Sonderforschungsbereich 379Sonderforschungsbereich 379
Anwendung von Anwendung von NiedertemperaturbondNiedertemperaturbond--verfahren fverfahren füür optische r optische
KomponentenKomponenten
Dr. K. HillerDr. K. HillerTeilprojekt C4Teilprojekt C4
Warum Warum NiedertemperturNiedertempertur--DirektbondenDirektbonden????
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Vorteile : Vorteile : •• keine Zwischenschichten keine Zwischenschichten -- Prozesse zur Abscheidung und Strukturierung entfallenProzesse zur Abscheidung und Strukturierung entfallen•• keine Zwischenschichten keine Zwischenschichten -- Toleranzen der Abscheidung und Strukturierung entfallenToleranzen der Abscheidung und Strukturierung entfallen•• gleiche Substratmaterialien gleiche Substratmaterialien –– keine thermischen Spannungenkeine thermischen Spannungen•• PrePre--BondenBonden bei Raumtemperatur bei Raumtemperatur –– TemperungTemperung bei 200bei 200……400400°°CC•• ca. 70% der Festigkeit von Hochtemperaturca. 70% der Festigkeit von Hochtemperatur--Verbunden erreichbarVerbunden erreichbar•• KompatibilitKompatibilitäät mit metallischen Beschichtungent mit metallischen Beschichtungen•• KompatibilitKompatibilitäät mit elektronischen Schaltungen (t mit elektronischen Schaltungen (CC--MOSMOS--TechnologieTechnologie))
Anwendungen : Anwendungen : •• FFüügen von gen von WafernWafern mit geringen, sehr definierten Spaltabstmit geringen, sehr definierten Spaltabstäändennden•• Applikationen mit geringer Druckbelastung der Applikationen mit geringer Druckbelastung der FFüügestellegestelle•• Systemintegration mit der ElektronikSystemintegration mit der Elektronik
SiliziumSilizium--DirektbondenDirektbonden im im Temperaturbereich bis 400Temperaturbereich bis 400°°CC
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Bonden verschiedener Oberflächen
Si-Si, Si-SiO2 (thermisch), Si-Si3N4, Si-poly-Si (planarisiert), Si-PECVD-Oxid(planarisiert)
Kombination von Naß-und Plasmaprozessen zur Hydrophilisierung
RCA, HNO3O2-Plasma + SpülenO2-Plasma + RCANH3-Plasma + Spülen
Variation des Bondregimes
Prebonden an LuftPrebonden im VakuumSpezielles Trockenregime
Temperung 200...400 °C
Kontrolle im IR-Durchlicht
Untersuchungen zur Bond-festigkeit
Bestimmung der spezifischen Oberflächenenergie (Spalttest, Chevrontest)
Untersuchungen zur Grenzflächenchemie
Infrarotspektroskopie, Ellipsometrie, HRTEM
Plasma-Reaktor
Si Wafer
HF-Elektrode
TurbopumpeHF
Gaszuführung(Sauerstoff, Argon)
Charakterisierung von direkt Charakterisierung von direkt gebondetengebondetenWafernWafern
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
IRIR--Spektroskopie:Spektroskopie:•• In In situsitu Messungen bis 400Messungen bis 400°°CC•• Erweiterung des BondmodellsErweiterung des Bondmodells
C4C4
Bondinterface
PrismaInfrarot-licht
Si
Bondinterface
PrismaInfrarot-licht
Si
Modell des BondmechanismusModell des Bondmechanismusffüür hydrophiles Bonden Sir hydrophiles Bonden Si--SiOSiO22
Charakterisierung von NiedertemperaturCharakterisierung von Niedertemperatur--DirektbondverbindungenDirektbondverbindungen
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
Spalttest/Chevrontest zur BestimmungSpalttest/Chevrontest zur Bestimmungder Oberflder Oberfläächenenergienchenenergien
C4C4
≈
Si
≈
H2O
SiH
Si SiO O
SiOH H H
SiSi
OO
Si
O HHH
Si
Si SiO
SiSi O
HH H
HOH O HO
SiO2
SiO2
≈
Si
≈
SiH
Si
Si SiO
SiO2
SiO2SiO
SiOH H
SiSi
OO HH H2
SiSi
OO
Si
