DE4329793C1

DE4329793C1 - Method for adjusting the semiconductor wafers used in the fabrication of micromechanical sensors

Info

Publication number: DE4329793C1
Application number: DE19934329793
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Schuster; Heribert Dipl Ing Weber
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2013-09-04

Abstract

Method for adjusting two semiconductor wafers 1, 2 relative to each other, a ball 9 projecting by a part of its diameter into an indentation 7 in the first semiconductor wafer 1 and by the other part of its diameter into a finger-shaped structure in the second semiconductor wafer 2. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bei dem zwei oder mehrere Halbleiterscheiben zueinander justiert werden.The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 in which two or more semiconductor wafers are adjusted to one another.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus (JP 3-106 012 A veröffentlicht in Patents Abstracts of Japan, Section E, Vol. 15 (1991), No. 295 (E-1094) bekannt.Such a method is for example from (JP 3-106 012 A published in Patents Abstracts of Japan, Section E, Vol. 15 (1991), No. 295 (E-1094).

Bei der Herstellung von mikromechanischen Sensoren (z. B. Referenzdrucksensoren, Beschleunigungssensoren) tritt die Problemstellung auf, Hohlräume mit einem bestimmten Innendruck herzustellen und gleichzeitig die verwendeten Halbleiterscheiben (Wafer) zueinander zu justieren. Die Justierung der Halbleiterscheiben zuein ander kann auf verschiedene Art realisiert werden. Es gibt einmal die Möglichkeit, mit Hilfe des Infrarot- Durchlichtverfahrens die Halbleiterscheiben zu justie ren oder mit dem Verfahren der doppelseitigen Justage die Ausrichtung der einzelnen Scheiben zueinander vorzunehmen.In the manufacture of micromechanical sensors (e.g. reference pressure sensors, acceleration sensors) the problem arises, cavities with a certain internal pressure and at the same time the used semiconductor wafers to each other adjust. The adjustment of the semiconductor wafers on others can be realized in different ways. It gives you the opportunity to use the infrared Transmitted light method to adjust the semiconductor wafers ren or with the procedure of double-sided adjustment the alignment of the individual disks to each other to make.

Beim Infrarot-Durchlichtverfahren, wie es zum Beispiel im Wafer-Bonding System Profab 100 der Firma Plasmos Anwendung findet, werden die beiden Halbleiterscheiben mit langwelligem Licht durchstrahlt. Mit Hilfe eines Mikroskopes, einer Infrarotkamera und einer Positionie reinrichtung können geeignete Strukturen, die zwischen den Halbleiterscheiben liegen, erkannt und einander zugeordnet justiert werden. Von Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß mit langwelligem Infrarotlicht eine nur ungenügende Justiergenauigkeit erzielt werden kann, und daß hochdotierte oder metallisierte Gebiete nicht mit Infrarotlicht durchstrahlt werden können.In the infrared transmitted light process, for example in the Profab 100 wafer bonding system from Plasmos The two semiconductor wafers are used shines through with long-wave light. With help of a Microscope, an infrared camera and a positionie Suitable structures can be set up between the semiconductor wafers, recognized and each other assigned to be adjusted. A disadvantage of this The method is that with long-wave infrared light insufficient adjustment accuracy can be achieved, and that heavily doped or metallized areas are not can be irradiated with infrared light.

Beim Verfahren der doppelseitigen Justage, wie es zum Beispiel im Suss Ba 6 Bonder der Firma Karl Suss ange wendet wird, kommen zwei Mikroskope zum Einsatz, wobei das erste Mikroskop auf die Oberseite der ersten Halb leiterscheibe und das zweite Mikroskop auf die Unter seite der zweiten Halbleiterscheibe ausgerichtet ist. In einem ersten Schritt werden die Mikroskope mit Hilfe einer durchsichtigen Maske zueinander ausgerichtet. Danach werden die beiden Halbleiterscheiben in die Apparatur eingebracht und mittels Positioniereinrich tung die obere Scheibe mit ihren Masken zum Fadenkreuz des oberen Mikroskopes ausgerichtet. Entsprechend wird mit der unteren Scheibe verfahren. Von Nachteil bei diesem Verfahren ist insbesondere der hohe apparative Aufwand.When moving the double-sided adjustment as it is for Example in the Suss Ba 6 bonder from Karl Suss two microscopes are used, whereby the first microscope on top of the first half conductor disc and the second microscope on the sub side of the second semiconductor wafer is aligned. In a first step, the microscopes are used with the help a transparent mask aligned to each other. Then the two semiconductor wafers in the Equipment introduced and by means of a positioning device the upper disc with its masks to the crosshairs of the upper microscope. Accordingly move with the lower disc. A disadvantage of This method is particularly high in equipment Effort.

