DE69217617T2 - Verbindungsverfahren unter Verwendung eines aus mehrfach abwechselnden Gold- und Zinnschichten bestehenden Lotes - Google Patents
Verbindungsverfahren unter Verwendung eines aus mehrfach abwechselnden Gold- und Zinnschichten bestehenden LotesInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren oder ein Bondverfahren und insbesondere ein Verfahren zum Bonden von Bauelementen, die später im Betrieb Wärme erzeugen, wie z.B. Halbleiterlaserbauelemente.
- Bei dem Betrieb von Haibleiterlasern, d.h. bei der Erzeugung optischer Strahlung, wird eine relativ große Wärmemenge erzeugt, die schnell und effizient von dem Bauelement abgeleitet werden muß, damit seine Temperatur nicht auf ein unerwün,scht hohes Maß ansteigt und die Lebensdauer oder die Nutzzeit des Bauelementes unerwünscht verringert wird.
- Das US-Patent 4 772 935 lehrt ein Verfahren zum thermischen Druckbonden einer integrierten Siliziumschaltung an einem Gehäuse, das eine Chiphalterung umfaßt. Bei dem Verfahren werden auf der Hauptfläche eines Siliziumwafers (eines Substrats) nacheinander die folgenden Schichten ausgebildet: 1. eine Haftschicht aus Titan; 2. eine Sperrschicht, die vorzugsweise aus Wolfram besteht; und 3. eine Verbindungsschicht, die vorzugsweise aus Gold besteht. Das Ausbilden der Schichten erfolgt hierbei vor dem Zerschneiden des Siliziumwafers in mehrere Chips. Zudem kann zwischen der Haftschicht aus Titan und der Hauptoberfläche des Wafers zuvor eine vorzugsweise aus Gold bestehende Schicht zum Abbau von Spannungen ausgebildet werden. Anschließend wird das Substrat in mehrere Chips zerschnitten, die jeweils beispielsweise mit einer aus Keramik bestehenden Chiphalterung (der sogenannten "Unterlage" oder der "Montagebasis") verbunden werden. Vor dem Bonden der Chips an die Chiphalterung wird die Hauptfläche der Chiphalterung mit einer Schicht aus Gold beschichtet, die umgekehrt wiederum mit einer aus einem Lötmittel bestehenden Verbindungsschicht beschichtet wird, die vorzugsweise aus einem Gold-Zinn-Eutektikum besteht. Die Aufgabe der Haftschicht besteht darin, das Anhaften der aus Wölfram bestehenden Sperrschicht an das Substrat zu fördern. Die Aufgabe der Sperrschicht besteht darin, die Wanderung des Siliziums aus dem Substrat in die aus Lötmittel bestehende ursprünglich eutektische Verbindungsschicht zu unterdrücken, da diese Wanderung eine unerwünschte Zunahme in der Schmelztemperatur der aus Lötmittel bestehenden Verbindungsschicht bewirkt, so daß während des thermischen Druckbondverfahrens, bei dem die aus Lötmittel bestehende Verbindungsschicht aufgeschmolzen werden muß, um die zu bondende Oberfläche zu benetzen, ein unerwünscht hoher Temperaturanstieg in dem Wafer erforderlich ist. Die Aufgabe der aus Gold bestehenden Bondschicht besteht darin, die Sperrschicht vor einer Oxidation zu schützen, die zu einer Schwächung der entstehenden Bondverbindung führen würde.
- In dem oben genannten Patent ist die aus Lötmittel bestehende Verbindungsschicht zwischen 0,5 und 1,0 × 10&supmin;³ Zoll (12,7 bis 25,4 µm) dick. Eine so große Dicke ist unabhängig von der relativ geringen Dicke anderer Schichten bei Lasern mit einer relativ hohen Leistung (über 100 Milliwatt) nicht erwünscht, da dann eine deutlich höhere thermische Konduktanz und damit eine deutlich geringere Dicke der gesamten entstehenden Bondverbindung zwischen dem Laser und der Chiphalterung erforderlich wäre.
