Beschreibung

Titel

Verbund aus mindestens zwei Halbleitersubstraten sowie Her- stellungsverfahren

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Verbund aus mindestens zwei Halbleitersubstraten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

In der Halbleitertechnologie, beispielsweise zur Herstel- lung von MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) , ist es notwendig, zwei Halbleitersubstrate fest miteinander zu verbinden, beispielsweise um eine auf einem der Halbleitersubstrate aufgebrachte Elektronik und/oder Mikromechanik zu verkapseln. Zum Verbinden zweier Halbleitersubstrate ist es bekannt, eutektische Bondverbindungen einzusetzen. Dabei wird zwischen einem Lotmaterial und einem der Halbleitersubstrate ein dünnes Eutektikum ausgebildet, welches für die feste Verbindung verantwortlich ist. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren und den damit hergestellten Verbunden aus mindestens zwei Halbleitersubstraten ist es, dass die Bond-Stärke der Verbindung für einige Anwendungsfälle nicht ausreicht. Zudem ist nachteilig, dass das Lotmaterial vergleichsweise dick aufgetragen werden muss, wodurch der gesamte Verbund vergleichsweise hoch baut.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ver- bund aus mindestens zwei Halbleitersubstraten vorzuschlagen, der im Hinblick auf eine hohe Bond-Stärke optimiert ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechendes Herstellungsverfahren vorzuschlagen .

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verbundes aus mindestens zwei Halbleitersubstraten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.

Die Erfindung hat erkannt, dass eine Vergrößerung der eu- tektischen Schicht, sprich des Eutektikums, insbesondere die Vergrößerung der Dickenerstreckung des Eutektikums eine Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zwischen Lotmaterial und Halbleitersubstrat zur Folge hat. Um die Dickenerstreckung des Eutektikums, insbesondere im Vergleich zur Gesamtdicke des Lotmaterials, zu vergrößern, schlägt die Er- findung vor, das Halbleitersubstrat zumindest abschnittsweise im Kontaktbereich zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Lotmaterial mit einer Mikrostruktur zu versehen. Für den Fall, dass das Lotmaterial nicht in unmittelbaren Kon-

takt mit dem Halbleitersubstrat kommt, insbesondere weil zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Lotmaterial eine weitere Schicht vorgesehen ist, die auf das Halbleitersubstrat aufgetragen ist, liegt es im Rahmen der Erfindung, diese Schicht mit einer Mikrostruktur zu versehen. Wesentlich ist, dass das Lotmaterial mit einer Mikrostruktur in Wechselwirkung tritt. Unter Mikrostruktur im Sinne der Erfindung ist dabei eine Struktur mit Strukturbreiten und/oder -höhen im Bereich einiger weniger Mikrometer bis einiger 10 μm, insbesondere mit Strukturbreiten und/oder - höhen zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, zu verstehen. Durch das Vorsehen einer Mikrostruktur auf dem Halbleitersubstrat und/oder ggf. bei Vorsehen einer weiteren Schicht auf bzw. in dieser Schicht, wird die Dickenerstreckung des Eutektikums im Vergleich zu einem Verbund aus dem Stand der Technik, insbesondere im Randbereich der Mikrostruktur und/oder in Vertiefungen der Mikrostruktur, vergrößert. Dies kann beispielsweise auf die im Bereich der Mikrostruktur auf das durch Erhitzen flüssige Eutektikum wirkenden Kapillarkräfte zurückgeführt werden, die dafür verantwortlich sind, dass sich das Eutektikum, insbesondere an seitlichen Flanken der Mikrostruktur, verdickt ausbildet.

In der sich bildenden eutektischen Schicht sind sowohl Be- standteile des Lotmaterials als auch Bestandteile (Atome) des Halbleitersubstrates und/oder im Falle des Vorsehens einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat Bestandteile (Atome) dieses Schichtmaterials aufzufinden. Die sich bildende eutektische Schicht zeichnet sich dadurch aus, dass ihre vorgenannten Bestandteile in einem solchen Verhältnis zu- einanderstehen, dass sie als Ganzes bei einer bestimmten Liquidus-Temperatur flüssig werden. Diese Temperatur muss zum Ausbilden der eutektischen Schicht bzw. des Eutektikums

