DE102021200230A1 - Low temperature bonding method, substrate assembly - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Niedertemperaturbonden eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats, wobei das erste Substrat eine erste Bondfläche aufweist, wobei das zweite Substrat eine zweite Bondfläche aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:-- in einem ersten Schritt wird eine erste SAM-Schicht auf der ersten Bondfläche und/oder eine zweite SAM-Schicht auf der zweiten Bondfläche abgeschieden,-- in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, wird das Niedertemperaturbonden durchgeführt, wobei beim Niedertemperaturbonden mithilfe der ersten SAM-Schicht und/oder die zweiten SAM-Schicht eine Bondverbindung zwischen der ersten Bondfläche und der zweiten Bondfläche ausgebildet wird.A method of low temperature bonding of a first substrate and a second substrate, the first substrate having a first bonding pad, the second substrate having a second bonding pad, the method comprising the steps of:-- in a first step, a first SAM layer is deposited the first bonding surface and/or a second SAM layer deposited on the second bonding surface,-- in a second step, after the first step, the low-temperature bonding is carried out, with the low-temperature bonding using the first SAM layer and/or the second SAM Layer a bond between the first bonding pad and the second bonding pad is formed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Niedertemperaturbonden eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats, wobei das erste Substrat eine erste Bondfläche aufweist, wobei das zweite Substrat eine zweite Bondfläche aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Substratanordnung.The invention relates to a method for low-temperature bonding of a first substrate and a second substrate, the first substrate having a first bonding surface, the second substrate having a second bonding surface. Furthermore, the invention relates to a substrate arrangement.
Halbleiter-Bauelemente, wie beispielsweise MEMS (mikroelektromechanische Systeme), unterliegen durch die eingesetzten Funktionsmaterialien häufig starken Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen Prozesstemperaturen. Insbesondere beim Zusammenfügen zweier Substrate - dem Waferbonden - sind daher Niedertemperaturbondverfahren gefragt.Semiconductor components such as MEMS (microelectromechanical systems) are often subject to severe limitations in terms of the permissible process temperatures due to the functional materials used. Low-temperature bonding processes are therefore in demand, especially when joining two substrates - wafer bonding.
In der
Weitere Details zu den beim Direktbonden ablaufenden Prozessen sind beispielswiese in der folgenden Veröffentlichung offenbart: T. Plach, K. Hingerl, S. Tollabimazraehno, G. Hesser, V. Dragoi, and M. Wimplinger; Mechanisms for room temperature direct wafer bonding; Journal of Applied Physics 113, 094905 (2013).Further details on the processes involved in direct bonding are disclosed, for example, in the following publication: T. Plach, K. Hingerl, S. Tollabimazraehno, G. Hesser, V. Dragoi, and M. Wimplinger; Mechanisms for room temperature direct wafer bonding; Journal of Applied Physics 113, 094905 (2013).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Niedertemperaturbonden bereitzustellen, mit dem eine vorteilhafte Bondverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat schonend ausgebildet werden kann.It is an object of the present invention to provide a method for low-temperature bonding with which an advantageous bond connection between a first and a second substrate can be formed in a gentle manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Niedertemperaturbonden eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein besonders schonendes Niedertemperaturbonden zweier Oberflächen, insbesondere Bondflächen, erzielbar ist, welches eine höhere Rauigkeit der Bondflächen toleriert und flächenselektiv erfolgen kann. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, stabile und lokal ausbildbare Bondverbindungen mit einer hohen Rauigkeitstoleranz bei niedrigen Bondtemperaturen zu erreichen.The method according to the invention for low-temperature bonding of a first substrate and a second substrate according to the main claim has the advantage over the prior art that a particularly gentle low-temperature bonding of two surfaces, in particular bonding surfaces, can be achieved, which tolerates a higher roughness of the bonding surfaces and can be surface-selective. It is thus possible according to the invention to achieve stable bond connections that can be formed locally and have a high roughness tolerance at low bonding temperatures.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, dass die erste Bondfläche und die zweite Bondfläche beim Niedertemperaturbonden vorzugsweise direkt bzw. unmittelbar durch eine erste SAM-Schicht und/oder eine zweite SAM-Schicht verbunden werden. Es ist dabei besonders bevorzugt möglich, dass keine weiteren zusätzlich abgeschiedenen Zwischenschichten (außer der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht) zwischen der ersten und zweiten Bondfläche, insbesondere bei Beginn des Niedertemperaturbondens, vorhanden sind.It is particularly conceivable according to the invention that the first bonding surface and the second bonding surface are preferably connected directly or directly by a first SAM layer and/or a second SAM layer during low-temperature bonding. In this case, it is particularly preferably possible for no further additionally deposited intermediate layers (apart from the first and/or second SAM layer) to be present between the first and second bonding surface, in particular at the beginning of the low-temperature bonding.
