DE4140404A1 - Bondverfahren fuer die aufbau- und verbindungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bondverfahren für die Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung von mikromechanischen Bauteilen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Der Aufbau- und Verbindungstechnik kommt bei der Herstellung mikro­ mechanischer Bauteile eine besondere Bedeutung zu, da die neuen Entwick­ lungen der Mikrosystemtechnik die Integration vieler verschiedener Kompo­ nenten unterschiedlichen Materials auf ein Halbleitersubstrat, z. B. Silizium erfordern.

Das große Problem bei der Montage von Bauelementen der Mikromechanik bzw. Mikrosystemtechnologie stellen mechanische Spannungen dar, die durch Temperaturgradienten und unterschiedliche thermische Ausdehnungs­ koeffizienten der verwendeten Werkstoffe induziert werden.

Neben diesem grundsätzlichen Problem treten bei den herkömmlichen Verbin­ dungstechniken, wie beispielsweise eutektisches oder anodisches Bonden und "Glas sealing", Prozeßtemperaturen zwischen 400°C und 650°C auf. Nur das Löten erlaubt niedrigere Prozeßtemperaturen, wobei jedoch ein mögliches Kriechen und Ausgasen des Lötzinns auf optische Flächen verhindert werden muß.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Aufbau- und Verbindungs­ techniken liegt in der begrenzten Zahl von Materialien, welche mit einer Bondtechnik verbunden werden können. Bei der Herstellung komplexer mikro­ mechanischer Strukturen, welche viele unterschiedliche Materialien ent­ halten, kann somit die Verwendung mehrerer Verbindungstechniken für einen Bearbeitungsfall erfordern. Weiterhin ist aufgrund des apparativen Auf­ wands eine Justage der einzelnen Komponenten beim Verbinden - wenn über­ haupt - nur schwer realisierbar. Beim Aufbringen optischer Komponenten auf ein Halbleitersubstrat ist jedoch häufig eine solche "on line"-Justage unerläßlich.

Ein weiterer zu beachtender Punkt beim Aufbau komplexer Mikrosysteme ist die elektrische Isolation der Bauteile gegen das Trägersubstrat, was die Verwendung isolierender Schichten nötig macht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, womit sich bei erheblich reduziertem apparativen Aufwand eine universelle Methode für den Aufbau komplexer Mikrosysteme ergibt, die hohe Prozeßtemperaturen vermeidet, das Problem thermisch induzierten mechanischen Stresses ausschließt und eine "on-line-Justage" ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild einer hardwareseitigen Ausführung des vorgeschla­ genen Verfahrens in vereinfachter Darstellung,

Fig. 2 ein Schemabild des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines Mikrofestkörperlasers in vereinfachter Darstellung.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren beruht auf der Haftung von Ober­ flächen, die auf etwa 50 nm plangenau sind. Dies wird allgemein als "optische Kontaktierung" bezeichnet und ist in der Optik bekannt. Probleme ergeben sich jedoch in diesem Fall durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Einzelkomponenten.

Dem Problem der thermisch induzierten mechanischen Spannungen begegnet das nachfolgend beschriebene Verfahren des Kontaktierens, allgemein ausge­ drückt, durch Aufbringung einer Schicht zwischen den zu verbindenden Komponenten. Das vorgeschlagene Verfahren sieht hierzu vor, die Komponen­ ten - in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind es diejenigen eines Mikrofestkörperlasers - und das Substratmaterial an den äußerst planen Kontaktflächen F1 und F2 durch ein "Ion-plating"-gestütztes Beschichtungs­ verfahren mit einer Schicht S aus beispielsweise SiO₂ zu versehen. Die so behandelten Komponenten A und B werden nun miteinander kontaktiert, was zu einer dauerhaften und festen Verbindung führt.

