Anwendung von Niedertemperaturbond- verfahren für optische ... · REM-Aufnahme Gesamtansicht Frequenzgang einer Spiegelplatte REM-Aufnahmen Details (verschiedene Layouts) Integration

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


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


Si

Modell des BondmechanismusModell des Bondmechanismusffüür hydrophiles Bonden Sir hydrophiles Bonden Si--SiOSiO22

Charakterisierung von NiedertemperaturCharakterisierung von Niedertemperatur--DirektbondverbindungenDirektbondverbindungen


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


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


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


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


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


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


•• 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


• 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


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

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

Schematischer Aufbau und Ansicht der Schematischer Aufbau und Ansicht der integrierten Elektronikintegrierten Elektronik


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


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


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


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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� � � � � � � � ��

� � � � � � � � �

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� � � � � � � � � � � � � � � � � � �

Selektives Bonden und Selektives Bonden und AufrauhenAufrauhen der der FederoberflFederoberfläächeche


•• 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


Aufnahmen Aufnahmen gebondetergebondeter WaferWafer/Chips/Chips

Schaltcharakteristik der Schaltcharakteristik der ResonatorenResonatoren


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


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


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


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


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


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

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Anwendung von Niedertemperaturbond- verfahren für optische ... · REM-Aufnahme Gesamtansicht Frequenzgang einer Spiegelplatte REM-Aufnahmen Details (verschiedene Layouts) Integration