用于共晶键合两个载体装置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于共晶键合两个载体装置的方法。此外本发明涉及一种微机械结构元件。
【背景技术】
[0002]用于测量例如加速度和转速的微机械传感器已经公知并且批量生产用于汽车和消费领域中的各种应用。
[0003]图1表示常规的微机械惯性传感器300的原理的横剖面视图。这里，在硅衬底10上沉积并且结构化氧化物层20和多晶硅层30。在厚的功能层40中构造可运动的微机械结构41。被埋置的多晶硅层30用作电气印制导线或者用作电极。为了保护不受环境影响和出于密封封装(在空洞内建立规定的内压)灵敏的结构41的目的，将MEMS (Microelectromechanical Systems，微机电系统)晶片100与罩晶片200键合在一起。
[0004]一种为此使用的通用的键合方法是共晶键合例如铝和锗，其中，首先例如在MEMS晶片100上沉积并且结构化铝层50并且在罩晶片200的朝向MEMS晶片100的表面上沉积并且结构化锗层60。这里，所述层50，60的厚度在从约I微米到数微米的范围内构造。
[0005]接着将晶片100，200在从约430°C到约450°C的范围内的温度下加热并且用高的挤压力压在一起。当两个层50，60互相产生接触时，能够形成共晶的熔融物，其中，在冷却过程的情况下构成金属的铝锗组织，通过所述铝锗组织可实现围绕MEMS晶片100的可运动MEMS结构41的、密封的密封圈以及MEMS晶片100和罩晶片200之间的电气接触。
[0006]有关的方法例如从US 5, 693, 574 A、US 6, 199, 748 BK US 7, 442, 570 B2、US 8,084,332 B2、US 2012 0094435 AU DE 10 2007 048 604 Al 中和从 Bao Vu,Paul M.Zavracky 的“Patterned eutectic bonding with Al/Ge thin films formicroelectromechanical systems，，，J.Vac.Sc1.Technol.Band 14， 第 2588-2594 页(1996)中知晓。
[0007]为了使所说明的共晶键合过程可靠地作用，所涉及的表面必须足够平坦和清洁以及必须施加以足够的压力和足够的温度。但是，更多的效应会负面地影响键合过程的匀质性和可靠性。
[0008]-无论锗还是铝都在与空气接触时构成氧化的表面区域，所述表面区域能够损害键合附着。
[0009]-键合材料铝和锗的两个表面具有一定的基础粗糙度，由此首先减小这两个表面之间的有效的几何接触区域，从而锗和铝的为键合过程所需要的互扩散也被限制。通过提高用以将晶片压在一起的、机械的键合压力能够提高有效的接触面积。但是，过高的键合压力会不利地导致晶片组织上的损坏。
[0010]-尤其经常在传感器结构上沉积所谓的防粘涂层(Ant1-Stict1n-Coating，ASC)或者说抗粘着层用于加速度传感器。该ASC层以不希望的方式也淤积到键合框上并且也能够导致显著减小键合附着。因此，为了改善键合附着，必须尽可能在进行键合前又除去该ASC层。在铝上有ASC层的情况下，这可以以常规的方式通过在适宜的温度下和用适宜的持续时间加热晶片来进行，因为抗粘着涂层在铝上的附着比在硅MEMS结构上的附着弱(例如参见 US 2012 0244677 Al)。
[0011]-但是不能在锗层上进行相应的停烧过程(Abheiz-Prozess)，因为ASC层在那里和在硅上类似好地附着。因此，涂敷锗的晶片需要其他的清洁方法例如通过激光来局部加热，这里仅加热键合框，或者溅射表面。但是，这些和其他的清洁方法包含一些风险并且通常导致更大成本。
[0012]另外已知所谓的“竖直集成”或者“混合集成”或者“3D集成”的方法，其中，至少一个MEMS晶片和评估ASIC晶片通过晶片键合方法互相机械和电气地连接。
[0013]这种方法例如从US 7，250，353B2、US 7, 442, 570 B2、US 2010 0109102 AU US2011 0049652 AUUS 2011 0012247 AUUS 2012 0049299 AU DE 10 2007 048604 Al 中知晓。
