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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wafer-Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Wafer.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiter einen MEMS-Sensor.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf MEMS-Drucksensoren beschrieben.
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Bekannte Verpackungstechniken machen es erforderlich, den drucksensitiven Teil eines Drucksensors, die Drucksensormembran, mittels spezieller Federstrukturen vom restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit unabhängig von Aufbau- und Verbindungstechnik-Einflüssen zu machen. Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress, zum Beispiel Verbiegung, setzen, sind unter anderem zum Beispiel mechanische Verspannung aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit einem Materialmix mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Stress durch Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer Leiterplatte.
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Bei bekannten MEMS-Prozessen ist für eine Stressentkopplung ein verhältnismäßig dünner Wafer für den MEMS-Sensor erforderlich, insbesondere mit einer Dicke weniger als 300 µm. Diese Waferdicken sind nicht prozessierbar und der Wafer wird daher auf einen Trägerwafer aufgebracht, der in Form eines Auswerte-ASIC bereitgestellt werden kann.
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Für eine elektrische Verbindung zwischen dem MEMS-Sensor und dem Auswerte-ASIC ist es bekannt geworden, eine eutektische Bondung mit geeigneten Chip-to-Chip Kontakten zu verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Wafer-Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Wafer bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines ersten und zweiten Materials zur Bildung einer eutektischen Legierung,
- - Bereitstellen eines ersten Wafers mit einer Aufnahmestruktur für eine Stempelstruktur,
- - Befüllen der Aufnahmestruktur mit dem ersten Material,
- - Bereitstellen eines zweiten Wafers mit einer Stempelstruktur, wobei auf der Stempelstruktur das zweite Material angeordnet wird,
- - Bereitstellen einer Anschlagsstruktur an dem ersten und/oder zweiten Wafer, derart, dass bei dem Zusammenfügen der beiden Wafer ein definierter Anschlag bereitgestellt wird,
- - Erhitzen zumindest von erstem und zweitem Material zumindest auf die eutektische Temperatur der eutektischen Legierung,
- - Zusammenfügen von erstem und zweitem Wafer derart, dass die Stempelstruktur in die Aufnahmestruktur zumindest teilweise eingeführt wird, wobei die Anschlagsstruktur, die Aufnahmestruktur, die Stempelstruktur und die Menge von erstem und zweitem Material so dimensioniert sind, dass nach dem Zusammenfügen der beiden Wafer die eutektische Legierung aus den beiden Materialien innerhalb der Aufnahmestruktur verbleibt und die Stempelstruktur zumindest teilweise von der eutektischen Legierung umgeben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-11, bereit, umfassend
- - einen ersten Wafer mit einer Aufnahmestruktur für eine Stempelstruktur,
- - einen zweiten Wafer mit einer Stempelstruktur, wobei eine Anschlagsstruktur an dem ersten und/oder zweiten Wafer angeordnet ist, zur Bereitstellung eines definierten Abstands zwischen den beiden Wafern und wobei in der Aufnahmestruktur Material einer eutektischen Legierung angeordnet ist, in die die Stempelstruktur zumindest teilweise eingetaucht ist.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen zwei Bauteilen, hier Wafern, ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Aufschmelzen zumindest eines der beiden Materialien lediglich teilweise. Dies ermöglicht ein schnelles und energieeffizientes Zusammenfügen von erstem und zweitem Wafer, da beispielsweise lediglich durch den Anpressdruck das zumindest eine Material „verquetscht“ werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Dicke der Stempelstruktur größer als die Dicke der Anschlagsstruktur hergestellt. Vorteil hiervon ist, dass dadurch eine zuverlässige Aufnahme der Stempelstruktur in der Aufnahmestruktur ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Anschlagsstruktur, die Aufnahmestruktur, die Stempelstruktur und die Menge von erstem und zweitem Material so dimensioniert, dass nach dem Zusammenfügen der beiden Wafer die Stempelstruktur zumindest teilweise unterhalb der Oberfläche des Volumens des ersten Materials in der Aufnahmestruktur vor dem Zusammenfügen angeordnet wird. Dies führt zu einer zuverlässigen und stabilen Bondung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung verbleibt nach dem Zusammenfügen ein Auffangvolumen zwischen erstem und zweitem Wafer. Auf diese Weise wird einerseits vermieden, dass das Material der eutektischen Legierung aus der Aufnahmestruktur beim Zusammenfügen von erstem und zweitem Wafer heraustritt. Darüber hinaus können Prozesstoleranzen bei der Herstellung der Stempelstruktur und der Menge von erstem und zweitem Material ausgeglichen werden. Dies gilt ebenfalls für das Eintauchen der Stempelstruktur in die eutektische Legierung aus erstem und zweitem Material.