O HHH
Si SiO O
SiOH H H
≈
SiSiH
Si SiO O
SiO
SiSi Si
Si
SiO2
SiO2
≈Si
OH
SiO
SiOH H
Si
O H
Bond-interface
Raumtemperatur 200 °C 400 °C
IRIR--Spektroskopie mit MITSpektroskopie mit MIT--AnordnungAnordnungzur Analyse der chemischen Spezieszur Analyse der chemischen Spezies
Stempel
Bondinterface
Chevron-Kerbspitze
F
F
Bondinterface
PrismaInfrarot-licht
Si
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3Spez. Oberflächenenergie [J/m²]
RCA
HNO3
NH3-Plasma + DI
O2-Plasma + RCA
RIE-O2-Plasma + HNO3
RIE-O2-Plasma + DI
DI + RIE-O2-Plasma
Spalttest Chevrontest
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.1
0.2
0.4
0.5
Si and SiO2multiphononsabsorption
adsorbedwater (HO-H)
SiO-HCHxOy-Si-Hx
Tran
smitt
ance
Wavenumbers / cm-1
Single Transmission MIT
Mikrospiegelarray mit hoher FrequenzMikrospiegelarray mit hoher Frequenz
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Anschlußelektroden (Al) Siliziumstützen
Federbefestigung SpiegelAnschluß-bereich
(Drahtbonden)
Siliziumträger
Anschlußelektroden (Al) Siliziumstützen
Federbefestigung SpiegelAnschluß-bereich
(Drahtbonden)
Siliziumträger
Prinzip: Teilung einer groPrinzip: Teilung einer großßen Spiegelplatte in mehrere Streifen, en Spiegelplatte in mehrere Streifen, welche parallel angesteuert werden und mehrfach abgestwelche parallel angesteuert werden und mehrfach abgestüützt sind tzt sind
Feststehende Elektroden
Torsionsfeder
d0 1
23
αSpiegelplatte
2α
Feststehende Elektroden
Torsionsfeder
d0 1
23
αSpiegelplatte
2αTorsionsfeder
d0 1
23
αSpiegelplatte
2α
• RIE-Sauerstoff-Plasmaaktivierung mitanschließender DI-Wasser-Spülung
• Prebonden im Waferbonder
• Elektrostatischer Druck ermöglicht Bonden der Vielzahl kleiner Stützen
• Temperung bei 350 °C, 5 h, N2
Mikrospiegelarray mit hoher FrequenzMikrospiegelarray mit hoher Frequenz
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Aktiver Wafer (SOI )
Naßätzen, Plasmaätzen
Al-Abscheidung
Trägerwafer (400 µm)
Naßätzen
Oxydation und Al-Abscheidung und Strukturierung
Niedertemperatur-Waferbonden
TechnologieablaufTechnologieablauf SpezifikSpezifik des Bondprozessesdes Bondprozesses
d0
Oxidschicht dox
Ausschnitt aus dem Array
Stützfläche AB
Verformter Bereich
Siliziumfeder cv
VB
Stütze
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
bonded supports
not bonded support
UngebondeterUngebondeter Bereich (Druckkontakt)Bereich (Druckkontakt)
Si 400 µm
Al 1 µm
BondergebnisseBondergebnisse
GebondeteGebondete StStüützstelle (70 tzstelle (70 µµm x 70 m x 70 µµm)m)
IRIR--Aufnahmen der StAufnahmen der Stüützstellentzstellen
ErgebnisseErgebnisse
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
10 20 30 40 50 60 700Frequenz [kHz]
|H(jω
)|
0.01
0.1
1
0.001
0.0001
REMREM--AufnahmeAufnahme GesamtansichtGesamtansicht
Frequenzgang einer SpiegelplatteFrequenzgang einer Spiegelplatte
REMREM--AufnahmenAufnahmen Details (verschiedene Layouts) Details (verschiedene Layouts)
Integration von Mechanik und ElektronikIntegration von Mechanik und Elektronikdurch durch NiedertemperaturNiedertemperatur--DirektbondenDirektbonden
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
•• Herstellung beider Herstellung beider WaferWafer mittels Standardtechnologienmittels Standardtechnologien•• Definition von Definition von „„BondflBondfläächenchen““ als Schnittstellenals Schnittstellen•• eine zuseine zusäätzliche Ebene zum Freitzliche Ebene zum Freiäätzen der tzen der „„BondflBondfläächenchen““