- Wenn man die Gold-Zinn-Lötmittelschicht andererseits jedoch vom Standpunkt einer guten und ausreichenden thermischen Konduktanz ausreichend dünn ausbildet, d.h. etwa 4 µm dick oder weniger, leiden die Oberflächenbereiche des Lötmittels unter einem vorzeitigen Einfrieren (einer Verfestigung) während des Bondverf ahrens, wenn Wärme in einer Menge zugeführt wird, die ausreichend ist, um die Temperatur des Lötmittels auf einen oberhalb seiner Schmelztemperatur liegenden Wert zu erhöhen, der in den Fällen, in denen das Gold-Zinn-Lötmittel eine eutektische Zusammensetzung (80 Gew.-% Gold und 20 Gew.-% Zinn) und damit die erwünschte minimale Schmeiztemperatur aufweist, mehr als 280ºC beträgt. Dieses frühzeitige Einfrieren wird durch eine von der Oberfläche des Lötmittels (das anfänglich eine eutektische oder auch nur eine zinnreiche nahezu eutektische Zusammensetzung aufweist) wegführende Wanderung des Zinns verursacht, wodurch der Schmelzpunkt (der Gefrierpunkt) der Oberflächenbereiche des Lötmittels dramatisch zunimmt (da die Oberflächenbereiche des Lötmittels nicht mehr länger eine eutektische oder nahezu eutektische Zusammensetzung aufweisen). Diese Zunahme beträgt nahe bei der eutektischen Zusammensetzung auf seiner zinnarmen Seite etwa 30ºC pro (Gewichts-) Prozent Zunahme der Zinnkomponente. Folglich verfestigen sich die Oberflächenbereiche des Lötmittels unerwünschterweise während des Bondens ("sie frieren ein"), da das Bondverfahren nicht bei einer Temperatur durchführbar ist, die hoch genug ist, um dieses Einfrieren zu verhindern, und die gleichzeitig tief genug ist, damit das Bauelement nicht beschädigt wird. Dieses frühzeitige Einfrieren des Lötmittels führt zu einer schwachen "Benetzung" der Oberfläche der Goldbondungsschicht (auf der Sperrschicht) des Bauelementes durch das Lötmittel und folgucherweise zu einer schlechten Bondverbindung des Bauelementes an der Chiphalterung. Wenn das Bauelement anschließend in Betrieb genommen wird, führt die (durch die schwache "Benetzung" verursachte) schlechte thermische Konduktanz der entstehenden Bondverbindung zu einer schädlichen Überhitzung des Bauelementes, während die resultierenden schlechten mechanischen Haftungseigenschaften der Bondverbindung ein Ablösen des Bauelementes von der Chiphalterung ermöglichen.
- Andererseits ist ein aus Gold und Zinn bestehendes Lötmittel gegenüber anderen Lötmitteln (wie z.B. Indium, Blei-Zinn, Zinn-Blei, Zinn-Indium, Blei-Indium-Silber) zu bevorzugen, da es einen relativ hohen Elastizitätsmodul aufweist und damit zu einer mechanisch stabileren (steiferen) Bondverbindung führt. Die aus einem Gold-Zinn- Lötmittel bestehenden Bondverbindungen weisen wünschenswerterweise auch ein schwächeres Kriechen auf, das mit der relativ hohen Schmelztemperatur (280ºC und mehr) des Gold-Zinn-Lotmittels zusammenhängt. Ein Gold-Indium- Lötmittel weist zudem eine zu hohe Schmelztemperatur (etwa 457ºC) zum Bonden von Lasern auf, da Laser bei solch hohen Temperaturen während des Bondens beschädigt werden.
- Bondverfahren, bei denen mehrlagige Verbundstrukturen aus Gold und Zinn verwendet werden, werden in den IEEE Transactions on Components, Hybrides and Manufacturing Technology, Nr. 2, Seiten 407-412, 14. Juni 1991 und in der EP-A-0 382 080 offenbart.
- Es wäre somit wünschenswert, ein Bondverfahren zur Verfügung zu haben, bei dem zwar ein Gold-Zinn-Lötmittel verwendet wird, das jedoch nicht die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aufweist.
- Erfindungsgemäß wird ein Bondverfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen. Vorzugsweise wird dieses Verfahren gemäß Anspruch 2 durchgeführt. Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn das Verfahren gemäß Anspruch 3 durchgeführt wird. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Verfahren gemäß Anspruch 4 durchgeführt wird. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 durchgeführt wird. Zusätzliche Vorteile ergeben sich bei einem Verfahren gemäß Anspruch 7, Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9 durchgeführt wird. Zusätzliche Vörteile ergeben sich, wenn das Verfahren gemäß Anspruch 10 durchgeführt wird.