Beide Verfahren besitzen des weiteren den Nachteil, daß sie nicht direkt mit Verbindungsverfahren (Wafer- Bonding) kombinierbar sind, bei denen Temperaturen von mehreren 100°C benötigt werden und ein bestimmter Druck eingestellt werden soll. Es ist durchaus möglich, mit einem der genannten Verfahren die Justage der einzelnen Halbleiterscheiben zueinander vorzunehmen, den Waferverbund mechanisch zu fixieren und in einer Vakuum- oder Druckkammer zu bonden, doch ist diese Art der Justage bei Verwendung von mehreren Halbleiter scheiben und bei höheren Bondtemperaturen sehr kritisch, da weder der induzierte Streß noch die Dejustage oder die Homogenität der Druckverteilung bzw. der Gasbefüllung sicher vorhergesagt werden kann.Both methods also have the disadvantage that not directly using connection methods (wafer Bonding) can be combined, at which temperatures of several 100 ° C are required and a certain one Pressure should be set. It is entirely possible with one of the methods mentioned the adjustment of the individual semiconductor wafers to each other, to fix the wafer assembly mechanically and in one Bonding a vacuum or pressure chamber, but this is the way adjustment when using multiple semiconductors discs and very much at higher bond temperatures critical since neither the induced stress nor the Misalignment or the homogeneity of the pressure distribution or the gas filling can be predicted safely.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren anzugeben, bei dem die Justage der Wafer unmittelbar und mit nur wenigen Hilfsmitteln in der Bondeinrichtung erfolgen kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteil hafte Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.The object of the invention is a simple method specify where the adjustment of the wafers immediately and with just a few tools in the bonding device can be done. This task is accomplished through a process solved with the features of claim 1. The advantage The method is designed in accordance with the Features of the dependent claims.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:An embodiment of the method according to the invention is intended to be based on the figures are explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Referenzdrucksensor im justierten Zustand, Fig. 1 is a reference pressure sensor in the adjusted state

Fig. 2 eine Draufsicht der Fig. 1 und Fig. 2 is a plan view of Fig. 1 and

Fig. 3 den Referenzdrucksensor nach dem Zusammenfügen,
wobei die einzelnen Darstellungen nicht maßstäblich zueinander sind. Fig. 3 shows the reference pressure sensor after assembly,
the individual representations are not to scale to one another.

Der Referenzdrucksensor besteht aus den beiden Halblei terscheiben 1 und 2. Auf der Unterseite der Halbleiter scheibe 1 werden mit Hilfe eines Fotolithografie- Schrittes hochdotierte Gebiete 3, 4 und 5 geschaffen. Nach einem Fotolithografie-Schritt auf der Oberseite erfolgt durch einseitige chemische Tiefenätzung die Herstellung der Membran 5 und zugleich die rückseitige Freistellung der dotierten Gebiete 3 und 4. Wirken die dotierten Gebiete beim chemischen Ätzen als Ätzstopp und sind die dotierten Gebiete 3 und 4 wie eine finger artige Struktur 6 gestaltet, so können die Membran 5 und die fingerartigen Strukturen 6 in einem Ätzschritt hergestellt werden. Im Gegensatz dazu können die Membran 5 und die fingerartigen Strukturen 6 auch durch physikalische Ätzverfahren hergestellt werden.The reference pressure sensor consists of the two semiconductor plates 1 and 2 . Highly doped regions 3 , 4 and 5 are created on the underside of the semiconductor wafer 1 with the aid of a photolithography step. After a photolithography step on the upper side, the membrane 5 is produced by means of deep chemical etching on one side and the doped regions 3 and 4 are also released on the rear side. If the doped regions act as an etching stop during chemical etching and if the doped regions 3 and 4 are designed like a finger-like structure 6 , the membrane 5 and the finger-like structures 6 can be produced in one etching step. In contrast, the membrane 5 and the finger-like structures 6 can also be produced by physical etching processes.

