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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden zweier Substrate, insbesondere bei der Herstellung von eutektisch gebondeten Halbleiterbauteilen mit mikro-elektromechanischen Strukturen.
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Stand der Technik
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Mikro-elektromechanische Strukturen (MEMS) werden häufig zur Fertigung von mikroelektromechanischen Bauteilen wie Aktoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren oder ähnlicher Komponenten eingesetzt. Mikro-elektromechanische Bauteile umfassen dabei bewegliche Strukturen auf Substraten, beispielsweise Silizium-Substraten, welche gegenüber externen Einflüssen geschützt werden. Dazu wird üblicherweise eine kavernenartige Struktur eingesetzt, welche durch Überlagern eines MEMS-Substrats mit einem weiteren Abdeckungssubstrat ausgebildet werden kann.
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Zur Verbindung der beiden Substrate können Waferbond-Prozesse eingesetzt werden, wie beispielsweise Glas-Frit-Bonden, anodisches Bonden, eutektisches Bonden oder adhäsives Bonden.
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Die Druckschrift
WO 2006/101769 A2 beschreibt ein Verfahren zum eutektischen Bonden zweier Substrate, wobei eines der Substrate eine MEMS-Struktur aufweist. Für das Verfahren wird ein Substrat mit einer strukturierten Germaniumschicht und das andere Substrat mit einer aluminiumbasierten Schicht versehen, so dass bei einem Erhitzen der aufeinander gepressten Substrate über eine eutektische Temperatur hinaus eine hermetisch versiegelte Verbindung zwischen den beiden Substraten an den Bondpunkten entsteht.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 048 604 A1 zeigt ein Verfahren zum Bonden zweier Substrate, bei dem auf ein erstes Substrat eine Germaniumschicht und auf ein zweites Substrat eine Aluminium-Kupfer-Schicht aufgebracht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft daher gemäß einer Ausführungsform ein Verfahren zum Bonden zweier Substrate, mit den Schritten des Aufbringens einer Germaniumschicht auf einer Hauptoberfläche auf einem ersten Substrat, des Aufbringens einer Aluminium-Kupfer-Schicht auf einem zweiten Substrat, des Zusammenfügens des ersten und des zweiten Substrats zu einem Substratverbund, so dass die Germaniumschicht und die Aluminium-Kupfer-Schicht in Kontakt stehen, des Aufheizens des Substratverbunds auf eine erste Temperatur unterhalb der Temperatur des eutektischen Punktes von Aluminium und Germanium über eine Heizrampe mit einer ersten Heizrate, des Haltens der ersten Temperatur für die Dauer einer ersten Zeitspanne, des Aufheizens des Substratverbunds von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur oberhalb der Temperatur des eutektischen Punktes von Aluminium und Germanium über eine Heizrampe mit einer zweiten Heizrate, des Haltens der zweiten Temperatur für die Dauer einer zweiten Zeitspanne, und des Abkühlens des Substratverbunds von der zweiten Temperatur auf eine dritte Temperatur unterhalb der ersten Temperatur über eine Abkühlrampe mit einer definierten Abkühlrate.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform können ein Aufheizen des ersten Substrats mit einer vierten Heizrate auf eine vierte Temperatur und ein Aufheizen des zweiten Substrats mit einer fünften Heizrate, die zu der vierten Heizrate unterschiedlich ist, auf die vierte Temperatur erfolgen, bevor das erste und das zweite Substrat zusammengefügt werden. Dadurch kann ein sogenanntes Aluminium-Spiking, also ein Eindringen von Aluminium-Spitzen in das Substrat kontrolliert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann während des Haltens der ersten Temperatur, des Aufheizens auf die zweite Temperatur, des Haltens der zweiten Temperatur und des Abkühlens auf die dritte Temperatur eine konstante Anpresskraft auf den Substratverbund ausgeübt werden. Dadurch kann eine Verwölbung des Substratverbunds aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnung effektiv vermieden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann während des Haltens der ersten Temperatur, des Aufheizens auf die zweite Temperatur, des Haltens der zweiten Temperatur und des Abkühlens auf die dritte Temperatur die Umgebung des Substratverbunds evakuiert werden. Damit können unerwünschte Restgase aus einem auszubildenden Hohlraum zwischen den Substraten entfernt werden, so dass ein definierter Druck in dem Hohlraum auch über eine längere Betriebsdauer des Halbleiterbauteils gewährleistet werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann während des Haltens der ersten Temperatur, des Aufheizens auf die zweite Temperatur, des Haltens der zweiten Temperatur und des Abkühlens auf die dritte Temperatur die Umgebung des Substratverbunds mit einer Prozessgasatmosphäre beaufschlagt werden. Dadurch können in einem auszubildenden Hohlraum zwischen den Substraten gewünschte Bedingungen, beispielsweise für spezielle mikro-elektromechanische Bauteile eingestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Halbleiterbauteil, mit einem ersten Substrat, auf welchem eine strukturierte Germaniumschicht angeordnet ist, und einem zweiten Substrat, auf welchem eine strukturierte Schicht angeordnet ist, die nur aus Aluminium und Kupfer besteht, wobei das erste und das zweite Substrat über eine eutektische Verbindung zwischen Bereichen der strukturierten Germaniumschicht und Bereichen der strukturierten Aluminium-Kupfer-Schicht miteinander verbunden sind.
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Das Halbleiterbauteil kann vorzugsweise weiterhin eine mikro-elektromechanische Struktur, welche auf einem der beiden Substrate angeordnet ist, aufweisen, wobei zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher durch die eutektische Verbindung hermetisch versiegelt ist.
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Vorteilhafterweise kann das Halbleiterbauteil so ausgestaltet sein, dass das Substrat, auf dem die mikro-elektromechanische Struktur nicht angeordnet ist, ein Kappenwafer ist, welcher die mikro-elektromechanische Struktur unter Ausbildung des Hohlraums verkappt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung einen mikroelektromechanischen Sensor, mit einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauteil.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils mit einer mikroelektromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum eutektischen Waferbonden zweier Substrate gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Temperatur-Zeit-Diagramms eines Waferbond-Prozesses gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauteils 10 mit einer mikroelektromechanischen Struktur 13. Das Halbleiterbauteil 10 umfasst ein oberes Substrat 11 und ein unteres Substrat 12, welche miteinander über einen Waferbond-Prozess verbunden sind. Dazu kann das untere Substrat 12 auf einer Hauptoberfläche eine strukturierte Schicht 15 umfassen, welche eine Aluminium enthaltende Legierung aufweist. Die Schicht 15 umfasst eine Aluminium-Kupfer-Schicht. Der Anteil des Aluminiums kann dabei zwischen 90% und 99,9%, insbesondere zwischen 95% und 99,9%, insbesondere 99,5% betragen. Entsprechend kann der Kupferanteil der Schicht 15 zwischen 0,1% und 10%, insbesondere zwischen 0,1% und 5%, insbesondere 0,5% betragen., Der Kupferanteil der Schicht 15 kann dabei derart ausgewählt werden, dass die Gefügestruktur, beispielsweise Korngröße, Korngrößenverteilung, Porosität, Kornorientierung und dergleichen, der Aluminium-Kupfer-Schicht 15 gewünschte und für den Waferbond-Prozess optimierte Werte annimmt.
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Das obere Substrat 11 umfasst auf einer Hauptoberfläche eine strukturierte Schicht 14, welche Germanium aufweist. Die Schicht 14 kann dabei beispielsweise über plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD) oder Kathodenzerstäubung (PVD) auf dem oberen Substrat 11 aufgebracht werden. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Verfahren zum Aufbringen der Schicht 14 auf dem unteren Substrat eingesetzt werden können, je nach gewünschter Dicke, Oberflächenrauigkeit oder Korngröße der Schicht 14.