beim Herstellen des Verbundes erzeugt werden. Durch die aufgrund der Mikrostruktur wirkenden Kapillarkräfte wird eine besonders dicke Eutektikum-Schicht und damit eine hochfeste Verbindung zwischen dem Lotmaterial und dem HaIb- leitersubstrat erhalten. Insgesamt kann durch das Vorsehen der Mikrostruktur der Dickenauftrag des Lotmaterials deutlich reduziert werden. Versuche haben ergeben, dass mit der Erfindung selbst dann feste Verbindungen herstellbar sind, wenn der Dickenauftrag des Lotmaterials im Vergleich zum Stand der Technik um den Faktor 5 reduziert wird, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass der Verbund insgesamt weniger hoch baut. Durch die Vergrößerung der eutektischen Schicht wird nicht nur die Bond-Stärke des Verbundes erhöht, sondern es steigt auch die elektrische Leitfähigkeit, wodurch das Lotmaterial nicht nur zum Verbinden der beiden Halbleitersubstrate, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung von aktiven und/oder passiven elektronischen Bauteilen der Halbleitersubstrate eingesetzt werden kann.

Die Mikrostruktur kann in das Halbleitersubstrat mit Hilfe eines Umformverfahrens und/oder durch abtragende ätzverfahren eingebracht werden. Ebenso kann die fakultativ auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Schicht mikrostrukturiert werden. Es ist auch denkbar, eine derartige Schicht bereits mikrostrukturiert aufzubringen, beispielsweise zu drucken, oder, beispielsweise mittels eines CVD-Verfahren, aufzudampfen .

Neben dem Bereitstellen der zuvor erläuterten Liquidus-Tem- peratur kann es, je nachdem welche Materialien eingesetzt werden, erforderlich sein, bei der Herstellung des Verbundes einen geeigneten Anpressdruck auf die Halbleitersubstrate zu realisieren.

Durch Vorsehen einer zuvor beschriebenen eutektischen Verbindung können bisher eingesetzte Sealglas-Bondrahmen ersetzt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Mikro- struktur nicht nur auf einem Halbleitersubstrat bzw. einer fakultativ auf diesem aufgebrachten Schicht, sondern auf beiden Halbleitersubstraten bzw. etwaigen auf diesen befindlichen Schichten vorzusehen, so dass das Lotmaterial auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einer Mikro- struktur in Wechselwirkung tritt. Es ist auch denkbar, lediglich auf einem Halbleitersubstrat, bzw. auf einer fakultativ auf dieser vorgesehenen Schicht eine Mikrostruktur vorzusehen und auf dem anderen Halbleitersubstrat eine Haftschicht vorzusehen, die das Halbleitermaterial ohne die Ausbildung eines Eutektikums „festhält".

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das Lotmaterial derart aufgebracht wird, dass es die Mikrostruktur auf zumindest einer Seite, vorzugsweise auf sämt- liehen Seiten, d. h. im Wesentlichen quer zur Dickenerstreckung, überragt, so dass im Umfangsrandbereich der Mikrostruktur, insbesondere an den (seitlichen) Flanken der Mikrostruktur, eine verdickte Eutektikum-Schicht ausgebildet wird.

Ein zuvor beschriebener Verbund aus mindestens zwei Halbleitersubstraten zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass die eutektische Schicht im Umfangsrandbereich der Mikrostruktur, insbesondere an (seitlichen) Flanken der Mikro- struktur und/oder in mindestens einer Vertiefung bzw. an Vertiefungsflanken in der Mikrostruktur, dicker ist als in mindestens einem erhabenen, vorzugsweise ebenen Bereich der Mikrostruktur. Bevorzugt ist die Dickenerstreckung des Eu-

tektikums, zumindest bereichsweise, größer als 1 Mikrometer, besonders bevorzugt größer als 5 Mikrometer.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das Lotmaterial nicht (nur) die Aufgabe hat, die mindestens zwei Halbleitersubstrate miteinander zu verbinden, sondern bei der das Lotmaterial zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei auf unterschiedlichen Halbleitersubstraten angeordneten passiven oder aktiven elektrischen Bauteilen wie Leiterbahnen oder Transistoren dient. Insbesondere durch den verminderten Dickenauftrag des Lotmaterials und die im Verhältnis zur Gesamtdicke des Lotmaterials dicke Eutektikums-Schicht wird eine optimale Leitfähigkeit realisiert .