[0014]特别吸引人的是与电气的通孔敷镀(Durchkontaktierungen)(英语为娃通孔，through-silicon-vias，TSVs)和倒装晶片技术结合的竖直集成方法，由此能够进行作为所谓的“裸芯片”模块或者“芯片规模封装”亦即没有塑料包封的外部接触。这种系统例如从US 2012 0049299 Al 和 US 2012 0235251 Al 中知晓。
[0015]DE 10 2009 002 363 Al公开了一种共晶的键合方法，其中，在预结构化的表面上实现局部构造的键合接触。由于接触面的相对小的尺寸，应该提高在键合时使用的压力，其中，应通过升高的压力提高键合层的熔融的材料的变形和流动速度。结果，借助减小的接触面应该使得两个键合层的熔融材料能够良好混合。
【发明内容】
[0016]本发明的任务在于，提供改进的共晶的键合方法。
[0017]根据第一方面，该任务通过用于共晶键合两个载体装置的方法解决，所述方法具有步骤:
[0018]a)在第一载体装置上布置第一键合材料的第一层；
[0019]b)在第二载体装置上布置第二键合材料的第一层；
[0020]c)在第一键合材料的第一层上布置相对于第一键合材料的第一层薄的、第二键合材料的第二层；和
[0021]d)共晶键合两个载体装置。
[0022]以这种方式，根据本发明将两种相同的键合材料相对置地“面对面”布置。因此，能够及早形成液态的共晶物，从而由此支持键合连接的改善的匀质性。由于在真正的键合前已经构成一种液态相的事实，支持匀质的接触，这也引起两种键合材料的改善的热传输和改善的熔融。通过紧密的接触能够发生更好的温度补偿。
[0023]此外，能够有利地减小键合时的挤压力和热负荷的持续时间，这尤其支持具有ASIC晶片的传感器装置的小心的制造。此外，能够有利地减小挤压力和温度负荷的持续时间，这尤其对小心地制造具有ASIC晶片的传感器装置适合。结果，能够非常小心地加工ASIC晶片。此外，能够以有利的方式使用唯一一种清洁方法用于去除载体装置的表面上的氧化物层，其中，也能够较容易地去除可能的抗粘着层。
[0024]根据第二方面，所述任务通过一种微机械结构元件解决，其具有:
[0025]-第一载体装置；和
[0026]-第二载体装置，其中，所述两个载体装置能够被共晶键合，其中，在两个载体装置中的一个载体装置的键合框上布置另一个载体装置的键合框的键合材料的层作为最上面的层。
[0027]所述方法和所述结构元件的有利的扩展是从属权利要求的主题。
[0028]所述方法的一种有利的扩展设置，在步骤c)中执行在第二键合材料的第一层上布置相对于第二键合材料的第一层薄的、第一键合材料的第二层。由此有利地提供键合材料的可选的层顺序。
[0029]所述方法的另一种有利的扩展设置，第二键合材料的第二层和第一键合材料的第二层为约30nm到约2000nm厚，尤其为约10nm到约500nm厚。通过键合材料的第二层的该特定的厚度，能够非常有效地在真正的键合前就已经产生液态共晶物的构成。由此，能够在键合过程中将需要的键合压力保持得低并且将载体装置的温度负荷保持得时间短。
[0030]所述方法的另一种有利的扩展设置，第一键合材料是锗和第二键合材料是铝。由此提供两种已被证明合适的键合材料。
[0031]所述方法的另外的有利的扩展设置，第一键合材料是金和第二键合材料是硅或者第一键合材料是铜和第二键合材料是锡。有利的是由此为本发明的方法能够使用另外的键合材料组合。
[0032]所述方法的另一种有利的扩展设置，第一载体装置是MEMS晶片和第二载体装置是ASIC晶片。对于竖直集成的微机械结构元件而言这是特别有利的，因为以这种方式使得能够特别小心地处理所使用的灵敏的晶片。
【附图说明】
[0033]下面通过另外的特征和优点根据多幅附图详细说明本发明。这里，所有的特征与它们在说明和附图中的表示无关地，或者说与它们在权利要求中的引用关系无关地构成本发明的主题。相同的或者功能相同的元件具有相同的附图标记。附图首先为原理地理解绘制并且不一定按比例表示。
[0034]在附图中示出:
[0035]图1在常规的共晶的键合过程前的两个晶片的横剖面视图；
[0036]图2常规的微机械传感器的在执行两个晶片的共晶键合后的横剖面视图；
[0037]图3a、3b常规的键合框的细节视图；
[0038]图4两个晶片的在常规的共晶键合前的横剖面视图，其中，所述晶片中的具有评估 ASIC ；
[0039]图5a_5d根据本发明的载体装置的原理的细节视图；
[0040]图6具有根据本发明的载体装置的键合系统的第一实施方式；
[0041]图7根据本发明的载体装置的键合系统的另一实施方式；和
[0042]图8根据本发明的方法的一种实施