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Die Substrate 11 und 12 sind so zueinander angeordnet, dass die Hauptoberflächen, auf denen jeweils die Schichten 14 und 15 angeordnet sind, zueinander weisen. Damit bilden die Substrate 11 und 12 einen Substratverbund. Die Schichten 14 und 15 können beim Aufbringen derart strukturiert werden, dass entsprechende über einen Waferbond-Prozess zu verbindende Strukturteile vertikal, das heißt in einer Normalenrichtung zu den Hauptoberflächen der Substrate 11 und 12, zueinander justiert sind. In dem in 1 gezeigten Beispiel können die Substrate 11 und 12 über zwei von der mikroelektromechanischen Struktur 13 lateral beabstandete Bereiche strukturierter Schichten 14 und 15 miteinander verbunden werden. Vorzugsweise können die zu bondenden Bereiche derart ausgestaltet werden, dass durch den Waferbond-Prozess ein Hohlraum 16 zwischen dem oberen Substrat 11 und dem unteren Substrat 12 entsteht. Dazu kann das obere Substrat beispielsweise einen Bereich 11 geringerer Dicke aufweisen, welcher über der mikro-elektromechanischen Struktur 13 angeordnet werden kann, und zusammen mit dem unteren Substrat 12 den Hohlraum 16 ausbildet. Der Hohlraum 16 kann insbesondere durch den Waferbond-Prozess hermetisch versiegelt sein. In dem Hohlraum 16 kann beispielsweise ein Inertgas oder Prozessgas, wie beispielsweise Neon oder Stickstoff, bei einem definierten Druck, beispielsweise einem Unterdruck zwischen 10–6 mbar und 1 mbar eingeschlossen sein.
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Die Substrate 11 und 12 bilden zusammen das Halbleiterbauteil 10, welches beispielsweise ein mikro-elektromechanischer Aktor oder Sensor, beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor, ein Winkelbeschleunigungssensor, ein Schalldrucksensor, ein gyroskopischer Sensor, ein Temperatursensor oder ein ähnliches Bauteil sein kann.
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Die Substrate 11 und 12 können dabei mehr als ein Halbleiterbauteil 10 aufweisen. Dazu kann es möglich sein, eine Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen 13 auf dem unteren Substrat 12 aufzubringen, die jeweils durch strukturierte Bereiche der Schichten 14 und 15 voneinander getrennt sind. Beispielsweise können die Substrate 11 und 12 Halbleiterwafer, insbesondere Siliziumwafer sein, welche über einen Waferbond-Prozess verbunden werden können. Eines der beiden Substrate 11 und 12 kann dabei beispielsweise ein Kappenwafer sein, welcher einen darunter liegenden Wafer mit mikroelektromechanischen Bauteilen jeweils über den mikro-elektromechanischen Strukturen verkappt.
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Für den Fachmann ist klar, dass die Anordnung der Substrate 11 und 12 auch anders ausgestaltet werden kann, beispielsweise dass das Substrat 12 das obere und das Substrat 11 das untere Substrat ist. Weiterhin ist es möglich, die mikroelektromechanische Struktur 13 auch in dem Substrat 11 vorzusehen, und/oder den Bereich geringerer Substratdicke 11a in dem Substrat 12 vorzusehen. Ebenfalls ist es möglich, eines der Substrate 11 und 12 als ASIC auszulegen und somit die Auswerteschaltung direkt mit der mikro-elektromechanischen Struktur 13 zu verbinden. Dies kann beispielsweise über eine integrierte Schaltung erfolgen, welche auf dem Substrat, welches nicht die mikro-elektromechanische Struktur 13 trägt, angeordnet ist.
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Die elektrische Verbindung des Substrates mit der mikro-elektromechanischen Struktur 13 und des Substrates mit der integrierten Schaltung kann in diesem Fall über eine herkömmliche Drahtbondung oder über die eutektische Bondverbindung realisierbar sein. Insbesondere kann über die eutektische Bondverbindung eine elektrische Verbindung zwischen einer integrierten Schaltung auf dem einen der beiden Substrate 11 und 12 mit der mikro-elektromechanischen Struktur 13 auf dem anderen der beiden Substrate 11 und 12 geschaffen werden. Dies bietet den Vorteil, dass die für einen mikro-elektromechanischen Sensor notwendigen Komponenten raumsparend und effizient herzustellen sind. Schließlich ist es ebenso möglich, die Schicht 15 mit einer Aluminium-Kupfer-Legierung auf dem Substrat 11 anzuordnen, und die Schicht 14 aus Germanium auf dem Substrat 12 anzuordnen.
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Das Halbleiterbauteil 10 weist gegenüber mit anderen Verbindungstechniken verbundenen Halbleiterbauteilen etliche Vorteile auf. Das Halbleiterbauteil 10 verfügt durch den Waferbond-Prozess über eine erhöhte Festigkeit. Aus den Bereichen der gebondeten Schichten 14 und 15 entweichen weniger Ausgasungen, so dass der Innendruck in dem hermetisch versiegelten Hohlraum 16 niedrig und auf einem nahezu konstanten Druck gehalten werden kann. Die strukturierten Schichten 14 und 15 haben geringe laterale Ausdehnungen und weisen eine geringe Schichtdicke auf, so dass kompakte Halbleiterbauteile 10 mit geringen Abmessungen möglich sind. Zudem weisen die Waferbonds kein Blei auf, so dass das Halbleiterbauteil 10 umweltverträglicher ist. Außerdem besteht aufgrund der metallischen Verbindung der Schichten 14 und 15 die Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung der zwei Substrate 11 und 12.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum eutektischen Waferbonden zweier Substrate. Insbesondere kann mit dem Verfahren 20 ein Halbleiterbauteil 10 gemäß 1 hergestellt werden. Zunächst werden in einem ersten Schritt 21 auf zwei Substraten, beispielsweise Silizium-Substraten, Waferbond-Schichten aufgebracht. Die Substrate können dabei als Wafer ausgebildet sein, aus denen in einem einzelnen Waferbond-Prozess eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen nebeneinander gefertigt werden können. Auf einem ersten Substrat wird auf einer Hauptoberfläche eine Aluminium-Kupfer-Schicht aufgebracht, auf einem zweiten Substrat wird auf einer Hauptoberfläche eine Germanium-Schicht aufgebracht. Die Waferbond-Schichten können strukturiert sein, so dass bei dem Waferbond-Prozess entsprechende Bereiche der beiden Substrate gebondet werden können. Beispielsweise können die Waferbond-Schichten so strukturiert werden, dass die Aluminium-Kupfer-Schicht und die Germanium-Schicht in Bereichen deckungsgleich sind, in denen elektrische Kontakte zwischen den beiden Substraten ausgebildet werden. Die Waferbond-Schichten können beispielsweise mit PECVD, LPCVD, PVD oder anderen Aufbringungsverfahren auf den Substraten angeordnet werden. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, dass die Germaniumschicht auf dem ersten Substrat, und die Aluminium-Kupfer-Schicht auf dem zweiten Substrat angeordnet wird.
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In einem zweiten Schritt 22 kann ein Entfernen von Aluminiumoxid von der Oberfläche der Aluminium-Kupfer-Schicht des ersten Substrats erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein HF-Gasphasenätzprozess oder ein Nassätzreinigungsverfahren, zum Beispiel eine Reinigung mit EKC265TM Plasmasolv® angewandt werden. Die Germaniumschicht des zweiten Substrats kann beispielsweise über einen HF-Gasphasenätzprozess, eine nasschemische Flusssäure-Reinigung oder eine NH3/H2O-Reinigung gereinigt werden.
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In einem dritten Schritt 23 können die Substrate in einem sogenannten Bondaligner, das heißt einer Ausrichtereinrichtung für Wafer zueinander justiert und bei Raumtemperatur auf einem sogenannten Bondchuck, das heißt einer Trägervorrichtung für Wafer angeordnet und fixiert werden. Die Justierung der Wafer kann derart erfolgen, dass entsprechend zugehörige Bereiche der Aluminium-Kupfer-Schicht und der Germaniumschicht passgenau übereinander zu liegen kommen. Die zueinander justierten und fixierten Substrate können zusammen mit dem Bondchuck in eine Prozesskammer bzw. Bondkammer geladen werden. Die Substrate können nach dem Justieren einen Substratverbund bilden.
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Der in einem vierten Schritt 24 folgende Waferbond-Prozess kann in drei Unterabschnitte eingeteilt werden, die schematisch mit Bezug auf das Temperatur-Zeit-Diagramm eines Waferbond-Prozesses in 3 dargestellt sind. Das Diagramm in 3 zeigt den Temperaturverlauf 30 für Substrate während des Waferbond-Prozesses.
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In einer Aufheizphase 31 können die Substrate auf eine vorbestimmte Temperatur T3 unterhalb des eutektischen Punktes gebracht werden. Der eutektische Punkt bezeichnet bei vorgegebenem Druck diejenige Temperatur, bei der eine homogene Mischphase, in diesem Fall die eutektische Legierung aus Aluminium-Kupfer und Germanium schmilzt und direkt vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. In dem Diagramm der 3 liegt der eutektische Punkt für Aluminium-Kupfer und Germanium bei einer Temperatur, die zwischen den Temperaturen T3 und T4 liegt.
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In einer Bondphase 32 können die Substrate von der Temperatur T3 über den eutektischen Punkt hinaus bis zu einer Temperatur T4 erhitzt werden. In dieser Phase 32 gehen die Aluminium-Kupfer-Schicht und die Germaniumschicht von einer festen in eine flüssige Phase über und bilden in den zueinander justierten strukturierten Bereichen eine eutektische Verbindung. Die Vollständigkeit der eutektischen Reaktion hängt dabei von der Dauer der Phasen 31 und 32 sowie den Prozessparametern wie Druck und Temperatur ab, wie weiter unten genauer erläutert.
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In einer Abkühlphase 33 kann nach dem Verflüssigen der Aluminium-Kupfer-Schicht und der Germaniumschicht ein Abkühlen der beiden Substrate auf eine Temperatur unterhalb des eutektischen Punktes erfolgen. Dadurch erstarren die Waferbond-Verbindungen in den eutektisch verbundenen Bereichen und erzeugen somit eine robuste und feste mechanische Verbindung zwischen den beiden Substraten.
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Im Folgenden werden die drei Phasen 31, 32 und 33 mit Bezug auf 3 in einer beispielhaften Ausführungsform genauer beschrieben.
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In der Aufheizphase 31 kann die Prozesskammer bzw. Bondkammer vorgeheizt werden. Daher kann die Temperatur T1, bei welcher die Aufheizphase 31 beginnt, zwischen Raumtemperatur und einer Vorheiztemperatur der Bondkammer variieren. Die Vorheiztemperatur der Bondkammer kann beispielsweise zwischen 100°C und 200°C, insbesondere zwischen 120°C und 180°C liegen. Durch die Variation der Temperatur T1 kann die Dauer t1 eines ersten Heizabschnitts von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 angepasst werden. Die Dauer t1 des ersten Heizabschnitts kann beispielsweise zwischen 2 und 20 Minuten, insbesondere zwischen 10 und 15 Minuten betragen. Die Temperatur T2 kann beispielsweise zwischen 200°C und 250°C, insbesondere etwa 230°C betragen. Wenn die Temperatur T2 erreicht ist, kann es vorgesehen sein, die Bondkammer mit Inertgas zu spülen, so dass Reste von Fremdgasen und/oder Restfeuchte aus der Bondkammer entfernt werden.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Substrate getrennt voneinander in die Bondkammer bei der Temperatur T1 eingebracht werden, und erst bei Erreichen der Temperatur T2 zusammengefügt bzw. in Kontakt gebracht werden.