Somit kann erfindungsgemäß ein Substratverbund, insbesondere umfassend ein MEMS-Bauelement, besonders schonend hergestellt werden. Es ist insbesondere denkbar, dass es sich bei dem mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Substratverbund bzw. der erzeugten Substratanordnung um einen SOI (silicon on insulator)-Wafer handelt.Thus, according to the invention, a substrate assembly, in particular comprising a MEMS component, can be produced particularly gently. In particular, it is conceivable that the composite substrate or the substrate arrangement produced with the aid of the method according to the invention is an SOI (silicon on insulator) wafer.
Unter der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht sind erfindungsgemäß selbstorganisierende Monolagenschichten (self-assembled monolayer, SAM) zu verstehen.According to the invention, the first and/or second SAM layer is to be understood as meaning self-organizing monolayer layers (self-assembled monolayer, SAM).
Beim Direktbonden zweier Oberflächen spielen Wassermoleküle eine entscheidende Rolle. Sie initiieren den Waferbond bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Raumtemperatur, diffundieren nachfolgend in die oberflächlichen Oxide der angrenzenden Bondflächen und reagieren dort unter Abspaltung von Wasserstoff ab. Um ausreichend Wassermoleküle an der Bondoberfläche bereitzustellen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, vor dem Bondschritt einen Ätzschritt auszuführen, der an der Bondoberfläche eine amorphe Schicht mit einem freien Volumen erzeugt. Diese so erzeugte amorphe Schicht fördert die Einlagerung von Wassermolekülen und ermöglicht schnelle Diffusions- und Umlagerungsprozesse an der Grenzfläche. Solche bekannten Verfahren erfordern jedoch den direkten mechanischen Kontakt der Bondoberflächen, damit sich chemische Bindungen über die Grenzfläche hinweg ausbilden können. Diese bekannten Verfahren tolerieren deshalb keine große Rauigkeit der Bondoberflächen.Water molecules play a crucial role in direct bonding of two surfaces. They initiate the wafer bond at low temperatures, particularly at room temperature, then diffuse into the superficial oxides of the adjoining bonding surfaces and react there with the elimination of hydrogen. In order to provide sufficient water molecules on the bonding surface, it is known from the prior art to carry out an etching step before the bonding step, which creates an amorphous layer with a free volume on the bonding surface. The amorphous layer created in this way promotes the storage of water molecules and enables rapid diffusion and rearrangement processes at the interface. However, such known methods require direct mechanical contact of the bonding surfaces so that chemical bonds can form across the interface. Therefore, these known methods do not tolerate any great roughness of the bonding surfaces.
Erfindungsgemäß ist es hingegen möglich, dass mithilfe der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht ein verbessertes Niedertemperaturbonden von Substraten ermöglich wird, wobei eine größere Oberflächenrauigkeit der Bondflächen tolerierbar wird und ein darüber hinaus ein lokal begrenztes Bonden bzw. strukturiertes Bonden ermöglicht wird.According to the invention, on the other hand, it is possible for the first and/or second SAM layer to enable improved low-temperature bonding of substrates, with greater surface roughness of the bonding surfaces being tolerable and moreover locally limited bonding or structured bonding being made possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments and embodiments result from the dependent claims.
Bevorzugt ist es gemäß einer Ausführungsform denkbar, dass das Niedertemperaturbonden im zweiten Schritt bei einer Temperatur unterhalb von 100°C, bevorzugt bei einer Temperatur unterhalb von 50°C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur, durchgeführt wird. Insbesondere ist eine Temperatur oberhalb von 0°C, bevorzugt oberhalb von 10°C, für das Niedertemperaturbonden denkbar. Die Raumtemperatur wird insbesondere als Temperatur zwischen einschließlich 17°C und 23°C verstanden. Es ist somit möglich, durch das Bonden bei niedrigen Temperaturen ein besonders schonendes Verfahren bereitzustellen, was vorteilhaft für eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauelementen und Anwendungen ist.According to one embodiment, it is preferably conceivable for the low-temperature bonding in the second step to take place at a temperature below of 100°C, preferably at a temperature below 50°C, particularly preferably at room temperature. In particular, a temperature above 0° C., preferably above 10° C., is conceivable for low-temperature bonding. The room temperature is understood in particular as a temperature between 17°C and 23°C inclusive. It is thus possible to provide a particularly gentle method by bonding at low temperatures, which is advantageous for a large number of different components and applications.
Dadurch, dass in einem Zwischenschritt, nach dem ersten Schritt und vor dem zweiten Schritt, für die erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht teilweise oder vollständig eine Hydrophilisierung durchgeführt wird, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass die erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht zu Beginn des zweiten Schritts, insbesondere zu Beginn des Niedertemperaturbondens, hydrophile Eigenschaften aufweist, was die oberflächennahe Einlagerung der für das Bonden notwendigen Wassermoleküle befördert.The fact that hydrophilization is carried out partially or completely for the first SAM layer and/or the second SAM layer in an intermediate step, after the first step and before the second step, makes it particularly advantageous according to one embodiment of the present invention Way possible that the first SAM layer and / or the second SAM layer at the beginning of the second step, in particular at the beginning of the low-temperature bonding, has hydrophilic properties, which promotes the near-surface storage of the water molecules necessary for bonding.
Dadurch, dass in dem Zwischenschritt, nach dem ersten Schritt und vor dem zweiten Schritt, die erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht teilweise oder vollständig einer reaktiv-oxidierenden Atmosphäre, insbesondere umfassend Ozon, Wasserdampf und/oder Reaktivsauerstoff, ausgesetzt werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass eine vorteilhafte Hydrophilisierung der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht durchgeführt wird. Es ist denkbar, dass die erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht der reaktiv-oxidierenden Atmosphäre lokal oder vollflächig ausgesetzt werden.Because in the intermediate step, after the first step and before the second step, the first SAM layer and/or the second SAM layer is partially or completely exposed to a reactive-oxidizing atmosphere, in particular comprising ozone, water vapor and/or reactive oxygen it is conceivable according to one embodiment of the present invention that an advantageous hydrophilization of the first and/or second SAM layer is carried out. It is conceivable for the first SAM layer and/or the second SAM layer to be exposed locally or over the entire surface to the reactive-oxidizing atmosphere.
Dadurch, dass in dem Zwischenschritt, nach dem ersten Schritt und vor dem zweiten Schritt, insbesondere zur Hydrophilisierung der ersten SAM-Schicht und/oder der zweiten SAM-Schicht, elektromagnetische Strahlung verwendet wird, wobei die elektromagnetische Strahlung vorzugsweise eine Energie von größer als 6 eV und/oder eine Wellenlänge von kleiner als 200 nm aufweist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass eine vorteilhafte Hydrophilisierung durchgeführt wird. Vorteilhaft kann eine Hydrophilisierung somit durch eine energiereiche elektromagnetische Strahlung in einer Atmosphäre, beispielsweise mit Wasserdampf und/oder Sauerstoff, geschehen. Die energiereiche elektromagnetische Strahlung besitzt vorzugsweise eine Energie größer als 6 eV bzw. eine Wellenlänge kleiner als 200 nm, wodurch notwendige reaktive Spezies durch direkte Photoanregung entstehen können. Durch Verwendung einer Photomaske kann hierbei die Hydrophilisierung lokal auf vorgesehene Bereiche der Bondoberfläche(n) begrenzt werden.Because electromagnetic radiation is used in the intermediate step, after the first step and before the second step, in particular for making the first SAM layer and/or the second SAM layer hydrophilic, the electromagnetic radiation preferably having an energy of greater than 6 eV and/or has a wavelength of less than 200 nm, it is conceivable according to one embodiment of the present invention that an advantageous hydrophilization is carried out. Hydrophilization can thus advantageously take place by means of high-energy electromagnetic radiation in an atmosphere, for example with water vapor and/or oxygen. The high-energy electromagnetic radiation preferably has an energy greater than 6 eV or a wavelength less than 200 nm, as a result of which necessary reactive species can arise through direct photoexcitation. By using a photomask, the hydrophilization can be limited locally to the intended areas of the bonding surface(s).
Dadurch, dass in einem Zusatzschritt, nach dem zweiten Schritt, die gebondete erste und zweite Bondfläche, und insbesondere das gebondete erste und zweite Substrat, einer Temperatur von größer als 150°C ausgesetzt werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die im zweiten Schritt erzeuge Bondverbindung zwischen der ersten und zweiten Bondfläche besonders vorteilhaft verfestigt werden, um eine permanente und hochfeste Waferbondverbindung auszubilden. Bei dieser Temperatur reagieren die Wassermoleküle mit dem Substratmaterial jenseits der oberflächlich an den Bondflächen vorhandenen dünnen Oxidschicht ab und die Bindungen über die Bondgrenzfläche und zwischen den SAM-Molekülen vernetzen nach. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Temperatur, der die erste und zweite Bondfläche im Zusatzschritt ausgesetzt werden, zwischen 150°C und 400°C, bevorzugt zwischen 150°C und 300°C, weiter bevorzugt zwischen 150°C und 200°C, liegt.Due to the fact that in an additional step, after the second step, the bonded first and second bonding surface, and in particular the bonded first and second substrate, are exposed to a temperature of greater than 150° C., it is conceivable according to one embodiment of the present invention that the bond connection produced in the second step between the first and second bonding surface can be particularly advantageously strengthened in order to form a permanent and high-strength wafer bond connection. At this temperature, the water molecules react with the substrate material beyond the thin oxide layer present on the surface of the bonding surfaces and the bonds across the bonding interface and between the SAM molecules continue to crosslink. It is conceivable, for example, that the temperature to which the first and second bonding surfaces are exposed in the additional step is between 150° C. and 400° C., preferably between 150° C. and 300° C., more preferably between 150° C. and 200° C. lies.
Dadurch, dass die im ersten Schritt abgeschiedene erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht Kettenmoleküle umfasst, wobei die erste SAM-Schicht und/oder die zweite SAM-Schicht vorzugsweise durch und/oder mithilfe von Siloxan-Kettenmolekülen gebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass eine vorteilhafte SAM-Schicht zur Herstellung der Bondverbindung zwischen der ersten und zweiten Bondfläche verwendet wird. Es ist vorzugsweise möglich, dass es sich bei der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht beispielsweise um methylierte Siloxan-Kettenmoleküle, wie 3,3,5,5,7,7,7-Heptamethyltetrasiloxan oder 2-BIS-TRIMETHYLSILOXAN, handelt, deren Methylgruppen nach der Abscheidung im ersten Schritt, vorzugsweise mittels einer Nachbehandlung im Zwischenschritt, nach dem ersten Schritt und vor dem zweiten Schritt, durch Hydroxylgruppen ersetzt werden. Zur Ausbildung temporärer Bondverbindungen ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, reine Kohlenwasserstoffketten einzusetzen, deren endständige Terminierung durch die Behandlung, insbesondere im Zwischenschritt, aufoxidiert werden, sodass sich Carboxyl- oder Hydroxylgruppen ausbilden.Because the first SAM layer deposited in the first step and/or the second SAM layer comprises chain molecules, the first SAM layer and/or the second SAM layer preferably being formed by and/or with the aid of siloxane chain molecules, it is conceivable according to an embodiment of the present invention that an advantageous SAM layer is used to produce the bond connection between the first and second bonding surface. It is preferably possible for the first and/or second SAM layer to be, for example, methylated siloxane chain molecules, such as 3,3,5,5,7,7,7-heptamethyltetrasiloxane or 2-BIS-TRIMETHYLSILOXANE, whose methyl groups are replaced by hydroxyl groups after the deposition in the first step, preferably by means of a post-treatment in the intermediate step, after the first step and before the second step. For the formation of temporary bonded connections, it is alternatively or additionally conceivable to use pure hydrocarbon chains whose terminal termination is oxidized by the treatment, in particular in the intermediate step, so that carboxyl or hydroxyl groups are formed.
