DE4409068C2

DE4409068C2 - Bondverfahren und damit hergestellte Bondverbindung

Info

Publication number: DE4409068C2
Application number: DE19944409068
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Ing Obermeier; Klaus Holzner; Thomas Diepold
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2014-03-15
Also published as: DE4409068A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bondverfahren zum flächenselektiven hermetisch dichten Verbinden einer oxidierten und mit Metalleiterbahnen versehenen Siliziumschicht mit einer Borosilikatglasschicht und Bondinterface zur Durchführung des Bondverfahrens. Derartig ausgebildete mehrschichtige Strukturen werden erfolgreich in Drucksensoren eingesetzt.

Aus der WO 85/03381 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem eine oberflächenoxidierte Siliziumschicht mit Metalleiterbahnen versehen ist, die eine elektrische Verbindung von im Inneren einer Höhlung angeordneten Schaltungsstrukturen zu außerhalb dieser Höhlung angeordneten Kontaktflächen herstellen. Die Höhlung ist durch eine, flache Ausnehmung in der Glasschicht dargestellt. Die Verbindungsfläche wird durch die die Höhlung umgebenden Wandungen realisiert. Die Siliziumschicht ist im Bereich der Verbindungsfläche mit einer Siliziumoxidschicht konstanter Schichtstärke überzogen. Auf dieser Siliziumoxidschicht sind die Metalleiterbahnen angebracht. Die siliziumseitige Verbindungsfläche weicht somit in Höhe der Schichtstärke der Metalleiterbahnen in der Größenordnung von 100 µm von der Planizität ab. Diese Abweichungen sind während des Bondprozesses nur durch lange Bondzeiten bzw. hohe Bondspannungen kompensierbar. Während des Bondens wird die glasseitige Verbindungsfläche plastisch verformt. Um die Glasschicht in Größenordnungen der Schichtstärke der Metalleiterbahnen verformen zu können, sind ebenfalls lange Bondzeiten sowie hohe Bondspannungen erforderlich.

Weiterhin ist aus der EP 0 310 225 ein Verfahren zur Serienproduktion von kapazitiven Drucksensoren bekannt, bei dem eine mit einer Oxidschicht bzw. Nitritschicht überzogene Siliziumschicht auf eine mit Metalleiterbahnen versehene Glasschicht gebondet wird. Bei diesem Verfahren weicht die glasseitige Verbindungsfläche von der Planizität ab, wobei die Abweichungen während des Bondens durch plastische Verformung der Oxidschicht bzw. Nitritschicht auszugleichen ist. Darüber hinaus ist ein zweischichtiger Aufbau der Metalleiterbahnen erforderlich. Zum Ausgleich der Höhendifferenz, die durch die fehlende Planizität der glasseitigen Verbindungsfläche hervorgerufen ist, ist die siliziumseitige Oxidschicht bzw. Nitritschicht in einer vergleichsweise hohen Schichtstärke zu realisieren. Daraus resultieren allerdings während des Bondens hohe erforderliche Bondspannungen sowie lange Bondzeiten.

Aus der Erfahrung ist jedoch bekannt, daß bei hohen Bondspannungen und langen Bondzeiten die Gefahr besteht, Mikrostrukturen der zu verbindenden Menrschichtanordnung zu beschädigen oder zu zerstören.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine oxidierte und mit Metalleiterbahnen versehene Siliziumschicht mit einer Borosilikatglasschicht flächenselektiv durch anodisches Bonden entlang einer vorgegebenen Bondfläche zu verbinden, dabei eine hohe Bondfestigkeit bei möglichst geringen Bondzeiten und Bondtemperaturen zu erreichen und eine Beschädigung der Metalleiterbahnen sowie geometrische Verformungen der beteiligten Elemente weitgehend zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die siliziumseitige Verbindungsfläche mit einer rahmenartigen Metallisierungsschicht versehen wird. Die Metallisierung der Verbindungsfläche erfolgt in demselben Prozeßschritt wie die Herstellung der Metalleiterbahnen.

Vorteilhafterweise kann die Schichtstärke der Oxidschicht gering gehalten werden, so daß bei moderaten Bondtemperaturen und Bondzeiten eine dichte und feste Bondverbindung zwischen dem Silizium und dem Borosilikatglas erzielt wird.

Darüber hinaus wird durch das Aufbringen der rahmenförmigen Metallisierung an der Verbindungsfläche eine gleichmäßige Potentialverteilung beim Bonden erreicht. Zwischen dem Silizium und dem Borosilikatglas stellt sich ein gleichmäßig verteiltes elektrostatisches Feld ein. Dadurch werden örtliche Feldkonzentrationen vermieden und ein gleichmäßiger Bondprozeß über die Gesamtfläche der Verbindungsfläche erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die der Siliziumschicht gegenüberliegende Glasschicht, die Wandung einer flachen Höhlung ist, wobei die Höhlung sowohl in der Siliziumschicht als auch in der Glasschicht strukturiert sein kann, mit einer Metallschicht versehen. Vorteilhafterweise verhindert diese Metallschicht ein unbeabsichtigtes Anbonden der gegenüberliegenden Wandflächen der flachen Höhlung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung senkrecht zur Bondebene
a) vor dem Bonden und
b) nach dem Bonden

Fig. 2a eine Schnittdarstellung durch ein Glassiliziumglasverbundkörper senkrecht zur Bondebene.

Fig. 2b eine Darstellung der siliziumseitigen Verbindungsfläche

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen dreischichtigen Glassiliziumglasverbundkörper mit metallisierten Glasschichten

Fig. 4 eine Darstellung einer Verbindungsfläche mit einer kreuzenden Leiterbahn,

Fig. 5 eine Darstellung einer Mehrzahl von Verbindungsflächen in einem Wafer

In Fig. 1a ist eine Siliziumschicht 2 dargestellt, deren Oberfläche mit einer Oxidschicht 3 überzogen ist. Die Oxidschicht ist im Bereich der Verbindungsfläche mit einer Metallisierungsschicht 4 versehen. Auf die Oberfläche der Metallisierungsschicht 4 wird die Verbindungsfläche der Glasschicht 1 ausgerichtet. Gemäß Fig. 1b wird die Glasschicht 1 mit der metallisierten Oberfläche der oxidierten Siliziumschicht 2 in mechanischen Kontakt gebracht und durch anodisches Bonden verbunden.

Dazu wird die mehrschichtige Anordnung gemäß Fig. 1b auf eine Heizplatte gelegt, auf eine Temperatur zwischen 350° und 500° Celsius erhitzt und nach dem Anlegen einer Gleichspannung von 600 bis 1000 Volt zusammengefügt.

Dieses Verfahren ist geeignet zur Herstellung von kapazitiven Differenzdrucksensoren, bei denen gemäß Fig. 2a eine Siliziumschicht 2 als strukturierte Membrane ausgeführt ist, die beidseitig mit Glasschichten 1 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Siliziumschicht 2 beidseitig mit Oxidschichten 3 selektiv überzogen, wobei eine rahmenförmige Verbindungsfläche durch Aufbringen jeweils einer Metallisierungsschicht 4 auf die selektive Oxidschicht 3 gebildet wird.

In Fig. 20 ist eine prinzipielle Ansicht der siliziumseitigen Verbindungsfläche dargestellt, die durch die Oberflächenmetallisierungsschicht 4 gebildet ist.

Durch Ausnehmungen aus der Siliziumschicht 2 und selektives Aufbringen einer Oxidschicht 3 auf die Siliziumschicht 2 werden zwischen der Siliziumschicht 2 und jeder Glasschicht 1 Kammern 6 gebildet, die eine Auslenkbarkeit der membranartig ausgeführten Siliziumschicht 2 ermöglichen. Diese Kammern sind sehr flach gegenüber ihrer diagonalen Weite. Um versehentliches Zusammenbonden der Siliziumschicht 2 mit jeder Glasschicht 1 in den flachen Bereichen der Kammern 6 zu verhindern, werden die Glasschichten 1 gemäß Fig. 3 auf der der Siliziumschicht 2 zugewandten Seite mit einer Metallschicht 5 versehen.

Zur Durchführung von Leiterbahnen 11 ist die Metallisierungsschicht 4 gemäß Fig. 4 segmentiert ausgeführt. Dazu werden die einzelnen Segmente der Metallisierungsschicht 4 elektrisch leitend miteinander verbunden, um den Potentialausgleich zwischen den einzelnen Segmenten während des Bondens zu gewährleisten.

In praktischen Versuchen hat sich herausgestellt, daß zur Beibehaltung der vorteilhaften Wirkungen genügt, die Metallisierungsschicht, wie in Fig. 4 dargestellt, streifenförmig dem geometrischen Verlauf der Verbindungsfläche folgend auszuführen. Zweckmäßigerweise ist die streifenförmige Metallisierungsschicht 4 etwa zentriert im geometrischen Verlauf der Verbindungsfläche angeordnet und darüber hinaus mit Stegen 7 versehen, die mindestens bis an den äußeren Rand der Verbindungsfläche geführt sind. Jede Leiterbahn 11 ist an eine außerhalb der Verbindungsfläche gelegene Kontaktierungsinsel 10 geführt.

Bei der Herstellung derartiger Strukturen in einem Wafer sind gemäß Fig. 5 Stege 7 benachbarter Strukturen miteinander verbunden. Darüber hinaus sind Verbindungsrahmen 9 vorgesehen, die entlang von Trennlinien 8 verlaufend angeordnet sind. An die Verbindungsrahmen 9 sind die Kontaktierungsinseln 10 sowie die Stege 7, die aufgrund der geometrischen Anordnung der Strukturen im Wafer nicht mit Stegen 7 benachbarter Strukturen verbindbar sind, angeschlossen.

Bei der Vereinzelung der Strukturen aus dem Wafer entlang der Trennlinien 8 werden die Verbindungsbahnen 9 zerstört, so daß Leiterbahnen 11 untereinander und gegenüber der Metallisierungsschicht 4 in der Einzelstruktur voneinander isoliert sind.

Die Leiterbahnen 11 sind sehr dünn ausgeführt, um die plastische Verformung der glasseitigen Verbindungsfläche und/oder des siliziumseitigen Oxides 3 zu minimieren. In praktischen Versuchen hat sich unter den o. g. Bondparametern herausgestellt, daß ab einer Schichtstärke der Leiterbahn 11 von maximal 50 Nanometer eine hermetisch dichte Bondverbindung erzielbar ist. Insbesondere stellen Leiterbahnen 11 mit einer Schichtdicke von etwa 30 Nanometer wegen ihrer ausreichenden Leitungseigenschaft bei geringer verformungsplastischer Beanspruchung eine bevorzugte Ausführungsform dar.

Claims

1. Bondverfahren zum flächenselektiven, hermetisch dichten Verbinden einer oxidierten und mit Metalleiterbahnen versehenen Siliziumschicht mit einer Borosilikatglasschicht durch anodisches Bonden dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der siliziumseitigen Verbindungsfläche die oxidierte Siliziumschicht (2, 3) mit einer rahmenartigen Metallisierungsschicht (4) von höchstens 50 µm Schichtdicke versehen wird, wobei während desselben Prozeßschrittes die Leiterbahnen (11), von der Metalli sierungsschicht (4) isoliert, mit derselben Schichtdicke erzeugt werden.

2. Bondverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum flächenselektiven Verbinden die der Siliziumschicht (2) zugewandte Fläche der Glasschicht (1), die innerhalb der rahmenförmigen Verbindungsfläche des Glasschicht (1) liegt, mit einer Metallschicht (5) versehen wird.

3. Flächenselektive, hermetisch dichte anodische Bondverbindung zwischen einer oxidierten und mit Metalleiterbahnen versehenen Siliziumschicht und einer Borosilikatglasschicht dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierte Siliziumschicht (2, 3) eine Metallisierungsschicht (4) und eine Schichtdicke von höchstens 50 mm aufweist, die rahmenartig zwischen den Leiterbahnen (11) und von diesen isoliert angeordnet ist.

4. Bondverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsschicht (4) Stege (7) aufweist, die mindestens bis an den äußeren Rand der Verbindungsfläche geführt sind.

5. Bondverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stege (7) benachbarter Strukturen auf einem Wafer miteinander verbunden sind.

6. Bondverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Verbindungsrahmen (9) dem Verlauf von Trennlinien (8) benachbarter Strukturen folgend vorgesehen sind, die mit Stegen (7) im Randbereich des Wafers und mit Leiterbahnen (11) verbunden sind.

7. Bondverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (11) über Kontaktierungsinseln (10) mit den Verbindungsrahmen (9) leitend verbunden sind.

8. Bondverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Schichtstärke der Leiterbahnen (11) und der Metallisierungsschicht (4) höchstens 30 Nanometer beträgt.