C4C4
Array mikromechanischer Torsionsspiegel
BondflächenSOI - Wafer
Drahtbondanschlüsse
DIMOST - Wafer
Silizium
Oxide Metalle
Reflexions-schicht (Al)
Poly-Si
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
• Analoger Betrieb zur Winkeleinstellung Ausgangsspannungsbereich 40 V … 100 V• Resonanzbetrieb Schaltbetrieb bis 20 kHz• System-in-Package Serielles Einlesen der Schaltsignalfolge und der analogen
Ansteuerwerte für die 48 Mikrospiegel
Anforderungen an die integrierte Elektronik:Anforderungen an die integrierte Elektronik:
U
Systemintegration des Systemintegration des HadamardHadamard--TransformationsTransformations--SpektrometersSpektrometers
Wirkprinzip: Wirkprinzip: • definierte Auslenkung einzelner Spiegel
durch elektrostatische Kräfte(quasistatisch oder dynamisch)
FEMFEM--SimulationSimulation der Eigenschwingformender Eigenschwingformen
Schematischer Aufbau der integrierten Schematischer Aufbau der integrierten ElektronikElektronik
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
AIND
ecod
er 4
8
S&H
S&H
S&H
S&H
HV-VM
HV-VM
HV-VM
HV-VM
OUT 0
OUT 1
OUT 2
OUT 47
S 0
S 1
S 2
S 47
Schi
eber
egis
ter
MClockClock
LOADS-IN
W-OUTS0R0R
WE
ABCDEF
AIND
ecod
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S&H
S&H
S&H
S&H
HV-VM
HV-VM
HV-VM
HV-VM
OUT 0
OUT 1
OUT 2
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S 0
S 1
S 2
S 47
Schi
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egis
ter
MClockClock
LOADS-IN
W-OUTS0R0R
WE
ABCDEF
Schematischer Aufbau und Ansicht der Schematischer Aufbau und Ansicht der integrierten Elektronikintegrierten Elektronik
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Bondrahmen
Logik
Elek
trod
en
Hoc
hvol
tver
stär
ker
Eing
angs
vers
tärk
er
Ans
chlu
ss-P
ads
Sam
ple
& H
old
Mikrospiegel
ErgebnisseErgebnisse
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
IRIR--Durchlichtbild eines Durchlichtbild eines gebondetengebondeten Chips Chips
REMREM--Bilder des integrierten ArraysBilder des integrierten Arrays
Außenabmessungen (einschließlich des zweiten Bondrahmens):
ca. 9 mm x 13 mm
Abmessungen eines Mikrospiegels:ca. 115 µm x 900 µm
FunktionsnachweisFunktionsnachweis
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ffüür r rekonfigurierbarerekonfigurierbare ResonatorarraysResonatorarrays
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
Wirkprinzip : Wirkprinzip : •• VerVeräänderung der Steifigkeit/Frequenz durch elektrostatische Krnderung der Steifigkeit/Frequenz durch elektrostatische Krääftefte
C4C4
Schaltbare Federpaare
Anschluss-kontakte
Gebondete Massen
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ffüür r rekonfigurierbarerekonfigurierbare ResonatorarraysResonatorarrays
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
Wirkprinzip : Wirkprinzip : •• VerVeräänderung der Steifigkeit/Frequenz durch elektrostatische Krnderung der Steifigkeit/Frequenz durch elektrostatische Krääftefte
•• Selektives Bonden durch gezielte Beeinflussung der OberflSelektives Bonden durch gezielte Beeinflussung der Oberfläächenchen•• Federn realisieren lFedern realisieren löösbare Verbindungsbare Verbindung
C4C4
Besondere Herausforderung:Besondere Herausforderung:
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Selektives Bonden und Selektives Bonden und AufrauhenAufrauhen der der FederoberflFederoberfläächeche
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ......