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden Aufnahmestruktur und Anschlagsstruktur an dem ersten Wafer voneinander beanstandet. Vorteil hiervon ist, dass durch den zusätzlichen Abstand die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs der Aufnahmestruktur reduziert und so kein Material in den Unterbau der Anschlagsstruktur gelangen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das erste Material mit zumindest zwei Aussparungen versehen, wobei diese so angeordnet werden, dass diese zu den Rändern der Stempelstruktur beim Zusammenfügen der beiden Wafer korrespondieren, derart, dass der Abstand zwischen den Aussparungen gleich oder größer ist als der Abstand der Ränder. Die Aussparungen können dabei insbesondere eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen. Diese erleichtern unterhalb der Stempelstruktur die Bildung eines eutektischen Verhältnisses von erstem und zweitem Material.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das zweite Material mit einem Breiten-Dicken-Verhältnis von zumindest 10:1, vorteilhafterweise von zumindest 100:1, insbesondere von zumindest 1000:1 auf der Stempelstruktur angeordnet. Vorteil hiervon ist, dass damit das Volumen des zweiten Materials möglichst breit und dünn ausgebildet ist, sodass eine zuverlässige Festlegung von erstem und zweitem Wafer aneinander ermöglicht wird zur Bereitstellung einer festen mechanischen Verbindung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Breite der Stempelstruktur größer ausgebildet als die Breite des zweiten Materials. Damit wird ein besonders zuverlässiges Festlegen der beiden Wafer aneinander ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der zweite Wafer unterhalb der Stempelstruktur nichtleitend ausgebildet. Vorteil hiervon ist, dass die mechanische Stabilität erhöht wird, da üblicherweise leitende Materialien bei entsprechenden Bondtemperaturen weich sind. Somit wird ein Eindrücken im Bereich der Stempelstruktur beim Zusammenfügen der beiden Wafer vermieden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Stempelstruktur und/oder die Aufnahmestruktur aus dielektrischem Material, insbesondere SiO2 und/oder SiN hergestellt. Damit wird einerseits eine mechanisch stabile Verbindung andererseits eine Passivierung erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden das erste und zweite Material als elektrisch leitende Materialien bereitgestellt. Damit kann neben einer mechanischen Verbindung auch eine elektrische Verbindung der beiden Wafer hergestellt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form und im Querschnitt
- 1 zwei Wafer vor dem Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 die verbundenen beiden Wafer gemäß 1 nach deren Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 zwei Wafer vor dem Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt zwei Wafer vor dem Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 die verbundenen beiden Wafer gemäß 1 nach deren Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 und 2 jeweils unten ist ein erster Wafer 2 in Form eines ASIC gezeigt. Der erste Wafer 2 weist dabei als unterste Schicht 2a eine Siliziumschicht auf. Auf der Oberseite der Siliziumschicht 2a ist eine ASIC-Backend-Schicht 2b angeordnet, auf der wiederum eine Aluminiumschicht 2d bereichsweise angeordnet ist. Die Aluminiumschicht 2d wird von einer nichtleitenden Schicht 2c beispielsweise aus Siliziumdioxid, ebenso wie die Rest der ASIC-Backend-Schicht 2b umgeben beziehungsweise überdeckt. Auf der Oberseite der nichtleitenden Schicht 2c und der Aluminiumschicht 2d ist eine Passivierungsschicht 2e angeordnet, die aus dielektrischem Material besteht. Das dielektrische Material kann dabei Siliziumdioxid SiO2 oder Siliziumnitrid SiN oder eine Kombination hiervon aufweisen. Die vertikale Schichtdicken der genannten Schichten 2a-2d können dabei zwischen 0,1 µm und 3 µm, vorzugsweise 0,2 µm bis 2 µm betragen.
