DE102020116671A1 - Wafer bonding - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements (1) mit einem zweiten Waferelement (2), wobei das erste Waferelement (1) eine Mehrzahl von ersten Bauteilbereichen (3) mit einer jeweiligen elektronischen Struktur (5) und einer jeweiligen Kontaktfläche (6) aufweist, wobei das zweite Waferelement (2) eine Mehrzahl von zweiten Bauteilbereichen (4) mit einer jeweiligen elektronischen Struktur (5) und einer jeweiligen Kontaktfläche (6) aufweist, wobei die Waferelemente (1,2) dadurch miteinander verbunden werden, dass die Kontaktflächen (6) der beiden Waferelemente (1,2) paarweise über eine Vielzahl von Nanodrähten (7) miteinander verbunden werden.Method for connecting a first wafer element (1) to a second wafer element (2), the first wafer element (1) having a plurality of first component regions (3) with a respective electronic structure (5) and a respective contact area (6), wherein the second wafer element (2) has a plurality of second component areas (4) with a respective electronic structure (5) and a respective contact area (6), the wafer elements (1, 2) being connected to one another in that the contact areas (6) of the two wafer elements (1,2) are connected to one another in pairs via a large number of nanowires (7).
Description
Die Erfindung betrifft das sogenannte Waferbonding oder Wafer-to-Wafer-Bonding, also die Verbindung zweier Wafer insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement, eine damit erhaltene Anordnung, ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen sowie ein damit erhaltenes Bildgebungsmodul.The invention relates to what is known as wafer bonding or wafer-to-wafer bonding, that is to say the connection of two wafers, in particular for the production of semiconductor components. In particular, the invention relates to a method for connecting a first wafer element to a second wafer element, an arrangement obtained therewith, a method for producing a plurality of imaging modules and an imaging module obtained therewith.
Videokameras, Fotokameras, Mobiltelefone und viele andere elektronische Geräte können Fotos und/oder Videos aufnehmen. Dazu weisen derartige Geräte einen Bildsensor auf. Mit den immer kleineren Bildsensoren kann aber nur eine immer geringere Lichtmenge aufgenommen werden. Die erhaltenen elektronischen Signale sind entsprechend schwach. Daher ist eine Verstärkung erforderlich. Aufgrund der Schwäche der Signale muss diese in räumlicher Nähe zum Bildsensor erfolgen. Daher sind Bildgebungsmodule bekannt, die einen Bildsensor und einen Verstärker umfassen. Um Signale der einzelnen Pixel des Bildsensors jeweils einzeln verstärken zu können, weist der Verstärker eine entsprechend große Anzahl von Verstärkungselementen auf. Diese sind über eine entsprechend große Anzahl von einzelnen Verbindungen mit dem Bildsensor verbunden. Bei einer Auflösung des Bildsensors in der Größenordnung eines Megapixels liegt die Anzahl der Pixel, der Verstärkungselemente und der einzelnen Verbindungen jeweils in der Größenordnung von einer Million. Um derartige Bildgebungsmodule kostengünstig herzustellen, ist es bekannt, Wafer mit einer Vielzahl von Bildsensoren und Wafer mit einer Vielzahl von Verstärkern miteinander zu verbinden. Anschließend werden die miteinander verbundenen Wafer so zerteilt, dass die einzelnen Bildgebungsmodule erhalten werden. Mit diesem sogenannten Waferbonding oder Wafer-to-Wafer-Bonding (kurz „W2W-Bonding‟) kann eine Vielzahl von Bildgebungsmodulen gleichzeitig hergestellt werden. Auch für andere Anwendungen wird das Wafer-to-Wafer-Bonding eingesetzt.Video cameras, still cameras, cell phones, and many other electronic devices can take photos and / or videos. Such devices have an image sensor for this purpose. With the ever smaller image sensors, however, only an ever smaller amount of light can be recorded. The electronic signals obtained are correspondingly weak. Reinforcement is therefore required. Due to the weakness of the signals, this must be done in close proximity to the image sensor. Therefore, imaging modules are known which include an image sensor and an amplifier. In order to be able to individually amplify signals from the individual pixels of the image sensor, the amplifier has a correspondingly large number of amplifying elements. These are connected to the image sensor via a correspondingly large number of individual connections. With a resolution of the image sensor in the order of magnitude of a megapixel, the number of pixels, the reinforcement elements and the individual connections are each in the order of magnitude of a million. In order to produce such imaging modules inexpensively, it is known to connect wafers with a multiplicity of image sensors and wafers with a multiplicity of amplifiers to one another. The interconnected wafers are then diced so that the individual imaging modules are obtained. With this so-called wafer bonding or wafer-to-wafer bonding (“W2W bonding” for short), a large number of imaging modules can be produced at the same time. Wafer-to-wafer bonding is also used for other applications.