•• Spaltabstand im Bereich der Federn: 2 Spaltabstand im Bereich der Federn: 2 µµmm•• Einstellen des Spaltabstandes: 1,5 Einstellen des Spaltabstandes: 1,5 µµm Oxidm Oxidäätzen (nasschemisch), tzen (nasschemisch), •• 0,5 0,5 µµm Si m Si äätzen (tzen (plasmachemischplasmachemisch) ) •• ErhErhööhung der Rauheit hung der Rauheit RqRq von 0,3 nm auf 1,6von 0,3 nm auf 1,6……2,3 nm2,3 nm•• Reduzierung der AdhReduzierung der Adhääsionsenergie von 0,1 J/msionsenergie von 0,1 J/m²² auf 2,4auf 2,4··1010--44……2,42,4··1010--22 J/mJ/m²²
C4C4
AFMAFM--MessungMessung der Rauheit im Spaltgebietder Rauheit im Spaltgebiet IRIR--DurchlichtaufnahmeDurchlichtaufnahme
GebondeterGebondeterBereichBereich
UngebondeterUngebondeterBereichBereich
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Aufnahmen Aufnahmen gebondetergebondeter WaferWafer/Chips/Chips
Schaltcharakteristik der Schaltcharakteristik der ResonatorenResonatoren
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Zusammenhang FederlZusammenhang Federläänge nge -- SteifigkeitSteifigkeit
ÄÄnderung der Frequenz in nderung der Frequenz in AbhAbhäängigkeit des Schaltzustandesngigkeit des Schaltzustandes
FrequenzgFrequenzgäänge in Abhnge in Abhäängigkeit des ngigkeit des SchaltzustandesSchaltzustandes
FabryFabry--PerotPerot--FilterFilter ffüür den r den MIRMIR--BereichBereich
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Foto:Foto:
Fa. Fa. InfraTecInfraTec GmbH, GmbH, DresdenDresden
Tran
smitt
ance
λ
zFr
zFr
Elektrode Silizium
Feder
V
USignal
Breitbandpass
Breitband-IR-Detektor
IR (3 – 5 µm)
Spalt Reflektor
FabryFabry--PerotPerot--FilterFilter, Aufbauvarianten, Aufbauvarianten
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
dopt
del
Si 4
Si 3
Federn
Elektroden
Reflektoren
ARCBlendeSchirm
dopt
del
Si 4
Si 3
Federn
Elektroden
Reflektoren
ARCBlendeSchirm
del
dopt
Si 4
Si 3
Si 2
Federn
Elektroden
Reflektoren
ARCBlendeSchirm
FabryFabry--PerotPerot--FilterFilter, Ergebnisse, Ergebnisse
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
0102030405060708090
100
3000 3500 4000 4500 5000
Wellenlänge [nm]
Tran
smis
sion
[%]
0 V
15 V
20 V
25 V
27 V
28 V
29 V
FabryFabry--PerotPerot--FilterFilter, Anwendungen, Anwendungen
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
Küvette IR DetektorIR Quelle
Gas
durchstimmbares Filter
Gas-Analyse-System (mit freundlicher Genehmigung von InfraTec GmbH Dresden)
Küvette IR DetektorIR Quelle
Gas
durchstimmbares Filter
Gas-Analyse-System (mit freundlicher Genehmigung von InfraTec GmbH Dresden)
Medizintechnik:Medizintechnik:
z.B. z.B. AnAnäästesiestesieüüberwachungberwachung
Prozessmesstechnik:Prozessmesstechnik:
z.B. COz.B. CO22--MessungMessung
Umwelttechnik:Umwelttechnik:
z.B. Feuerz.B. Feuer-- und und RauchdetektionRauchdetektion
NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ...... C4C4
HadamardHadamard--TransformationsTransformations--SpektrometerSpektrometerGitter
Mikrospiegelarray
Detektor
Einfallendes Licht
Stop
Eintrittsspalt
Linse⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−−−−
=
111111111111
1111
4H
Hadamard-Matrix H:
• Elemente (Spiegel) sind ein- oder ausgeschaltet
• Realisierung z.B. durch Schwingung in Phase (ein) oder mit 180°Phasenverschiebung (aus)• hohe Lichtintensität: Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes