Die Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung von Halbleiterwaferbondtechnologien mit strukturierten Glaszwischenschichten. Im Mittelpunkt steht dabei das Glaslotbonden mittels niedrigschmelzender Gläser, die als Pasten durch Siebdruck strukturiert aufgetragen und thermisch konditioniert werden, bevor sie thermo-kompressiv gebondet werden. Die Eigenschaften der Bondverbindung und des Glaslotes wurden untersucht. Weiterhin sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele (oberflächenmikromechanische und optische Sensoren, sowie trimmbare Widerstände) aufgeführt. / This work is a contribution to the development of semiconductor wafer bonding technologies by structured glass inter layers. The main aspect is the glass frit bonding using low melting point glass, deposited as a paste by screen printing as structured layer and thermal conditioned to a real glass before the thermo-compressive bonding. The properties of the bond interface and the bonding glass are investigated. Several examples (surface micro-mechanical and optical sensors as well as trimmable resistors) are given.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur kontinuierlichen Bestimmung von Massendurchfluss sowie Dichte für den Bereich der Mikroverfahrenstechnik dar. Verschiedene Messverfahren und Sensoren werden vorgestellt und diskutiert. Die fest eingespannte durchflossene Messröhre in resonanter Schwingung kann zum einen zur Dichtebestimmung genutzt werden, da die Dichte des Fluids die bewegte Masse des Sensors und daher dessen Eigenfrequenz beeinflusst. Beim Biegeschwinger erfährt das strömende Fluid zusätzlich eine Winkelgeschwindigkeit, die die Corioliskraft als Maß für die bewegte Masse zur Folge hat. Verschiedene konstruktive Varianten der resonanten Messröhre werden vorgestellt, dabei wird auf analytische Berechnungsverfahren ebenso eingegangen wie auf die Bestimmung der statischen und dynamischen Parameter mit rechnergestützter Simulation (Finite Elemente Methode). Ebenso wird der Einsatz von gekoppelten Mehrfachschwingern erörtert und es werden Schwingungsformen sowie Vor- und Nachteile des Doppelresonators erörtert. Im technologischen Teil wird die Herstellung mechanischer Resonatoren in Volumenmikromechanik vorgestellt. Dabei wird besonders auf das anisotrope Ätzen von einkristallinem Silizium in Kalilauge sowie auf das Silizium-Direktbonden eingegangen. Der Aufbau von Doppelresonatoren durch mehrfaches Bonden wird ebenfalls untersucht und die gefertigten Sensoren werden vorgestellt. Varianten der messtechnischen Auswertung resonanter Sensoren werden bezüglich des Nutzens für die Massendurchfluss- und Dichtemessung untersucht. Dabei werden besonders zwei entwickelte kapazitive Messverfahren näher vorgestellt, mit deren Hilfe die Sensorstrukturen untersucht werden. Es wird die Funktion der Dichtemessung mit einer Auflösung von 0,01 g/cm³ bei Flüssigkeiten und Gasen nachgewiesen und der Massenfluss bis 2 g/s bei einer Auflösung von 0,1 g/s. / This thesis represents a contribution to the continuous measurement of mass flow and density for the field of micro process engineering. Different measuring principles and sensors are introduced and discussed. The clamped fluid-filled measuring tube in resonant oscillation can be used on the one hand for density determination, since the density of the fluid influences the moving mass of the sensor and therefore its eigenfrequency. Inside an oscillating U-tube the fluid will additionally be exposed to an angular velocity, which leads to the Coriolis force as a quantity for the moving mass. Different design variants of the resonant measuring tube are presented. Analytical methods are introduced as well as techniques to determine the static and dynamic parameters by computer-aided simulation (finite element method). Furthermore the usage of coupled oscillators is discussed, possible modes of vibration are determined and the pros and cons of the double resonator are estimated. In the technological part the fabrication of mechanical resonators using bulk micromachining is presented. Special attention is drawn to anisotropic etching of monocrystal silicon in a potassium hydroxide solution as well as to silicon fusion bonding. The forming of double resonators by multiple wafer bonding is also examined and the manufactured sensors are shown. Methods of Variants of metrological evaluation of resonant sensors are examined concerning their usability for the mass flow and density measurement. Particularly two developed capacitive measuring techniques are discussed in detail and the sensor structures are examined with their help. The performance of the density measurement with a resolution down to 0,01 g/cm³ is proven with liquids and gases as well as the mass flow measurement up to 2 g/s with a resolution of 0,1 g/s.

Die Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung von Halbleiterwaferbondtechnologien mit strukturierten Glaszwischenschichten. Im Mittelpunkt steht dabei das Glaslotbonden mittels niedrigschmelzender Gläser, die als Pasten durch Siebdruck strukturiert aufgetragen und thermisch konditioniert werden, bevor sie thermo-kompressiv gebondet werden. Die Eigenschaften der Bondverbindung und des Glaslotes wurden untersucht. Weiterhin sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele (oberflächenmikromechanische und optische Sensoren, sowie trimmbare Widerstände) aufgeführt. / This work is a contribution to the development of semiconductor wafer bonding technologies by structured glass inter layers. The main aspect is the glass frit bonding using low melting point glass, deposited as a paste by screen printing as structured layer and thermal conditioned to a real glass before the thermo-compressive bonding. The properties of the bond interface and the bonding glass are investigated. Several examples (surface micro-mechanical and optical sensors as well as trimmable resistors) are given.

Die Arbeit beschreibt die Anfertigung eines speziellen SOI-Substrates, bei dem eine strukturierte Kobaltdisilizidschicht zwischen dem vergrabenen Oxid und der Silizium- Bauelementeschicht angeordnet ist. Dieses soll für die gemeinsame Integration bipolarerer und unipolarerer Bauelemente auf einem SOI-Substrat im Bereich der Höchstfrequenztechnik Anwendung finden. Verschiedene Technologien zur Herstellung von SOI-Substraten sowie deren Eigenschaften werden vorgestellt und in Hinblick auf eine mögliche Anwendung diskutiert. Schließlich wurden die konventionellen Technologien, Bond and Etchback SOI (BESOI) und wasserstoffinduzierte Delamination (SmartCut®), als geeignet ausgewählt. Es wurden erstmalig durchgängige Technologiekonzepte erarbeitet, welche die Prozesse zur SOI- Substratfertigung und die Teilschritte zur Herstellung hochwertiger Kobaltdisilizidschichten mittels des Kobalt-Salicide-Prozesses enthalten. Schwerpunkte bei der Silizidherstellung waren die Metallabscheidung mit sehr guter Homogenität sowie die zur Silizierung notwen-digen Hochtemperaturprozesse. Weiterhin wurde ein nasschemischer Prozess entwickelt, welcher das Ätzen der Ausgangsmetalle, selektiv zur entstehenden Silizidschicht, ermöglicht. Ein Schlüsselprozess in beiden Technologien ist das Waferbonden, welches in Hinblick auf Funktionalität und Fehlerfreiheit optimiert wurde. Für den BESOI-Prozess ist das Wafergrinden die kritische Technologie. Dabei war es vor allem notwendig, eine optimale Restsiliziumdicke zu finden. Bei der SmartCut®-Technologie stellte die Wasserstoffionen-implantation durch abwechselnde Gebiete mit und ohne Silizid mit der gleichen Reichweite der implantierten Ionen eine große Herausforderung dar. Die Grenzfläche zwischen dem Kobaltdisilizid und dem Silizium der Bauelementeschicht ist bei Verwendung des konventionellen Kobalt-Salicide-Prozesses zu rau für die Anwendung als vergrabenes Silizid in einem SOI-Substrat. Durch Modifikation von Prozessparametern und durch die Anordnung verschiedener Schichten zwischen Silizium und Kobalt während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Grenzflächenqualität zu erzielen. Mit der Verwendung einer polykristallinen Siliziumzwischenschicht gelang es schließlich, die Rauhigkeitswerte signifikant zu senken. Schließlich wurde die Eigenschaft des Kobalts untersucht, in den Siliziumkristall einzudringen und die Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger zu senken. Durch die Verwendung eines reineren Sputtertargets und die Modifikation der Schichtgeometrien während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Lebensdauerwerte zu erzielen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Dünnschichtverkappung von oberflächennahen Mikrostrukturen vorgestellt. Ausgehend von den speziellen Anforderungen an die Verkappung oberflächennaher Mikrostrukturen, insbesondere von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, wurden die Verwendung eines Fluor-Kohlenstoff-Polymers als Opferschichtmaterial und die Eignung unterschiedlicher Schichtstapel zur Realisierung der Dünnschichtkappe untersucht. Die resultierende Technologie ermöglicht eine durchgehend trockenchemische Prozessierung. Für die Abschätzung der notwendigen Schichtdicken und den geometrischen Entwurf der Kappenstrukturen, wurden auf Basis der Plattentheorie analytische und numerische Modelle erstellt. Verschiedene Materialkombinationen bestehend aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium wurden hinsichtlich ihrer mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung der Opferschichtprozesse, sowie deren Integration in die Gesamttechnologie. Die Eignung der plasmagestützten Prozesse zur Abscheidung und Strukturierung des Opferpolymers wurde durch die Fertigung von verkapselten Beschleunigungssensoren nachgewiesen. Ein ausreichender hermetischer Verschluss der Dünnschichtkappe konnte durch die Messung der viskosen Dämpfung an Feder-Masse-Schwingern bestätigt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Dünnschichtverkappung von oberflächennahen Mikrostrukturen vorgestellt. Ausgehend von den speziellen Anforderungen an die Verkappung oberflächennaher Mikrostrukturen, insbesondere von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, wurden die Verwendung eines Fluor-Kohlenstoff-Polymers als Opferschichtmaterial und die Eignung unterschiedlicher Schichtstapel zur Realisierung der Dünnschichtkappe untersucht. Die resultierende Technologie ermöglicht eine durchgehend trockenchemische Prozessierung. Für die Abschätzung der notwendigen Schichtdicken und den geometrischen Entwurf der Kappenstrukturen, wurden auf Basis der Plattentheorie analytische und numerische Modelle erstellt. Verschiedene Materialkombinationen bestehend aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium wurden hinsichtlich ihrer mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung der Opferschichtprozesse, sowie deren Integration in die Gesamttechnologie. Die Eignung der plasmagestützten Prozesse zur Abscheidung und Strukturierung des Opferpolymers wurde durch die Fertigung von verkapselten Beschleunigungssensoren nachgewiesen. Ein ausreichender hermetischer Verschluss der Dünnschichtkappe konnte durch die Messung der viskosen Dämpfung an Feder-Masse-Schwingern bestätigt werden.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur kontinuierlichen Bestimmung von Massendurchfluss sowie Dichte für den Bereich der Mikroverfahrenstechnik dar. Verschiedene Messverfahren und Sensoren werden vorgestellt und diskutiert. Die fest eingespannte durchflossene Messröhre in resonanter Schwingung kann zum einen zur Dichtebestimmung genutzt werden, da die Dichte des Fluids die bewegte Masse des Sensors und daher dessen Eigenfrequenz beeinflusst. Beim Biegeschwinger erfährt das strömende Fluid zusätzlich eine Winkelgeschwindigkeit, die die Corioliskraft als Maß für die bewegte Masse zur Folge hat. Verschiedene konstruktive Varianten der resonanten Messröhre werden vorgestellt, dabei wird auf analytische Berechnungsverfahren ebenso eingegangen wie auf die Bestimmung der statischen und dynamischen Parameter mit rechnergestützter Simulation (Finite Elemente Methode). Ebenso wird der Einsatz von gekoppelten Mehrfachschwingern erörtert und es werden Schwingungsformen sowie Vor- und Nachteile des Doppelresonators erörtert. Im technologischen Teil wird die Herstellung mechanischer Resonatoren in Volumenmikromechanik vorgestellt. Dabei wird besonders auf das anisotrope Ätzen von einkristallinem Silizium in Kalilauge sowie auf das Silizium-Direktbonden eingegangen. Der Aufbau von Doppelresonatoren durch mehrfaches Bonden wird ebenfalls untersucht und die gefertigten Sensoren werden vorgestellt. Varianten der messtechnischen Auswertung resonanter Sensoren werden bezüglich des Nutzens für die Massendurchfluss- und Dichtemessung untersucht. Dabei werden besonders zwei entwickelte kapazitive Messverfahren näher vorgestellt, mit deren Hilfe die Sensorstrukturen untersucht werden. Es wird die Funktion der Dichtemessung mit einer Auflösung von 0,01 g/cm³ bei Flüssigkeiten und Gasen nachgewiesen und der Massenfluss bis 2 g/s bei einer Auflösung von 0,1 g/s. / This thesis represents a contribution to the continuous measurement of mass flow and density for the field of micro process engineering. Different measuring principles and sensors are introduced and discussed. The clamped fluid-filled measuring tube in resonant oscillation can be used on the one hand for density determination, since the density of the fluid influences the moving mass of the sensor and therefore its eigenfrequency. Inside an oscillating U-tube the fluid will additionally be exposed to an angular velocity, which leads to the Coriolis force as a quantity for the moving mass. Different design variants of the resonant measuring tube are presented. Analytical methods are introduced as well as techniques to determine the static and dynamic parameters by computer-aided simulation (finite element method). Furthermore the usage of coupled oscillators is discussed, possible modes of vibration are determined and the pros and cons of the double resonator are estimated. In the technological part the fabrication of mechanical resonators using bulk micromachining is presented. Special attention is drawn to anisotropic etching of monocrystal silicon in a potassium hydroxide solution as well as to silicon fusion bonding. The forming of double resonators by multiple wafer bonding is also examined and the manufactured sensors are shown. Methods of Variants of metrological evaluation of resonant sensors are examined concerning their usability for the mass flow and density measurement. Particularly two developed capacitive measuring techniques are discussed in detail and the sensor structures are examined with their help. The performance of the density measurement with a resolution down to 0,01 g/cm³ is proven with liquids and gases as well as the mass flow measurement up to 2 g/s with a resolution of 0,1 g/s.

Within this work, bonding technologies based upon the alloying of gallium with other metals to assemble semiconductor substrates for the possible application of encapsulation and 3D-integration of micro systems and devices have been researched. Motivated by the important demand to achieve low temperature processes, methods with bonding temperatures below 200°C were investigated. Necessary technologies like the deposition of gallium as thin film and subsequent micro structuring have been developed. The alloying between gallium and gold as well as gallium and copper was analysed in detail. A good correlation between the elemental composition of the interface and its mechanical and electrical parameters was established, particularly regarding its thermal dependence. It emerged that in case of combination Au/Ga Kirkendall void are extensively formed whereby serious problems with mechanical strength as well as hermeticity emerged. In case of Cu/Ga, this problem is existent to a much lesser degree; it was possible to create hermetic tight bonds. For the necessary pre-treatment of copper, several methods could be successfully demonstrated. In summary, the development of bonding technologies based upon metallic interfaces that exhibit electric conductance, high strength and hermetic seal could be demonstrated. / In dieser Arbeit werden Bondverfahren zum Fügen von Halbleitersubstraten für mögliche Anwendungen für die Verkapselung und 3D-Integration von Bauelementen der Mikrosystemtechnik erforscht, die auf der Legierungsbildung von Gallium mit anderen Metallen beruhen. Motiviert von der zentralen Anforderung an niedrige Prozesstemperaturen wurden Methoden mit Fügetemperaturen deutlich unter 200°C untersucht. Dafür nötige Technologien zum Abscheiden von Gallium als Dünnschicht und das anschließende Mikrostrukturieren wurden entwickelt. Die Legierungsbildung zwischen Gallium und Gold sowie zwischen Gallium und Kupfer wurde im experimentell im Detail analysiert. Dabei konnte eine gute Korrelation zwischen der stofflichen Zusammensetzung und den mechanischen bzw. elektrischen Parametern der Zwischenschicht, auch und insbesondere hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit gefunden werden. Es stellte sich heraus, dass im Falle der Kombination Au/Ga Kirkendall Hohlräume in einer Menge entstehen, die zu erheblichen Problemen bezüglich mechanischer Festigkeit und Dichtheit der Fügeverbindung führen. Bei der Materialkombination Cu/Ga hingegen trat dieses Problem nur begrenzt auf; es war möglich hermetisch dichte Verbindungen herzustellen. Für die bei Kupfer nötige Vorbehandlung wurden mehrere Methoden erfolgreich getestet. Insgesamt konnte die Entwicklung von Fügetechnologien gezeigt werden, die metallische Zwischenschichten verwenden, elektrisch leitfähig sind, sehr gute Festigkeiten aufweisen und hermetisch dicht sind.

Die Arbeit beschreibt die Anfertigung eines speziellen SOI-Substrates, bei dem eine strukturierte Kobaltdisilizidschicht zwischen dem vergrabenen Oxid und der Silizium- Bauelementeschicht angeordnet ist. Dieses soll für die gemeinsame Integration bipolarerer und unipolarerer Bauelemente auf einem SOI-Substrat im Bereich der Höchstfrequenztechnik Anwendung finden. Verschiedene Technologien zur Herstellung von SOI-Substraten sowie deren Eigenschaften werden vorgestellt und in Hinblick auf eine mögliche Anwendung diskutiert. Schließlich wurden die konventionellen Technologien, Bond and Etchback SOI (BESOI) und wasserstoffinduzierte Delamination (SmartCut®), als geeignet ausgewählt. Es wurden erstmalig durchgängige Technologiekonzepte erarbeitet, welche die Prozesse zur SOI- Substratfertigung und die Teilschritte zur Herstellung hochwertiger Kobaltdisilizidschichten mittels des Kobalt-Salicide-Prozesses enthalten. Schwerpunkte bei der Silizidherstellung waren die Metallabscheidung mit sehr guter Homogenität sowie die zur Silizierung notwen-digen Hochtemperaturprozesse. Weiterhin wurde ein nasschemischer Prozess entwickelt, welcher das Ätzen der Ausgangsmetalle, selektiv zur entstehenden Silizidschicht, ermöglicht. Ein Schlüsselprozess in beiden Technologien ist das Waferbonden, welches in Hinblick auf Funktionalität und Fehlerfreiheit optimiert wurde. Für den BESOI-Prozess ist das Wafergrinden die kritische Technologie. Dabei war es vor allem notwendig, eine optimale Restsiliziumdicke zu finden. Bei der SmartCut®-Technologie stellte die Wasserstoffionen-implantation durch abwechselnde Gebiete mit und ohne Silizid mit der gleichen Reichweite der implantierten Ionen eine große Herausforderung dar. Die Grenzfläche zwischen dem Kobaltdisilizid und dem Silizium der Bauelementeschicht ist bei Verwendung des konventionellen Kobalt-Salicide-Prozesses zu rau für die Anwendung als vergrabenes Silizid in einem SOI-Substrat. Durch Modifikation von Prozessparametern und durch die Anordnung verschiedener Schichten zwischen Silizium und Kobalt während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Grenzflächenqualität zu erzielen. Mit der Verwendung einer polykristallinen Siliziumzwischenschicht gelang es schließlich, die Rauhigkeitswerte signifikant zu senken. Schließlich wurde die Eigenschaft des Kobalts untersucht, in den Siliziumkristall einzudringen und die Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger zu senken. Durch die Verwendung eines reineren Sputtertargets und die Modifikation der Schichtgeometrien während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Lebensdauerwerte zu erzielen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Übertragung der aus der Siliziumtechnologie bekannten Präzision der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnologie auf andere Materialien wie Kupfer und PMMA. Diese Untersuchung ist auf die Entwicklung der Teiltechnologien Strukturierung und Integration fokussiert und konzentriert sich insbesondere auf die Kombination von Mikrostrukturierung und dreidimensionalen Aufbautechniken einschließlich vertikaler fluidischer Durchkontaktierungen bei den Materialien Silizium, Kupfer und Kunststoff (PMMA). Eine begleitende Charakterisierung und messtechnische Bewertung gestattet die Weiterentwicklung während der Experimentedurchführung und erweitert den Stand der Wissenschaft hinsichtlich der genannten Kombinationen. / The work describes the transfer of well known high precisive and reliable micro technologies for patterning and packaging of Silicon to new materials like Copper and PMMA. This investigation is focused on special patterning technologies and system integration aspects. Furthermore the development of material-dependent micro patterning technologies and multi layer packaging techniques including vertical fluidic interconnects using materials like Silicon, Copper, and PMMA (polymer) is shown. An accompanying characterization and measurement-based evaluation enables the ongoing development while performing experimental analysis. At least a higher state of the art for these complex combinations is reached.