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Nach dem ersten Heizabschnitt kann die Temperatur während eines zweiten Heizabschnitts mit einer Dauer t2 von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 gebracht werden. Die Temperatur T3 und die Dauer t2 des zweiten Heizabschnitts kann einen Einfluss auf die Ausprägung der Feststoffdiffusion zwischen der Aluminium-Kupfer-Schicht und der Germaniumschicht unterhalb des eutektischen Punktes haben. Beispielsweise kann eine längere Heizdauer t2 die Interdiffusion begünstigen, so dass vor der Bondphase 32 eine Durchmischung der zu bondenden Schichten verbessert werden kann. Die Dauer t2 des zweiten Heizabschnitts kann beispielsweise zwischen 10 und 40 Minuten, insbesondere zwischen 20 und 30 Minuten betragen. Die Temperatur T3 kann beispielsweise zwischen 400°C und 430°C, insbesondere zwischen 420°C und 425°C liegen, und zum Beispiel 423°C betragen. Die Temperatur T3 kann beispielsweise über eine Heizrampe mit einem Gradienten zwischen 20°C/min und 40°C/min, insbesondere etwa 30°C/min von der Temperatur T2 aus erreicht werden.
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Die Substrate können in einer Inertgasatmosphäre aufgeheizt werden. Dabei kann beispielsweise ein Prozessgas mit einer erhöhten Feuchte zur Unterstützung der Interdiffusion der zu bondenden Schichten eingesetzt werden.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die Substrate mit einer Ober- und einer Unterseitenheizung aufgeheizt werden. Um ein Aluminium-Spiking, das heißt eine heterogene Oberflächendiffusion von Aluminium in das Silizium kontrollieren zu können, kann ein gezielter Temperaturgradient von Unterseitenheizung zu Oberseitenheizung eingestellt werden. Damit werden die beiden Substrate mit unterschiedlichen Temperaturgradienten aufgeheizt. Dabei kann bei der Heizung für das Substrat mit der Aluminium-Kupfer-Schicht zum Beispiel eine geringere oder eine höhere Heiztemperatur als bei der Heizung für das Substrat mit der Germaniumschicht eingestellt werden.
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Für eine möglichst hohe Temperaturhomogenität zwischen den Substraten können Anpressplatten, Bondchucks aus Graphit und/oder Titaneinsätze verwendet werden. Wenn die Temperatur T3 erreicht ist, kann die Bondkammer auf einen geringen Innendruck unter 10–4 mbar, insbesondere unter 2 × 10–5 mbar evakuiert werden. Weiterhin können die Substrate beispielsweise über Anpressplatten mit einer Kraft zwischen 5 kN und 60 kN, insbesondere zwischen 10 kN und 20 kN, zum Beispiel mit 14 kN zusammengepresst werden. Die angelegte Kraft kann dabei mit der auf den Substraten vorhandenen Bondfläche skalieren. Je höher die Bondfläche ist, desto höher kann dabei die Anpresskraft der beiden Substrate sein. Beispielsweise erhöhen breitere Bondrahmen, mehr Bauelemente pro Wafer oder Wafer mit größeren Durchmessern die vorhandene Bondfläche. Die Bondkraft kann dabei so eingestellt werden, dass der erreichte Bonddruck konstant bleibt. Ebenso kann die Bondkraft auf den Schichtaufbau der Substrate eingestellt werden, so dass der intrinsische Stress in den Substraten minimiert wird.
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Wenn in dem durch den Waferbond-Prozess entstehenden Hohlraum über der mikroelektromechanischen Struktur ein Innendruck abweichend von Vakuum eingestellt werden soll, kann in der Aufheizphase 31 das jeweilige Prozessgas, beispielsweise Neon oder Stickstoff mit dem gewünschten Druck in die Bondkammer eingelassen werden. Zur Verbesserung des Diffusionsprozesses kann das obere Substrat zu Beginn der Aufheizphase 31 angepresst werden, wodurch die Substrate bereits zu einem frühen Zeitpunkt ganzflächig formschlüssig in Kontakt kommen.