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Die Passivierungsschicht 2e weist eine Aufnahmestruktur im Querschnitt in Form einer Wanne 5 auf. An den seitlichen Rändern der Wanne 5 sind Abstandshalter 8 angeordnet, die einen Anschlag 8a für den zweiten Wafer 3 bilden. Die Wanne 5 ist dabei bis zu einem Niveau 4a' mit Aluminium 4a gefüllt, das heißt es ist eine Aluminiumschicht in der Wanne 5 angeordnet. Die Aluminiumschicht 4a weist dabei Aussparungen 10a, 10b auf deren Oberfläche auf, die einen Abstand 103 zueinander aufweisen. Dieser Abstand 103 ist größer als die Breite 104 eines Stempels 6 des zweiten Wafers 3.
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Der zweite Wafer 3 weist von oben nach unten in 1 und 2 folgenden Aufbau auf. Als erste Schicht ist eine Schicht 3a in Form einer Siliziumschicht angeordnet. Auf dieser ist eine elektrische Passivierungsschicht 3b angeordnet, die aus Siliziumdioxid bestehen kann. Die Dicke der Passivierungsschicht 3b beträgt dabei zwischen 0,05 µm und 2 µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 1 µm. Weiterhin ist darauf in einem Teilbereich eine elektrisch leitende Schicht 3c, beispielsweise umfassend elektrische Leiterbahnen, angeordnet, die von einer elektrischen Passivierungsschicht 3d nach unten hin vollständig umgeben ist. Die Schichtdicke der beiden Schichten 3c und 3d beträgt dabei zwischen 0,05 µm und 2 µm, insbesondere 0,1 µm und 1 µm. Auf der Passivierungsschicht 3d ist nun der oben genannte im Querschnitt rechteckförmig ausgebildete Stempel 6 angeordnet, auf dem wiederum ein zweites leitfähiges Material 4b, hier in Form von Germanium, aufgebracht ist.
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Im Detail stellt also der Stempel 6 eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Wafern 2, 3 nach einer Bondung von erstem und zweitem leitfähigen Material 4a, 4b her. Während und nach der Bondung verformt sich der Stempel 6 nicht. Der Stempel 6 stellt eine Referenzgröße für die mechanische Verbindung dar. Der Stempel 6 schiebt die Anordnung des Germaniums 4b ausreichend weit in die gegenüberliegende Passivierungsöffnung beziehungsweise Aufnahmestruktur in Form der Wanne 5, so dass beim Anpressen der beiden Wafer 2,3 als erstes das Germanium 4b mit dem gegenüberliegenden Aluminium 4a in Kontakt kommt.
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Die Aufnahmestruktur in Form einer Wanne 5 definiert den Bereich, in dem sich beim Bondprozess die „flüssige“ Aluminium-Germanium-Legierung, kurz Al-Ge, 4c befindet. Sie fängt eventuelle Prozesstoleranzen der Schichtdicken 102, 105, 101 und der Strukturbreiten 103, 104, 106 auf, so dass die Aluminium-Germanium-Legierung 4c aus der Wanne 5 gepresst wird und der Stempel 6 zuverlässig innerhalb der Wanne 5 zum Liegen kommt.
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Die Abstandshalter 8 schließen den Bondrahmen, also die am Bondprozess beteiligten Strukturen und Schichten, ab, definieren die Höhe der Wanne 5, und nehmen die Kraft, durch den Anpressdruck während des Bondprozesses beziehungsweise nach dem Aufschmelzen des Eutektikums der Aluminium-Germanium-Legierung 4c auf.