Auf der Halbleiterscheibe 2 werden mit Hilfe chemischer oder physikalischer Verfahren die Vertiefungen 7 und 8 erzeugt. Die Vertiefungen 7 sind so plaziert, daß sie mit den fingerartigen Strukturen 6 auf der Halbleiter scheibe 1 korrespondieren. Beschickt man die Vertiefung 7 mit einer Kugel 9 definierten Durchmessers, so kann die Halbleiterscheibe 1 so auf die Halbleiter scheibe 2 gelegt werden, daß die Kugel bis zu einem definierten Maß in die Öffnung 10 in der Mitte der fingerartigen Struktur hineinragt. Bei definierten Abmessungen der Justagestrukturen 6 und 7 erreicht man die gegenseitige Ausrichtung der beiden Halbleiter scheiben 1 und 2 unter Beibehaltung eines bestimmten Abstandes zueinander. Dieser Abstand erlaubt nun ein homogenes Befüllen der Vertiefungen 8 mit einem Gas und die Einstellung eines bestimmten Referenzdrucks. Beim Verbindungsprozeß werden die Kugeln 9 durch die Öffnung 10 in der Mitte der fingerartigen Struktur gedruckt und die beiden Halbleiterscheiben 1 und 2 zusammenge fügt. Das vorgestellte Verfahren besitzt eine Reihe weiterer Vorteile:The depressions 7 and 8 are produced on the semiconductor wafer 2 with the aid of chemical or physical processes. The depressions 7 are placed so that they correspond to the finger-like structures 6 on the semiconductor wafer 1 . If you feed the recess 7 with a ball 9 of a defined diameter, the semiconductor wafer 1 can be placed on the semiconductor wafer 2 in such a way that the ball projects to a defined extent into the opening 10 in the middle of the finger-like structure. With defined dimensions of the adjustment structures 6 and 7 , the mutual alignment of the two semiconductor wafers 1 and 2 is achieved while maintaining a certain distance from one another. This distance now permits a homogeneous filling of the depressions 8 with a gas and the setting of a specific reference pressure. In the connection process, the balls 9 are printed through the opening 10 in the middle of the finger-like structure and the two semiconductor wafers 1 and 2 are joined together. The method presented has a number of other advantages:

- Photolithographic process steps and chemical or physical etching steps are among the Standard process steps in the manufacture of Semiconductor components, and accordingly Indentations and finger-like structures inside half of a standardized process sequence produce,
- the automatic due to its own weight The semiconductor wafers are adjusted with an accuracy in the micrometer range,
- the defined pressure setting and gas filling of cavities in micromechanical sensors in a simple way possible
- The adjustment of the wafers can be done immediately and with only few aids in the bonding device gene,
- There are no expensive equipment, such as Infrared microscope, double-sided adjustment device device and positioning devices (manipulators in the x, y and z directions) and
- there are no problems due to the thermi extension of a mechanical fixation device tion at higher bond temperatures.

Claims

1. A method for adjusting the semiconductor wafers used in the manufacture of micromechanical sensors, characterized in that a ball ( 9 ) with part of its defined diameter in a recess ( 7 ) of a first semiconductor wafer ( 1 ) is brought and with the other Part of their diameter is associated with a corresponding finger-like structure of another semiconductor wafer ( 2 ), so that a defined distance between the semiconductor wafers is achieved with the help of the ball, at the same time their alignment with one another and the ball when compressing the semiconductor wafers ben by a defined Opening ( 10 ) in the finger-like structure is pressed.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the depression and the finger-like structure through anisotropic or isotropic, chemical or physical Procedures are generated.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for generating the vertie fung and the finger-like structure, doped layers are used.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the recess and the finger-like structure have defined dimensions and at opposite locations on the semiconductor discs are arranged.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ball in one each technically reasonable ratio of their diameter in a depression and in the corresponding fingerar structure of the to be connected and to each other adjusting semiconductor wafers.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that each of the to adjusting semiconductor wafers several wells and finger-like structures, one ver depression and a corresponding finger-like Structure is assigned a ball.