- Fig. 1 zeigt einen der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Bondverfahrens dienenden beispielhaften Querschnitt.
- Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Die relativen Dicken der Schichten 23.1, 23.2, ..., 23.11 sind hierbei jedoch so dargestellt, daß sie annähernd den untereinander geltenden Dickenverhältnissen entsprechen.
- Fig.. 1 zeigt eine typischerweise auf InP basierende Halbleiterlaserstruktur 10 mit einer unteren Kontaktelektrodenschicht 10.5, die typischerweise aus einer Gold-Germanium-Legierung besteht und eine Dicke von 0,015 µm aufweist. Die Laserstruktur bildet ein Halbleiterlaser- Bauelement 100. Auf der Elektrodenschicht 10.5 ist eine Haftschicht 11 angeordnet, wobei es sich typischerweise um eine Titanschicht handelt, die eine Dicke von etwa 0,05 bis 0,10 µm aufweist. Auf der Haftschicht 11 ist eine Sperrschicht 12 angeordnet, wobei es sich typischerweise um eine Platinschicht mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,10 µm handelt, Auf dieser Sperrschicht 12 ist eine Verbindungsschicht 13 aus Gold angeordnet, deren Dicke typischerweise etwa 0,5 µm beträgt.
- Eine Unterlage oder eine Montagebasis 20 wird nach Durchführung des Verbindungsverfahrens mittels eines metallischen Lötmittels oder eines Epoxidharzes an einem (nicht dargestellten) Stift oder Kontaktbolzen aus Kupfer öder an einer Keramikplatte angebracht. Die Unterlage oder die Montagebasis 20 besteht typischerweise aus Silizium, Keramik oder aus Diamant, der mittels eines chemischen Niederdruck-Dampfphasenabscheidungsverfahrens abgeschieden wurde (low pressure chemically vapor deposited diamond = LPCVD-Diamant). Die Unterlage 20 besitzt typischerweise eine Dicke von 250 µm. Auf zumindest einem Teil ihrer Oberfläche (nämlich an der Stelle, an der das Bauelement 100 gebonded wird) ist eine Haftschicht 21 angeordnet, die typischerweise aus Titan besteht und eine Dicke von etwa 0,10 µm abesitzt. Auf der Haftschicht 21 ist eine Sperrschicht 22 angeordnet, die typischerweise aus Nickel besteht und eine Dicke von etwa 0,30 µm besitzt. Anstelle von Nickel können auch andere Materialien, wie z.B. Wolfram, Chrom, Ruthenium oder Molybdän für die Sperrschicht 22 verwendet werden.
- Auf der Sperrschicht 22 ist eine zusammengesetzte Lötmittelschicht 23 angeordnet, die aus mehreren abwechselnden Schichten 23.1, 23.2, ..., 23.11 aus Gold und Silber zusammengesetzt ist, wobei sie mit einer unteren Schicht 23.1. beginnt und mit einer oberen Schicht 23.11 endet, die beide aus Gold bestehen. Die Dicke der Schichten 23.1, 23.2 ... 23.11 beträgt typischerweise etwa 0,4 µm (Gold); 0,2 µm (Zinn); 0,25 µm (Gold); 0,3 µm (Zinn); 0,325 µm (Gold); 0,3 µm (Zinn); 0,375 µm (Gold); 0,35 µm (Zinn); 0,25 µm (Gold); 0,35 µm (Zinn) und 0,1 µm (Gold). Insgesamt sind somit 11 alternierende Schichten vorhanden. Die Gesamtdicke der Goldschichten beträgt somit 1,70 µm, während die Gesamtdicke der Zinnschichten 1,5 µm beträgt. Die Gesamtdicke beträgt somit 3,20 µm. Die zusammengesetzte Schicht 23 enthält somit 25 Gew.-% Zinn (ein Eutektikum enthält etwa 20 Gew.