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Die Dimensionierung des Eutektikums, mit anderen Worten die Menge und die Form der Anordnung der Aluminium-Germanium-Legierung 4c, umfassend die beiden leitfähigen Materialien 4a, 4b und der einzelnen Bereiche, ergibt sich aus der Dimensionierung des Stempels 6, der Wanne 5 und der Abstandshalter 8.
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Im Detail weist der Stempel 6 eine Breite 104 auf, die linear mit der mechanischen Belastbarkeit skaliert, und eine Größe von circa 10-100 µm aufweisen kann. Die Höhe 101 des Stempels 6 ist insbesondere so gewählt, dass sie größer ist als die Dicke 102 der obersten Passivierungsschicht 2e des ASICs 3. Vorteilhafterweise befindet sich der Stempel 6 nach dem Bonden unterhalb der initialen Aluminium-Oberfläche 4a'. Dies führt zu einer zuverlässigeren stabilen Bondung. Um dies zuverlässig zu bewerkstelligen, wird die Höhe 101 anhand von Prozesstoleranzen der Schichtdicken 101, 102, 105, die die Stempelhöhe 101 definieren, und der Passivierungsschicht 2e festgelegt. Insbesondere taucht der Stempel 6 unter initiale AI-Oberfläche 4a' ein, vorzugsweise zwischen 0,001 µm und 1 µm.
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Vor der Bondung ist die Breite der Wanne 5 definiert durch die Stempelbreite 104 und dem Bondversatz links und rechts des Stempels 6. Die Höhe der Wanne 5 ist definiert durch die Schichtdicke des Aluminiums 4a und der Dicke der Passivierungsschicht 2e.
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Die Wanne 5 ist nach der Bondung definiert
- - in vertikaler Richtung in Bezug auf den zweiten Wafer 3 durch die Dicke der Passivierungsschicht 2e und der Höhe 101 des Stempels, und/oder
- - in vertikaler Richtung in Bezug auf den ersten Wafer 2 durch eine angrenzende (letzte) Via-Ebene, und/oder
- - in horizontaler Richtung durch den Abstand der beidseits der Wanne 5 angeordneten Abstandshalter 8.
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Ebenso ist gegebenenfalls ein nach dem Bondprozess vorhandenes Auffangvolumen 9, welches links und rechts neben dem Stempel 6 angeordnet ist, definiert durch den horizontalen Abstand zwischen Stempel 6 und Abstandshalter 8 und der Höhe 102 der Passivierungsschicht 2e. In dem Auffangvolumen 9 wird nach dem Bondprozess Aluminium-Germanium-Legierung 4c angeordnet. Das Auffangvolumen 9 wird dabei so dimensioniert, dass Prozesstoleranzen von Stempel 6 und Passivierungsschicht 2e, sowie der Anordnung des Germaniums 4b und des Aluminiums 4a und das verdrängte Volumen aufgrund des Eintauchens des Stempels 6 unter die initiale Aluminium-Oberfläche 4a' berücksichtigt werden.
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Sobald während des Bondprozesses das Germanium 4b und Aluminium 4a ausreichend erweicht und miteinander legiert und verquetscht werden, kann der Stempel 6 keine Kraft mehr durch den Anpressdruck aufnehmen. Damit lastet der komplette Anpressdruck auf den Abstandshaltern 8. Diese werden insbesondere so ausgelegt, dass es zu keiner Schädigung der Strukturen unterhalb der Abstandshalter 8 kommt. Damit ergibt sich eine Breite für diese in der Größenordnung der Breite 106 des auf dem Stempel 6 angeordneten Germaniums 4b.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Abstand zwischen 1 µm und 10 µm zwischen Wanne 5 und Abstandshaltern 8 vorgesehen. Dieser Abstand sichert zusätzlich einen Bruch des Wannenrandes ab, sodass kein Germanium 4a in den Unterbau des jeweiligen Abstandhalters 8 gelangen kann.
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Das Volumenverhältnis zwischen Germanium 4b und Aluminium 4a wird insbesondere möglichst nahe dem eutektischen Verhältnis gewählt. Das Volumenverhältnis wird möglichst so gewählt, dass bei entsprechende Dicken der Schichten 2a-2e, 3a-3d das Auffangvolumen 9 halb ausgefüllt ist.