Dadurch, dass im ersten Schritt zur Abscheidung der ersten SAM-Schicht und/oder der zweiten SAM-Schicht ein Precursor verwendet wird, wobei der Precursor insbesondere kettenförmige Silane, wie Chlorsilane, und/oder Methoxysilane, und/oder Ethoxysilane, und/oder Disilazane, und/oder Dimethylaminsilane, umfasst, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, die erste und/oder zweite SAM-Schicht vorteilhaft abzuscheiden. Die Ankergruppen dieser kettenförmigen SAM-Precursoren reagieren im ersten Schritt vorzugsweise mit den Oberflächenhydroxylen der ersten und/oder zweiten Bondfläche ab, sodass die Molekülketten an der oder den Bondoberflächen verankern. Insbesondere kann es auch sein, dass auf den beiden Bondflächen zwei verschiedene SAM-Schichten aufgebracht werden.Because a precursor is used in the first step for depositing the first SAM layer and/or the second SAM layer, the precursor being in particular chain-shaped silanes such as chlorosilanes and/or methoxysilanes and/or ethoxysilanes and/or disilazanes , and/or dimethylaminosilane, it is conceivable according to one embodiment of the present invention to advantageously coat the first and/or second SAM layer divorce In the first step, the anchor groups of these chain-like SAM precursors preferably react with the surface hydroxyls of the first and/or second bonding surface, so that the molecular chains are anchored to the bonding surface or surfaces. In particular, it can also be the case that two different SAM layers are applied to the two bonding surfaces.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass zunächst in einem Vorschritt eine erste und eine zweite Bondfläche am ersten Substrat und zweiten Substrat ausgebildet werden, wobei die Bondflächen zumindest oberflächlich dünne Oxide und/oder Hydroxyle aufweisen. Dies erfolgt beispielsweise durch thermische Oxidation, Sauerstoffplasmabehandlung, LPCVD (low pressure chemical vapour deposition)-, PECVD (plasma-enhanced chemical vapour deposition)- und/oder ALD (atomic layer deposition)-Beschichtung. Im ersten Schritt wird dann auf wenigstens eine der Bondflächen eine SAM-Schicht abgeschieden. Als Precursor kommen dabei beispielsweise kettenförmige Chlorsilane zum Einsatz, die mit den Oberflächenhydroxylen abreagieren und so die Molekülketten an der Bondoberfläche verankern. Im zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, werden abschließend die erste und zweite Bondfläche bei niedriger Temperatur, vorzugsweise bei Raumtemperatur, aufeinander gebondet. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die kettenförmigen SAM-Moleküle wegen ihrer mechanischen Nachgiebigkeit Rauigkeiten teilweise ausgleichen können und die SAM-Schicht oder die beiden SAM-Schichten freies Volumen bedingt durch ihre vergleichsweise geringeren Atomdichten bereitstellen. Wünschenswert ist hierbei, dass die erste und/oder zweite SAM-Schicht hydrophil ausgebildet ist, um Wassermoleküle anzuziehen. Hydrophilie von Molekülketten entsteht durch terminierende polare Endgruppen wie beispielsweise OH-Gruppen am SAM-Molekül. Würde das SAM-Molekül diese polaren Gruppen bereits als Precursor vor der Abscheidung (also vor bzw. im ersten Schritt) aufweisen, bestünde die Gefahr einer ungewollten vorzeitigen Polymerisierung der Moleküle untereinander, da die Ankergruppen ebenfalls spezifisch durch Abspaltung von Wassermolekülen an Hydroxylen auf der Oberfläche immobilisiert werden. Eine direkte und partikelfreie Abscheidung hydrophiler, OH-terminierter SAM-Schichten ist daher nicht möglich. Besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß jedoch möglich, durch lokale oder flächige Exposition der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht vor dem Bonden, also vor dem zweiten Schritt und nach dem ersten Schritt, gegenüber einer reaktiv-oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise aufweisend Ozon, Wasserdampf und/oder Reaktivsauerstoff, eine Hydrophilisierung zu erreichen. Vorteilhaft kann dies beispielsweise durch eine energiereiche elektromagnetische Strahlung in einer Atmosphäre mit Wasserdampf und/oder Sauerstoff geschehen. Die energiereiche elektromagnetische Strahlung besitzt dabei vorzugsweise eine Energie größer als 6 eV bzw. eine Wellenlänge kleiner als 200 nm, wodurch notwendige reaktive Spezies durch direkte Photoanregung lokal entstehen können. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, den bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, gebondeten Waferverbund nachfolgend, also insbesondere nach dem zweiten Schritt, einer Temperatur von größer 150°C (und beispielsweise unterhalb von 400°C oder unterhalb von 300°C oder unterhalb 200°C) auszusetzen, um einen hochfesten permanenten Waferbond auszubilden. Bei dieser Temperatur reagieren die Wassermoleküle mit dem Substratmaterial jenseits der oberflächlich vorhandenen dünnen Oxidschicht ab und die Bindungen über die Bondgrenzfläche und zwischen den SAM-Molekülen vernetzen nach.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that a first and a second bonding surface are initially formed on the first substrate and second substrate in a preliminary step, the bonding surfaces having thin oxides and/or hydroxyls at least on the surface. This is done, for example, by thermal oxidation, oxygen plasma treatment, LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) and/or ALD (atomic layer deposition) coating. In the first step, a SAM layer is then deposited on at least one of the bonding surfaces. For example, chain-like chlorosilanes are used as precursors, which react with the surface hydroxyls and thus anchor the molecular chains to the bond surface. In the second step, after the first step, the first and second bonding surfaces are finally bonded to one another at a low temperature, preferably at room temperature. A particular advantage is that the chain-like SAM molecules can partially compensate for roughness due to their mechanical flexibility and the SAM layer or the two SAM layers provide free volume due to their comparatively lower atomic densities. It is desirable here that the first and/or second SAM layer is hydrophilic in order to attract water molecules. Hydrophilicity of molecular chains is caused by terminating polar end groups such as OH groups on the SAM molecule. If the SAM molecule already had these polar groups as a precursor before the deposition (i.e. before or in the first step), there would be a risk of unwanted premature polymerization of the molecules among themselves, since the anchor groups are also specifically formed by splitting off water molecules on hydroxyls on the surface be immobilized. A direct and particle-free deposition of hydrophilic, OH-terminated SAM layers is therefore not possible. However, it is particularly preferably possible according to the invention to expose the first and/or second SAM layer to a reactive-oxidizing atmosphere, for example containing ozone, water vapor and / or reactive oxygen to achieve hydrophilization. This can advantageously be done, for example, by high-energy electromagnetic radiation in an atmosphere with water vapor and/or oxygen. The high-energy electromagnetic radiation preferably has an energy of more than 6 eV or a wavelength of less than 200 nm, as a result of which necessary reactive species can arise locally through direct photoexcitation. It is additionally or alternatively possible to subject the wafer assembly bonded at a low temperature, in particular at room temperature, subsequently, i.e. in particular after the second step, to a temperature of greater than 150°C (and for example below 400°C or below 300°C or below 200°C) to form a high strength permanent wafer bond. At this temperature, the water molecules react with the substrate material beyond the thin oxide layer present on the surface and the bonds across the bonding interface and between the SAM molecules continue to crosslink.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Substratanordnung, umfassend ein mithilfe eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebondetes erstes Substrat und zweites Substrat, wobei die Bondverbindung zwischen der ersten Bondfläche und der zweiten Bondfläche insbesondere mithilfe der ersten SAM-Schicht und/oder die zweiten SAM-Schicht ausgebildet ist.Another subject matter of the present invention is a substrate arrangement, comprising a first substrate and a second substrate bonded using a method according to an embodiment of the present invention, the bond connection between the first bonding surface and the second bonding surface being made in particular using the first SAM layer and/or the second SAM layer is formed.
Es ist insbesondere denkbar, dass das erste Substrat und/oder das zweite Substrat ein mikromechanisches Element, insbesondere ein MEMS (mikroelektromechanisches Element) aufweist, bevorzugt einen oder mehrere Sensoren. Bei dem oder den Sensoren kann es sich vorzugsweise um Inertialsensoren, insbesondere Drehratensensoren und/oder Beschleunigungssensoren, Drucksensoren, Mikrospiegel, Resonatoren und/oder Mikrofone handeln. Auch andere mikromechanische Sensortypen oder Aktoren sind denkbar.In particular, it is conceivable that the first substrate and/or the second substrate has a micromechanical element, in particular a MEMS (microelectromechanical element), preferably one or more sensors. The sensor or sensors can preferably be inertial sensors, in particular yaw rate sensors and/or acceleration sensors, pressure sensors, micromirrors, resonators and/or microphones. Other micromechanical sensor types or actuators are also conceivable.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.1 shows a schematic representation of a method according to an embodiment of the present invention. -
2a und2b zeigen schematische Darstellungen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.2a and2 B FIG. 12 shows schematic representations of a method according to an embodiment of the present invention. -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bondverbindung gemäß dem Stand der Technik.3 shows a schematic representation of a bond according to the prior art. -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Bondverbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.4 12 shows a schematic representation of a bond connection according to an embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference symbols and are therefore usually named or mentioned only once.
In
Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, den bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, gebondeten Waferverbund in einem Zusatzschritt 103, nach dem zweiten Schritt 102, einer Temperatur von größer 150°C auszusetzen, um einen hochfesten permanenten Waferbond auszubilden. Bei dieser Temperatur reagieren die Wassermoleküle mit dem Substratmaterial jenseits der oberflächlich vorhandenen dünnen Oxidschicht ab und die Bindungen über die Bondgrenzfläche und zwischen den SAM-Molekülen vernetzen nach.It is additionally or alternatively possible to expose the wafer assembly bonded at low temperature, in particular at room temperature, to a temperature of greater than 150° C. in an
Bei der ersten und/oder zweiten SAM-Schicht 1 kann es sich insbesondere um methylierte Siloxan-Kettenmoleküle, wie beispielsweise 3,3,5,5,7,7,7-Heptamethyltetrasiloxan oder 2-BIS-TRIMETHYLSILOXAN, handeln, deren Methylgruppen nach der Beschichtung im ersten Schritt 101 mittels der zuvor beschriebenen Nachbehandlung im Zwischenschritt 101' durch Hydroxylgruppen ersetzt werden (vgl. auch
Zur Ausbildung temporärer Bondverbindungen ist es denkbar, reine Kohlenwasserstoffketten einzusetzen, deren endständige Terminierung durch die Behandlung aufoxidiert werden, sodass sich Carboxyl- oder Hydroxylgruppen ausbilden.To form temporary bonds, it is conceivable to use pure hydrocarbon chains whose terminal termination is oxidized by the treatment, so that carboxyl or hydroxyl groups are formed.
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In
In
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