-% Zinn). Die zusammengesetzte Schicht 23 umfaßt somit gemittelt über alle Schichten eine zinnreiche (goldarme) nahezu eutektische Verbindung. Wenn die unterste Schicht der zusammengesetzten Lötmittelschicht 23 aus Zinn statt aus Gold besteht, umfaßt die zusammengesetzte Schicht eine gerade Anzahl von Schichten anstatt einer ungeraden Anzahl von Schichten, da die oberste Schicht stets aus Gold besteht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Dicke der alternierenden Zinn- und Goldschichten (von unten nach oben gesehen) beispielsweise 0,2 µm (Zinn); 0,65 µm (Gold); 0,3 µm (Zinn); 0,325 µm (Gold); 0,3 µm (Zinn); 0,375 µm (Gold); 0,35 µm (Zinn); 0,25 µm (Gold); 0,35 µm (Zinn) und 0,1 µm (Gold). Die zusammengesetzte Schicht umfaßt somit insgesamt 10 alternierende Schichten. Die Gesamtdicke der Goldschichten beträgt wiederum 1,70 µm, während die Gesamtdicke der Zinnschichten 1,5 µm beträgt, so daß die zusammengesetzte Lötmittelschicht 23 wiederum 3,2 µm dick ist, wöbei es sich (gemittelt über die gesamte Dicke) wiederum um eine zinnreiche eutektische Verbindung handelt. Wenn man diese Dicke zu der Dicke der Sperrschicht 22 und der Dicke der Haftschicht 21 hinzuaddiert, ergibt sich eine Gesamtdicke von lediglich 3,6 µm.
- Das Verhältnis der Dicke der obersten Schicht 23.11 zu der Dicke der nächstuntersten Schicht 23.10, d.h. der Schicht, deren Oberfläche in engem physikalischen Kontakt mit der Unterseite der obersten Schicht 23.11 steht, beträgt somit 0,1 zu 0,35 = 0,286, was einem Wert von weniger als 0,3 entspricht. Dieser Wert ergibt sich auch bei dem oberen Beispiel, bei dem die aesamtanzahl der alternierenden Schichten 10 beträgt. Bei beiden Beispielen ist die mittlere Zusammensetzung somit ausreichend arm an Gold und somit ausreichend reich an Zinn (bezüglich ihrer eutektischen Verbindung), so daß die Oberfläche der zusammengesetzten Lötmittelschicht 23 beim anschließenden Aufschmelzen für das thermische Druckbonden (d.h. ein Bonden, bei dem die Goldschicht 13 auf dem Laserbauelement 100 angeordnet ist) und damit auch bei der Wanderung von Zinn aus der ursprünglichen Schicht 23.10 in die ursprüngliche Schicht 23.11 (Gold) nicht zu einer unerwünscht goldhaltigen eutektischen Mischung wird, d.h. eine Mischung, die aufgrund ihrer relativ hohen Schmelztemperatur (gleich Gefriertemperatur) frühzeitig gefrieren oder erstarren würde. Andererseits besteht die öberste Schicht 23.11 vorzugsweise aus Gold, damit die darunterliegende Zinnschicht 23.10 vör dem Aufschmelzen beim Bonden vor einer unerwünschten Oxidation geschützt ist, die ansonsten auftreten würde, wenn-die Zinnschicht 23.10 nicht mit Gold beschichtet wäre.
- Die Schichten 11, 12 und 13 können auf bekannte Art und Weise unter Verwendung geeigneter Metalltargets durch sukzessives Bedampfen oder Sputtern gebildet werden, während die Schichten 21 und 22 und die Schichten 23.1, 23.2, ..., 23.11 entsprechend durch eine herkömmliche Bedampfung oder ein herkömmliches Aufsputtern ausgebildet werden können.
- Nach Ausbildung aller Schichten wird bei höherer Temperatur und unter Einwirkung eines Druckes das Bonden durchgeführt. Auf die freiliegenden Oberflächen des Laser- Bauelementes 100 und der Unterlage 20 läßt man hierbei Druckkräfte F einwirken, die typischerweise einem Druckbereich von etwa 1 bis 3 MPa entsprechen, wobei die zusammengesetzte Lötmittelschicht 23 für etwa 10 Sekunden auf eine Temperatur von 320ºC erhitzt wird. Auf diese Art und Weise schmilzt die zusammengesetzte Lötmittelschicht 23 auf, so daß die Oberfläche der Verbindungsschicht 13 benetzt wird, Nach Beendigung der Temperatur- und Druckeinwirkung wird somit zwischen dem Laserbauelement 100 und der Unterlage 20 eine Verbindung ausgebildet, wobei die Verbindungsschicht 23.1, 23.2 ... 23.11 aufgeschmolzen und zu einem zinnreichen Gold-Zinn-Eutektikum verschmolzen wird.
