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Stand der Technik
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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.
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In
der Halbleitertechnologie, beispielsweise zur Herstellung 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.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbund aus mindestens
zwei Halbleitersubstraten vorzuschlagen, der im Hinblick auf eine hohe
Bond-Stärke
optimiert ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechendes
Herstellungsverfahren vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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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.
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Die
Erfindung hat erkannt, dass eine Vergrößerung der eutektischen 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 Erfindung
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.
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In
der sich bildenden eutektischen Schicht sind sowohl Bestandteile
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 zueinanderstehen, 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 Halbleitersubstrat 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.
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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.
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Neben
dem Bereitstellen der zuvor erläuterten
Liquidus-Temperatur kann es, je nachdem welche Materialien eingesetzt
werden, erforderlich sein, bei der Herstellung des Verbundes einen
geeigneten Anpressdruck auf die Halbleitersubstrate zu realisieren.
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Durch
Vorsehen einer zuvor beschriebenen eutektischen Verbindung können bisher
eingesetzte Sealglas-Bondrahmen ersetzt werden. Es liegt im Rahmen
der Erfindung, die Mikrostruktur 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 Mikrostruktur 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".
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform,
bei der das Lotmaterial derart aufgebracht wird, dass es die Mikrostruktur
auf zumindest einer Seite, vorzugsweise auf sämtlichen 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.
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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 Mikrostruktur 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.
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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.
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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.
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Zusätzlich oder
alternativ zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung
zwischen den mindestens zwei Halbleitersubstraten ist es denkbar, das
Lotmaterial bzw. die gebildete 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.
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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 Aufbringen von aktiven
und/oder passiven elektrischen Bauteilen ausnutzen zu können.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass auf
zumindest einem der Halbleitersubstrate, vorzugsweise auf beiden
Halbleitersubstraten, besonders bevorzugt ringförmig um das Lotmaterial oder
die gebildete Eutektikumsschicht herum, ein Material vorgesehen,
vorzugsweise aufgedampft, ist, das keine oder ggf. nur eine geringfügige Benetzung
mit flüssigem
Eutektikum erlaubt, sodass ein unkontrolliertes seitliches Überlaufen
des Eutektikums über
die Mikrostruktur hinaus minimiert, vorzugsweise vollständig verhindert
wird.
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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.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
des Verfahrens, bei der das Lotmaterial, bevor es mit der zuvor
beschriebenen 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, beispielsweise
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 Ausbildung einer eutektischen Schicht zwischen
dem Mikrostrukturmaterial und dem Lotmaterial zu gewährleisten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1a einen
Herstellungsschritt zum Herstellen eines in 1b gezeigten
Verbundes nach dem Stand der Technik,
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1b einen
Verbund, wie dieser aus dem Stand der Technik bekannt ist,
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2 einen
Herstellungsschritt bei der Herstellung eines nach dem Konzept der
Erfindung ausgebildeten Verbundes,
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3 einen
weiteren Verfahrensschritt bei der Herstellung des Verbundes, wobei
die miteinander zu verbindenden Halbleitersubstrate zusammengefügt sind,
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4 eine
Detailvergrößerung aus 3,
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5 eine
vergrößerte Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verbundes und
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6 eine
zu dem Verbund gemäß 5 alternative
Ausführungsform
eines Verbundes, wobei eine, ein Überlaufen von flüssigem Eutektikum
verhindernde Schicht rund um eine Mikrostruktur aufgebracht ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
den 1a und 1b 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 Halbleitersubstrates 1 an
ein in der Zeichnungsebene darunter angeordnetes zweites Halbleitersubstrat 4 dient.
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In 1b 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.
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In 2 ist
ein Verfahrensschritt bei der Herstellung eines ausschnittsweise
in den 5 und 6 dargestellten Verbundes 5 gezeigt.
In 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 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. 1a und 1b).
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Das
mit dem Lotmaterial 3 versehene erste Halbleitersubstrat 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 AlSiCu realisierbar. Die Haftschicht
auf dem ersten Halbleitersubstrat 1 ist in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
aus Chrom ausgebildet.
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Wie
aus 2 unten zu erkennen ist, ist das zweite Halbleitersubstrat 4 nicht
planeben ausgebildet, sondern weist in einem späteren, in 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.
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In 4 ist
ein vergrößertes Detail
aus 3 gezeigt. Dort ist die Höhe H (Dickenerstreckung) der
Mikrostruktur 8 von in diesem Ausführungsbeispiel 10 μm eingezeichnet.
Besonders gut ist aus 4 zu erkennen, dass die Mikrostruktur 8 seitlich
von dem dünnen
Lotmaterial 3 in Querrichtung überragt wird. Bei den gezeigten
Ausführungsbeispielen
ist die Mikrostruktur 8 durch Anwendung eines Umformverfahrens
oder eines Abtragverfahrens unmittelbar in das zweite Halbleitersubstrat 4 eingebracht.
Zusätzlich
oder alternativ ist es denkbar, die Mikrostruktur 8 oder
einen Mikrostrukturabschnitt durch ein auftragendes Verfahren, 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 Lotmaterial 3 befindet,
ist es vorteilhaft, diese Schicht zu strukturieren oder bereits
strukturiert aufzubringen.
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Bevorzugt
nach dem Zusammenführen
des ersten Halbleitersubstrates 1 auf dem zweiten Halbleitersubstrat 4,
wie in den 3 und 4 gezeigt, wird
die so erhaltene Verbundanordnung in einen Lötofen überführt, in dem eine Temperatur
oberhalb einer Liquidus-Temperatur eines in den 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.
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In 6 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines fertigen Verbundes 5 gezeigt. Der einzige Unterschied
zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 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
entstehendem, flüssigem
Eutektikum 6 aus dem Kontaktbereich 7 heraus zu
verhindern.
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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.
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In
den gezeigten Ausführungsbeispielen (5 und 6)
besteht 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.