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Das Volumen von Germanium 4b wird möglichst breit, beispielsweise mit einer Breite zwischen 10-100 µm und dünn mit einer Dicke zwischen 100 nm -1 µm gewählt. Das aufgebrachte Germanium 4b liegt insbesondere innerhalb der Breite 104 des Stempels.
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Die Breite der Anordnung des Aluminiums 4a ist durch die Breite der Wanne 5 definiert. Die Höhe der Anordnung des Aluminiums 4a kann in der Größenordnung zwischen 0,5 µm und 2 µm liegen.
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Die Aluminiumschicht 4a, kann vorteilhafterweise symmetrisch links und rechts korrespondierend zu den Abmessungen des Stempels 6, mit anderen Worten neben den seitlichen Rändern 6', 6" des Stempels 6, eine kleine Unterbrechung, Aussparung oder Vertiefung 10a, 10b der Größenordnung der Tiefe zwischen 0,5 µm und 1,5 µm aufweisen. Dies erleichtert beim Einführen des Stempels 6 in die Wanne 5 die Bildung eines eutektischen Verhältnisses für die Aluminium-Germanium-Legierung 4c.
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Der Stempel 6 kann vorteilhafterweise aus einem Dielektrikum wie SiO2 oder SiN bestehen oder auch aus Aluminium, wobei dieses dann durch eine geeignete Germanium Diffusionsbarriere, zum Beispiel TiN bzw TaN abgedeckt ist.
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3 zeigt zwei Wafer vor dem Zusammenfügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist im Wesentlichen derselbe Aufbau der beiden Wafer 2, 3 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 weist bei der Ausführungsform der 3 der zweite Wafer 3 keine elektrischen Leiterbahnen unterhalb des Stempels 6 auf, das heißt die in 1 dargestellte durchgängige Schicht 3c unter dem Stempel 6 wird nun durch den Stempel 6 im Wesentlichen unterbrochen und in zwei Teilbereiche 3c1, 3c2 unterteilt. Dies erhöht die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung, da die Leiterbahnen in der Schicht 3c üblicherweise aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung bestehen, die bei entsprechenden Bondtemperaturen relativ weich ist.
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4 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 4 sind Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Wafer-Verbindung zwischen einem ersten Wafer und einem zweiten Wafer gezeigt.
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Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
- In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen eines ersten und zweiten Materials zur Bildung einer eutektischen Legierung.
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In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein Bereitstellen eines ersten Wafers mit einer Aufnahmestruktur für eine Stempelstruktur.
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In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Befüllen der Aufnahmestruktur mit dem ersten Material.
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In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Bereitstellen eines zweiten Wafers mit einer Stempelstruktur, wobei auf der Stempelstruktur das zweite Material angeordnet wird.
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In einem weiteren Schritt S5 erfolgt ein Bereitstellen einer Anschlagsstruktur an dem ersten und/oder zweiten Wafer, derart, dass bei dem Zusammenfügen der beiden Wafer ein definierter Anschlag bereitgestellt wird.
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In einem weiteren Schritt S6 erfolgt ein Erhitzen zumindest von erstem und zweitem Material zumindest auf die eutektische Temperatur der eutektischen Legierung.
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In einem weiteren Schritt S7 erfolgt ein Zusammenfügen von erstem und zweitem Wafer derart, dass die Stempelstruktur in die Aufnahmestruktur zumindest teilweise eingeführt wird, wobei die Anschlagsstruktur, die Aufnahmestruktur, die Stempelstruktur und die Menge von erstem und zweitem Material so dimensioniert sind, dass nach dem Zusammenfügen der beiden Wafer die eutektische Legierung aus den beiden Materialien innerhalb der Aufnahmestruktur verbleibt und die Stempelstruktur zumindest teilweise von der eutektischen Legierung umgeben ist.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Mechanische und insbesondere zusätzlich elektrische Verbindung zwischen zwei Wafern.
- • Kostengünstige Herstellung.
- • Einfache Herstellung.
- • Einfache Handhabung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
