auch, daß sich das Aufbauverfahren auf Wafer anwenden läßt, in die bereits elektrische Bauelemente integriert sind.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 bis 4 vier verschiedene Ausführungsformen eines mikromechanischen Bauelements.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1 bis 4 ist mit 10 ein Siliziumwafer mit einer mikro mechanischen Struktur, in diesem Falle einer Membran mit einer seismischen Masse 11, bezeichnet. Der Siliziumwafer 10 ist über eine Bondfläche 21 einer Dickschicht 20, die auf einen Siliziumgegenwafer 25 aufgebracht ist, gebondet. Vor der Abscheidung von Dickschichten auf Siliziumplatten wird der Wafer zur Haftverbesserung thermisch behandelt und/oder mit einer Haftvermittlerschicht überzogen. Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Haftvermittlerschicht mit 30 bezeichnet. Im Siebdruck wird dann eine Dickschichtpaste auf den Wafer aufgebracht. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen geschlossenen Film, durch entsprechende Auslegung des Siebes kann die Schicht aber auch direkt strukturiert aufgebracht werden. Als Dickschichtpasten werden vorzugsweise Glas pasten verwendet, die nach dem Aufbringen getrocknet und gebrannt werden. Typische, in der Hybridtechnik verwendete Brenntemperaturen liegen im Bereich von 800°C bis 900°C. Der Brennvorgang kann aber auch bei niedrigeren Temperaturen von 500°C bis 800°C durchgeführt werden. In diesem Fall verglast die Schicht nicht vollständig, was die Eigenschaften bezüglich des Bondprozesses beeinflußt. Auch das Brennen bei höheren Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C ist möglich. Hier tritt eine Erweichung der Glasschicht mit entsprechen den Veränderungen der Mikrostruktur des Glases ein, die sich auf die Eigenschaften beim anodischen Bonden auswirken. Die eingebrannte Schicht der Dickschichtpaste bildet eine Verbindungsschicht für das anodische Bonden. Diese ist in den Fig. 1 bis 4 mit 20 bezeichnet.

Die Voraussetzung für eine zuverlässige Bindung beim elektrosta tischen Bondprozeß ist eine glatte Oberfläche der zu bondenden Plat ten. Je nach Qualität der Dickschicht ist eine Politur, ein Ab schleifen und/oder eine Reinigung der Oberfläche erforderlich. Die Siliziumwafer werden dann unter Standardbedingungen aneinandergebon det.

In Fig. 1 wird die Verbindungsschicht 20 durch einen geschlossenen Dickschichtfilm gebildet. In Fig. 2 wurde die Dickschichtpaste strukturiert aufgetragen, so daß eine Verbindungsschicht 20 mit ei ner Ausnehmung im Bereich der Sensorstruktur entstanden ist. Fig. 3 zeigt eine Struktur, bei deren Herstellung zwei Dickschichten, eine nichtstrukturierte Schicht 202 und eine strukturierte Schicht 201, aufgebracht wurden. Zusammen bilden sie die Verbindungsschicht 20, die im Sensorbereich eine Vertiefung aufweist. Der Gegenwafer 25 des in Fig. 4 dargestellten Bauelements weist eine Struktur in Form zweier Elektrodensockel 28 und 29 auf. Die Dickschicht 20 ist der gestalt aufgebracht, daß die Elektrodensockel 28 und 29 nicht von ihr bedeckt werden, sondern Inseln in der Dickschicht 20 bilden. Auf diese Inseln sind Metallisierungen 26 und 27 aufgebracht, die wahl weise als Elektroden oder elektrische Anschlüsse der Sensorstruktur dienen. So bilden in Fig. 4 die seismische Masse 11 und die Metal lisierung 26 des Elektrodensockels 28 eine Kapazität. Der Silizium wafer mit mikromechanischer Struktur 10 wird durch die Dick schicht 20 gegen den Gegenwafer 25 isoliert. Die Elektrode 26 kann über den Gegenwafer 25 elektrisch kontaktiert werden oder aber auch von der Oberseite aus über die einen Anschluß bildende Metallisie rung 27. Die Strukturierung des Gegenwafers 25 erlaubt in diesem Falle eine vergrabene Kontaktdurchführung der Elektrode 26. Durch eine Dicke von typisch 10 bis 50 µm der Verbindungsschicht 20 wird eine parasitäre Kapazität im Bereich der Bondfläche im Vergleich zu aufgesputterten Dünnschichtglasfilmen klein gehalten.

Claims

1. Verfahren zum schichtweisen Aufbau mikromechanischer Bauelemente, insbesondere von Sensoren und Aktoren, wobei ein Siliziumwafer mit mikromechanischen Strukturen (10) über mindestens eine Verbindungs schicht (20) mit mindestens einem Siliziumgegenwafer (25) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einen Wafer als Verbindungsschicht Dickschichten, vorzugsweise Glasschichten, im Siebdruckverfahren aufgebracht werden und daß die Siliziumwafer durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sieb druckverfahren eine Paste strukturiert und/oder unstrukturiert auf gebracht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine der Dickschichten eine Glasschicht ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient aufgrund ihrer Zusam mensetzung an den Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepaßt ist, vorzugsweise mit einer Zusammensetzung der Form,
70%-95% SiO₂,
0,5%-3,5% AL₂O₃,
0,5%-10% Na₂O,
0,5%-10% K₂O,
5%-30% B₂O₃ und,
0%-2% andere Stoffe,
und daß die Zusammensetzung der Glasschicht einen anodischen Bond prozeß ermöglicht.

4. Verfahren nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dicke der Glasschicht zwischen 3 µm und 1000 µm liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einen Wafer aufgebrachte Dickschicht, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 500°C und 1100°C, gebrannt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober fläche der Dickschicht nach dem Brennprozeß poliert, abgeschliffen und/oder gereinigt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Glasdickschicht eine thermische Behandlung des Siliziumwafers erfolgt und/oder eine Haft vermittlerschicht (30) auf den Siliziumwafer aufgebracht wird.

8. Mikromechanisches Bauelement, dessen Aufbau einen Siliziumwafer mit mikromechanischen Strukturen (10) aufweist, der über mindestens eine Verbindungsschicht (20) mit mindestens einem Siliziumgegenwafer (25) verbunden ist, das nach einem Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgegenwafer (25) strukturiert ist.

9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Strukturierung des Siliziumgegenwafers (25) mindestens ein Elektrodensockel (28, 29) freigelegt ist, daß um den mindestens einen Elektrodensockel (28, 29) die Dickschicht (20) auf gebracht ist, so daß der mindestens eine Elektrodensockel (28, 29) eine Insel in der Dickschicht bildet und daß auf die Oberfläche des mindestens einen Elektrodensockels (28, 29) mindestens eine Metall schicht (26, 27) aufgebracht ist.

10. Mikromechanisches Bauelement, dessen Aufbau einen Siliziumwafer mit mikromechanischen Strukturen (10) aufweist, der über mindestens eine Verbindungsschicht (20) mit mindestens einem Siliziumgegenwafer (25) verbunden ist, das nach einem Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 7 aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf min destens einem der Siliziumwafer Bauelemente integriert sind.