- Obgleich die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können auch zahlreiche Veränderungen durchgeführt werden. So kann beispielsweise anstatt der auf dem Laserbauelement 10 angeordneten Schicht 13 eine zusammengesetzte Schicht verwendet werden, die entsprechend der zusammengesetzten Schicht 23 ausgebildet ist. Die zusammengesetzte Schicht 23 kann auch aus weniger als 10 Schichten bestehen, wobei eine Gesamtanzahl von 7 bis 15 Schichten bevorzugt wird; es können jedoch insgesamt lediglich auch 3 bis 6 Schichten verwendet werden. Schließlich kann das Verhältnis der Dicke der obersten Schicht 23.1 zu der Dicke der nächstuntersten Schicht 23.10 anstelle von weniger als etwa 0,3 auch bis zu etwa 0,8 betragen, während die Gesamtdicke der zusammengesetzten Schicht 23 statt 3,6 ijm, d.h. weniger als 4 µm, auch bis zu 5 µm betragen kann. In allen diesen Fällen besteht die unterste Schicht (und die oberste Schicht) der zusammengesetzten Schicht vorzugsweise aus Gold, so daß die zusammengesetzte Schicht vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Schichten umfaßt.
Claims (10)
1. Verfahren zur Verbindung erster (20) und zweiter (10)
Körper mit Bildung einer ersten zusammengesetzten
Schicht (23) aus Lot für den ersten Körper gemäß
folgenden Schritten:
eine Mehrzahl von sich abwechselnden Schichten aus Gold
und Zinn wird aufeinanderfolgend niedergeschlagen;
die Anzahl dieser Schichten ist mindestens gleich drei
und zwar auf der Oberseite des ersten Körpers oder auf
der Oberseite einer Hilfsschicht, die auf der
Oberfläche des ersten Körpers gelegen ist, wobei die
zusammengesetzte Schicht mit einer oberen Schicht aus
Gold gebildet wird und eine Zwischenschicht aus Zinn im
direkten physikalischen Kontakt mit einer unteren
Oberfläche der oberen Schicht aus Gold angeordnet ist;
die Zusammensetzung der zusammengesetzten Schicht,
gemittelt über die Anzahl der Schichten, ist auf der
zinnreichen Seite des Eutektikums von Gold und Zinn und
hat einen gemittelten Gesamtgehalt an Gold im Bereich
von 75-78 Gewichtsprozent, und die obere Schicht des
Goldes und die der oberen Schicht nächstgelegene
Schicht aus Zinn weisen jeweilige Dicken im Verhältnis
kleiner als 0,8 auf,
2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Verhältnis im
Bereich von 0,2-0,3 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die erste
zusammengesetzte Schicht aus Lot eine Gesamtdicke
kleiner als 4 µm aufweist.
4, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Körper
Diamant umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die
Vielzahl der sich abwechselnden Schichten mindestens
zehn beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die
Vielzahl der sich abwechselnden Schichten mindestens
sieben beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit folgendem
weiteren Schritt:
eine freigelegte Oberflächenschicht des zweiten Körpers
wird physikalisch an die obere Schicht des ersten
Körpers bei solcher Hitze und Druck angelegt, die
ausreichen, die zusammengesetzte Schicht aus Lot-
Metallisierung aufzuschmelzen.
8, Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die freigelegte
Oberflächenschicht des zweiten Körpers Gold umfaßt.
9, Verfahren nach Anspruch 4, mit folgendem weiteren
Schritt:
eine freigelegte Oberflächenschicht des zweiten Körpers
wird physikalisch an die obere Schicht des ersten
Körpers mit genügender Wärme und Druck angelegt, daß
die zusammengesetzte Schicht des Lots aufschmilzt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die
Anzahl der Schichten eine ungradzahlige Anzahl beträgt.
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