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der an einem der weiteren Halbleitersubstrate, wie eingangs erwähnt, eine Haftschicht zum "Festhalten" des Lotmaterials angeordnet ist. Diese Haftschicht kann beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht werden. Bevorzugt ist die Haftschicht so ausgebildet, dass das flüssige Lotmaterial diese nicht oder nur geringfügig benetzt. Es liegt im Rahmen der Weiterbildung, diese Haftschicht vor dem Aufbringen des Lotmaterials mit einer Mikrostruktur zu versehen oder die Haftschicht bereits mikrostrukturiert aufzubringen. Alternativ zu dem Vorsehen der Haftschicht ist es realisierbar, dass das Lotmaterial einen unmittelbaren Kontakt zu dem Halbleitersubstrat hat, insbesondere um eine eutektische Verbindung mit diesem auszubilden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, das Halbleitersubstrat oder eine ggf. zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Lotmaterial vorgesehene Schicht mit einer Mikrostruktur zu versehen bzw. als Mikrostruktur auszubilden.

Zusätzlich oder alternativ zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den mindestens zwei Halbleitersubstraten ist es denkbar, das Lotmaterial bzw. die ge- bildete eutektische Schicht in Form eines, insbesondere ringförmigen, Bondrahmens anzuordnen, der bevorzugt eine elektronische Schaltung oder ein mikromechanisches Bauteil umschließt. Aufgrund einer derartigen Anordnung des Lotmaterials kann die elektronische Schaltung durch Festlegen des weiteren Halbleitersubstrates gedeckelt und hermetisch eingekapselt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Breitenerstreckung (quer zur Dickenerstreckung) der Mikrostruktur, vorzugsweise des Bondrahmens, eine maximale Breite von 200 Mikrometern, vorzugsweise nur von etwa 100 Mikrometern, besonders bevorzugt nur von etwa 50 Mikrometern oder darunter aufweist, um einen möglichst großen Flächenanteil zumindest eines Halbleitersubstrates zum Auf- bringen von aktiven und/oder passiven elektrischen Bauteilen ausnutzen zu können.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass auf zumindest einem der Halbleitersubstrate, vorzugs- weise auf beiden Halbleitersubstraten, besonders bevorzugt ringförmig um das Lotmaterial oder die gebildete Eutekti- kumsschicht herum, ein Material vorgesehen, vorzugsweise aufgedampft, ist, das keine oder ggf. nur eine geringfügige Benetzung mit flüssigem Eutektikum erlaubt, sodass ein un- kontrolliertes seitliches überlaufen des Eutektikums über die Mikrostruktur hinaus minimiert, vorzugsweise vollständig verhindert wird.

Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines zuvor beschriebenen Verbundes. Kerngedanke des Verfahrens ist es, zumindest eines der Halbleitersubstrate vor dem Aufbringen bzw. in Kontaktbringen mit dem Lotmaterial mit einer Mikrostruktur zu versehen und/oder eine ggf. auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Schicht mit einer Mikrostruktur zu versehen oder bereits mikrostrukturiert aufzubringen, um somit, insbesondere durch die Wirkung von Kapillarkräften, die Ausbildung einer Eutektikumsschicht mit einer im Vergleich zum Stand der Technik, zumindest bereichsweise, größeren Dickenerstreckung zu erhalten.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der das Lotmaterial, bevor es mit der zuvor be- schriebenen Mikrostruktur in Kontakt gebracht wird, an einem weiteren Halbleitersubstrat, bevorzugt an einer auf diesem vorgesehenen Haftschicht, festgelegt wird. Bevorzugt nach oder auch schon während des Zusammenführens der mindestens zwei Halbleitersubstrate wird das Lotmaterial, bei- spielsweise durch Einbringen des noch nicht festen Verbundes in einen Lötofen, erhitzt. Ggf. wird der Verbund zusätzlich mit Druck (Anpressdruck) beaufschlagt. Die Temperatur des Lotmaterials, zumindest im Kontaktbereich zu der Mikrostruktur, muss ausreichend hoch sein, um die Ausbil- düng einer eutektischen Schicht zwischen dem Mikrostruktur- material und dem Lotmaterial zu gewährleisten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. Ia einen Herstellungsschritt zum Herstellen eines in Fig. Ib gezeigten Verbundes nach dem Stand der Technik,