"Ion-plating"-gestützte Beschichtungsanlagen sind Stand der Technik und seit mehreren Jahren im Handel. Die Beschichtung mittels des "Ion-plating"-gestützten Verfahrens ermöglicht nun, daß Schichten konstan­ ter Dicke auf einer Vielzahl von unterschiedlichen Substraten erzeugt werden können, welche - im Gegensatz zur anderen Beschichtungen des Standes der Technik - kein hygroskopisches Verhalten zeigen. Prinzipiell ist auch jede andere Beschichtungsart, wie beispielsweise Epitaxie, geeignet, falls sie die Möglichkeit eines homogenen Schichtaufbaus auf vielerlei Substraten ermöglicht.

Die Beschichtung mittels Ion-plating bringt jedoch weitere Vorteile mit sich, die sich positiv auf die Probleme der hier angesprochenen Aufbau- und Verbindungstechnik auswirken. Zum einen weisen derartige Schichten eine sehr hohe Haftung auf dem Substratmaterial auf, weshalb die beschichteten Komponenten hohen Temperaturschwankungen unterzogen werden können, und zwar sind Temperaturen bis 500°C erreichbar.

Die "aufgewachsenen" Schichten - beispielsweise aus SiO₂ - weisen eine hervorragende Dickenkonstanz auf, so daß die ursprüngliche plane Fläche erhalten bleibt, was sehr wichtig für eine haftende Kontaktierung ist. Die geforderte Planität der zu beschichtenden Flächen von etwa 50 nm kann bei den aufzubringenden Komponenten durch Schleifen, bei Silizium auch durch Ätzen erreicht werden.

Es werden also zwei Schichten gleichen Materials miteinander optisch kontaktiert, was zu einer praktisch perfekten Bindung führt. Vor allem die Probleme des thermisch induzierten Stresses, bedingt durch unterschied­ liche thermische Ausdehnungskoeffizienten der beiden Kontaktflächen werden hiermit umgangen. Die nach dem Ion-plating-Verfahren erzeugten Schichten weisen verfahrensbedingt eine Druckspannung auf, so daß bei Erwärmung der thermische Streß zwischen Substratmaterial und der SiO₂-Schicht sogar noch verringert wird.

Bei dieser vorgeschlagenen Art der Verbindungstechnik sind die mäßig hohen Prozeßtemperaturen auf den Herstellungsprozeß der Einzelkomponenten begrenzt, während bei dem Aufbau eines komplexen Mikrosystems - wie beispielsweise bei dem in Fig. 2 skizzierten Mikro-Festkörperlaser - keine hohen Temperaturen mehr auftreten. Weiterhin ermöglicht das vorgeschla­ gene Verfahren eine "on-line-Justage" der verschiedenen Komponenten, was gerade bei dem Aufbau komplexer hybrider Systeme besonders vorteilhaft ist. Die dauerhafte Verbindung wird bekanntlich alleine durch die nicht mehr lösbare Haftung sehr planer Flächen erreicht, was für die angegebenen Zwecke der Stand der Technik bisher nicht erkannt hat.

Claims (4)

1. Bondverfahren für die Aufbau- und Verbindungstechnik zur Her­ stellung von mikromechanischen Bauteilen, bei denen verschiedene Kompo­ nenten unterschiedlichen Materials auf ein Halbleitersubstrat zu integ­ rieren sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Mikrosystem zu verbindenden Komponenten (A, B) an ihren zueinandergerichteten plan­ polierten Kontaktflächen (1, F2) mit einer mittels des an sich bekann­ ten Ion-plating-Beschichtungsverfahrens aufgebrachten Schicht (S) versehen und anschließend miteinander mechanisch kontaktiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (F1, F2) der zu verbindenden Komponenten (A, B) mit einer Planität von besser als 50 nm versehen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch das Ion-plating-Verfahren aufgebrachte inter­ mediäre Haftschicht aus SiO₂ gebildet wird und das Träger-Substrat­ material (Komponente B) ebenfalls aus Silizium Si besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsschicht (S) auf den zu kontaktierenden Oberflächen eine Druckspannung ausübt.