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Nach einer Haltezeit auf der Temperatur T3 beginnt die Bondphase 32. Dazu kann die Temperatur von der Temperatur T3 auf die Temperatur T4 angehoben werden. Die Temperatur T4 liegt dabei über der Temperatur des eutektischen Punkts, beispielsweise zwischen 430°C und 480°C, insbesondere zwischen 440°C und 460°C, zum Beispiel etwa 450°C. Dazu kann die Temperatur mit einer Heizrampe eines Gradienten zwischen 10°C/min und 50°C/min, insbesondere zwischen 20°C/min und 40°C/min, zum Beispiel etwa 30°C/min auf die Temperatur T4 erhöht werden. Bei unterschiedlichen Materialien der Anpressplatten und/oder des Bondchucks kann die Temperatur T4 je nach Wärmeleitfähigkeit der Materialien variiert und optimiert werden. Dazu kann beispielsweise die optimale Bondtemperatur T4 mithilfe eines Temperaturmesswafers für jede gegebene Materialkombination eingestellt werden.
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Wenn die Temperatur T4 erreicht ist, können die Substrate für eine Haltezeit auf der Temperatur T4 gehalten werden. Die Dauer t3 der Bondphase 32, welche sich aus einem Heizabschnitt von der Temperatur T3 auf die Temperatur T4 und der Haltezeit auf der Temperatur T4 zusammensetzt, kann beispielsweise zwischen 15 und 45 Minuten, insbesondere zwischen 20 und 30 Minuten, zum Beispiel etwa 25 Minuten betragen. Dabei kann die Dauer t3 von der Prozessstarttemperatur t1 und/oder dem Gradienten der Heizrampe zwischen der Temperatur T2 und der Temperatur T3 abhängen. Beispielsweise kann bei hoher Starttemperatur T1 und schneller Heizrate die Haltezeit der Temperatur T4 verlängert werden, so dass eine gewünschte Diffusionsrate erreicht werden kann. Ebenso können sich längere Haltezeiten positiv auf die Temperaturhomogenität am Bondinterface auswirken. Die Haltezeit der Bondtemperatur T4 kann beispielsweise etwa 10 Minuten betragen.
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In der Abkühlphase 33 können die Substrate von der Temperatur T4 auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur des eutektischen Punktes abgekühlt werden. Dazu kann beispielsweise eine aktive Kühlrampe von etwa 30°C/min eingesetzt werden. Die Anpresskraft kann während der Abkühlphase 33 aufrechterhalten werden. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die Substrate voneinander lösen, solange die Bondverbindung nicht vollständig ausgebildet ist, das heißt solange die eutektische Verbindung nicht vollständig erstarrt ist. Die Abkühlzeiten bzw. Abkühlraten können dabei eingestellt werden, so dass der in der Bondverbindung vorherrschende mechanische Stress vermindert wird. Es ist gleichermaßen möglich, eine Vielzahl von Abkühlabschnitten vorzusehen, in denen die Temperatur auf Temperaturplateaus heruntergefahren wird und für eine vorbestimmte Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten wird, bevor die Substrate auf das nächste Temperaturplateau abgekühlt werden. Es kann dabei vorteilhaft sein, den Temperaturgradienten zwischen den Heizungen der beiden Substrate so gering wie möglich zu halten, um thermisch induzierten Stress zu vermeiden. Während der Abkühlphase 33 kann es möglich sein, die Bondkammer mit Inertgas zu belüften, so dass der Wärmeaustausch zwischen den beiden Substraten optimiert wird. Die Belüftung mit Inertgas kann vorteilhafterweise erfolgen, wenn die Temperatur des eutektischen Punkts bereits unterschritten ist, so dass die Bondverbindung nicht beschädigt wird.