Fig. Ib einen Verbund, wie dieser aus dem Stand der Technik bekannt ist,

Fig. 2 einen Herstellungsschritt bei der Herstellung ei- nes nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten

Verbundes,

Fig. 3 einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstel ^¬ lung des Verbundes, wobei die miteinander zu ver- bindenden Halbleitersubstrate zusammengefügt sind,

Fig. 4 eine Detailvergrößerung aus Fig. 3,

Fig.5 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausfüh ^¬ rungsbeispiels eines nach dem Konzept der Erfin ^¬ dung ausgebildeten Verbundes und

Fig. 6 eine zu dem Verbund gemäß Fig. 5 alternative Aus- führungsform eines Verbundes, wobei eine, ein ü- berlaufen von flüssigem Eutektikum verhindernde

Schicht rund um eine Mikrostruktur aufgebracht ist .

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In den Fig. Ia und Fig. Ib ist der Stand der Technik dargestellt. Zu erkennen ist ein erstes, flächiges Halbleitersubstrat 1, insbesondere ein Wafer, auf den eine Haftschicht 2 aufgedampft ist. An dieser ebenen Haftschicht haftet Lotmaterial 3, das zur Anbindung des ersten Halblei- tersubstrates 1 an ein in der Zeichnungsebene darunter angeordnetes zweites Halbleitersubstrat 4 dient.

In Fig. Ib ist ein fertig ausgebildeter, bekannter Verbund 5, umfassend das erste Halbleitersubstrat 1 und das zweite Halbleitersubstrat 4 gezeigt. Zu erkennen ist, dass zwischen dem ebenen zweiten Halbleitersubstrat 4 und dem Lotmaterial 3 ein dünnes Eutektikum 6 ausgebildet ist, das für die Anbindung des zweiten Halbleitersubstrates 4 verantwortlich ist.

In Fig. 2 ist ein Verfahrensschritt bei der Herstellung eines ausschnittsweise in den Fig. 5 und 6 dargestellten Verbundes 5 gezeigt. In Fig. 2 ist in der oberen Zeichnungshälfte ein erstes Halbleitersubstrat 1 gezeigt, auf das in einem vorgelagerten Schritt eine Haftschicht 2 aufgedampft wurde. Auf diese Haftschicht 2 wurde Lotmaterial 3 aufgebracht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das erste Halbleitersubstrat 1 aus Silizium. Die Haftschicht 2 ist derart ausgebildet, dass sie keine oder maximal eine geringfügige Benetzung mit geschmolzenem Lotmaterial erlaubt. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Dickenerstreckung des Lotmaterials 3 wesentlich geringer ist als bei den Ausführungsbeispielen nach dem Stand der Technik. Die

Dickenerstreckung beträgt etwa 1/5 der Dickenerstreckung bei einem bekannten Verbund 5 (vgl. Fig. Ia und Fig. Ib) .

Das mit dem Lotmaterial 3 versehene erste Halbleitersub- strat 1 soll mit einem in der Zeichnungsebene darunter angeordneten zweiten Halbleitersubstrat 4 fest verbunden werden. Das zweite Halbleitersubstrat 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Silizium ausgebildet. Das Lotmaterial 3 besteht (im Wesentlichen) aus Gold. Alternativ kann das erste Halbleitermaterial 1 aus Silizium oder Germanium ausgebildet werden. Das zweite Halbleitersubstrat 4 kann alternativ, beispielsweise aus Siliziumoxid oder Germanium, ausgebildet werden. Anstelle der Verwendung von Gold als Lotmaterial ist die Verwendung von Aluminium, AlCu oder Al- SiCu realisierbar. Die Haftschicht auf dem ersten Halbleitersubstrat 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Chrom ausgebildet.

Wie aus Fig. 2 unten zu erkennen ist, ist das zweite HaIb- leitersubstrat 4 nicht planeben ausgebildet, sondern weist in einem späteren, in Fig. 3 ersichtlichen Kontaktbereich 7 zu dem Lotmaterial 3 eine Mikrostruktur 8 auf. Es ist zu erkennen, dass das Lotmaterial 3 die Mikrostruktur 8 seitlich, d. h. quer zu seiner Dickenerstreckung überragt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Mikrostruktur 8 als einfacher Strukturblock ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann die Mikrostruktur 8 aus einer Vielzahl von Erhebungen und Gräben bestehen. Bevorzugt beträgt die Höhe der Erhebungen bzw. die Tiefe der Gräben mindestens 2 μm vorzugsweise maximal 40 μm. Ebenso beträgt die Breite einzelner Strukturabschnitte der Mikrostruktur bevorzugt mindestens 1 μm und vorzugsweise maximal 40 μm. Die Gesamt-

breite der Mikrostruktur 8 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt etwa zwischen 20 und 200 μm.

In Fig. 4 ist ein vergrößertes Detail aus Fig. 3 gezeigt. Dort ist die Höhe H (Dickenerstreckung) der Mikrostruktur 8 von in diesem Ausführungsbeispiel 10 μm eingezeichnet. Besonders gut ist aus Fig. 4 zu erkennen, dass die Mikrostruktur 8 seitlich von dem dünnen Lotmaterial 3 in Querrichtung überragt wird. Bei den gezeigten Ausführungsbei- spielen ist die Mikrostruktur 8 durch Anwendung eines Umformverfahrens oder eines Abtragverfahrens unmittelbar in das zweite Halbleitersubstrat 4 eingebracht. Zusätzlich o- der alternativ ist es denkbar, die Mikrostruktur 8 oder einen Mikrostrukturabschnitt durch ein auftragendes Verfah- ren, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufdrucken, aufzubringen. Für den Fall, dass eine weitere, nicht gezeigte, dünne Schicht auf dem zweiten Halbleitermaterial 4 derart aufgebracht ist, dass sie sich zumindest abschnittsweise zwischen dem zweiten Halbleitermaterial 4 und dem Lotmate- rial 3 befindet, ist es vorteilhaft, diese Schicht zu strukturieren oder bereits strukturiert aufzubringen.

Bevorzugt nach dem Zusammenführen des ersten Halbleitersubstrates 1 auf dem zweiten Halbleitersubstrat 4, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wird die so erhaltene Verbundanordnung in einen Lötofen überführt, in dem eine Temperatur o- berhalb einer Liquidus-Temperatur eines in den Fig. 5 und 6 gezeigten Eutektikums 6 herrscht. Ggf. kann zusätzlich ein Anpressdruck auf die Halbleitersubstrate 1, 4, vorzugsweise in Zusammenführrichtung, aufgebracht werden. Während des Lötprozesses diffundieren Atome aus dem zweiten Halbleitersubstrat 4 in das Lotmaterial 3 ein, und umgekehrt, wodurch das gezeigte Eutektikum 6 ausgebildet wird. Durch die wir-

kenden Kapillarkräfte wird entstehendes Eutektikum an einen äußeren Flankenbereich 9 (Umfangsrandbereich) der Mikrostruktur 8 „angezogen", wodurch das Eutektikum 6 im Flankenbereich 9 im Vergleich zu einem erhabenen Bereich 10 der Mikrostruktur 8 vergleichsweise dick ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Eutektikums 6 im Flankenbereich 9 mehr als 20 μm.

In Fig. 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines fertigen Verbundes 5 gezeigt. Der einzige Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 besteht darin, dass die Mikrostruktur 8 umfänglich von einem Material 11 umgeben ist, das von dem Eutektikum 6 nicht benetzbar ist, um ein unkontrolliertes überlaufen von beim Lötprozess entste- hendem, flüssigem Eutektikum 6 aus dem Kontaktbereich 7 heraus zu verhindern.

In Abwandlung der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Haftschicht 2 oder eine zusätzliche oder alternative Schicht oder das erste Halbleitersubstrat 1 vor dem Aufbringen des Lotmaterials 3 ebenfalls mit einer Mikrostruktur versehen werden.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen (Fig. 5 und 6) be- steht das Eutektikum 6 aus den Bestandteilen Gold und Silizium. Je nach Materialkombination von Lotmaterial 3 und Halbleitersubstratmaterial des zweiten Halbleitersubstrates 4 oder ggf. einer auf dieses aufgebrachten Schicht kann das Eutektikum 6 beispielsweise aus den Bestandteilen AlCu/Si, AlSiCU/Si, Al/Si, Au/Ge, Al/Ge oder AlCu/Ge, AlSiCu/Ge gebildet werden. Weitere Materialpaarungen sind ebenfalls realisierbar .