Bekannte Verfahren zum Wafer-to-Wafer-Bonding sind sehr aufwendig und teuer. Zudem haben die bekannten Verfahren den Nachteil, dass dabei Temperaturen auftreten, durch die elektronische Strukturen auf den Wafern beschädigt werden können. Auch ist der Zeitaufwand bei bekannten Verfahren groß. Weiterhin sind die bekannten Verfahren nicht für kleine Strukturen geeignet. So müssen die zu verbindenden elektrischen Kontakte eine hinreichende Größe und einen hinreichenden Abstand voneinander haben. Mit fortschreitender Verkleinerung der Strukturen steigen auch die Anforderungen an die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit der Verbindungen zwischen den Kontaktflächen. So müssen mit diesen Verbindungen auf kleinstem Raum schwache elektrische Signale in schneller Abfolge zuverlässig übertragen werden, ohne dass es zu gegenseitigen Störungen benachbarter Verbindungen kommt. Entsprechende Probleme gibt es im Stand der Technik auch bei anderen Anwendungen.Known processes for wafer-to-wafer bonding are very complex and expensive. In addition, the known methods have the disadvantage that temperatures occur which can damage electronic structures on the wafers. The time required for known methods is also great. Furthermore, the known methods are not suitable for small structures. The electrical contacts to be connected must be of sufficient size and spacing from one another. As the structures continue to shrink, so do the demands on the electrical and / or thermal conductivity of the connections between the contact surfaces. With these connections, weak electrical signals must be reliably transmitted in quick succession in the smallest of spaces, without mutual interference between neighboring connections. Corresponding problems also exist in the prior art in other applications.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement vorzustellen, das besonders einfach, schnell und schonend ist und mit dem besonders kleine und nah beieinanderliegenden Kontaktflächen besonders gut elektrisch und/oder thermisch leitend miteinander verbunden werden können. Zudem soll ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen vorgestellt werden. Außerdem sollen eine Anordnung und ein Bildgebungsmodul vorgestellt werden, die mit dem jeweiligen Verfahren erhalten wurden.The object of the present invention is to present a method for connecting a first wafer element to a second wafer element based on the described prior art, which is particularly simple, fast and gentle and with which particularly small and closely spaced contact areas are particularly good electrically and / or thermally can be conductively connected to each other. In addition, a corresponding method for producing a plurality of imaging modules is to be presented. In addition, an arrangement and an imaging module will be presented that were obtained with the respective method.
Diese Aufgaben werden gelöst mit den Verfahren, der Anordnung und dem Bildgebungsmodul gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.These objects are achieved with the method, the arrangement and the imaging module according to the independent claims. Further advantageous refinements are given in the dependent claims. The features presented in the claims and in the description can be combined with one another in any technologically sensible way.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement vorgestellt. Das erste Waferelement weist eine Mehrzahl von ersten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Kontaktfläche auf. Das zweite Waferelement weist eine Mehrzahl von zweiten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Kontaktfläche auf. Die Waferelemente werden dadurch miteinander verbunden, dass die Kontaktflächen der beiden Waferelemente paarweise über eine Vielzahl von Nanodrähten miteinander verbunden werden.According to the invention, a method for connecting a first wafer element to a second wafer element is presented. The first wafer element has a plurality of first component regions with a respective electronic structure and a respective contact surface. The second wafer element has a plurality of second component regions with a respective electronic structure and a respective contact area. The wafer elements are connected to one another in that the contact surfaces of the two wafer elements are connected to one another in pairs via a large number of nanowires.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine Mehrzahl von Bauteilen gleichzeitig hergestellt werden. Die Bauteile weisen jeweils einen ersten Bauteilbereich und einen zweiten Bauteilbereich auf. Die ersten Bauteilbereiche werden auf einem ersten Waferelement bereitgestellt und die zweiten Bauteilbereiche auf einem zweiten Waferelement. Die Herstellung von Waferelementen mit einer Mehrzahl von insbesondere identischen Bauteilbereichen ist vergleichsweise einfach möglich. Die ersten Bauteilbereiche und die zweiten Bauteilbereiche werden miteinander verbunden, indem das erste Waferelement und das zweite Waferelement miteinander verbunden werden. Anschließend können die Bauteile erhalten werden, indem die miteinander verbundenen Waferelement zerteilt werden.With the method described, a plurality of components can be produced at the same time. The components each have a first component area and a second component area. The first component regions are provided on a first wafer element and the second component regions are provided on a second wafer element. The manufacture of wafer elements with a plurality of, in particular, identical component areas is possible in a comparatively simple manner. The first component areas and the second component areas are connected to one another by connecting the first wafer element and the second wafer element to one another. Then the components can be obtained by dividing the interconnected wafer elements.
Vorzugsweise werden mit dem Verfahren mindestens 100 Bauteile gleichzeitig hergestellt, insbesondere mindestens 500. So können beispielsweise 5000 bis 20000 Bauteile gleichzeitig hergestellt werden. Gleichzeitig bedeutet dabei, dass die Verbindung zwischen dem jeweiligen ersten Bauteilbereich und dem jeweiligen zweiten Bauteilbereich gleichzeitig ausgebildet wird.At least 100 components are preferably produced simultaneously with the method, in particular at least 500. For example, 5000 to 20,000 components can be produced simultaneously. Simultaneously means that the connection between the respective first component area and the respective second component area is formed at the same time.
Der Begriff Waferelement ist ein Oberbegriff. Einerseits kann es sich bei einem Waferelement um einen einstückig ausgebildeten Wafer handeln. Andererseits kann ein Waferelement aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt sein.The term wafer element is a generic term. On the one hand, a wafer element can be a one-piece wafer. On the other hand, a wafer element can be composed of several wafer pieces.
Ein einstückiger Wafer wird auch üblicherweise einfach als Wafer bezeichnet. Darunter ist eine Scheibe zu verstehen, die als Ausgangspunkt für die Herstellung elektronischer Bauteile dient. Wafer werden insbesondere bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wie Computerchips eingesetzt. Das erste Waferelement und/oder das zweite Waferelement können als einstückige Wafer beispielsweise aus einem gewachsenen Halbleiterrohling geschnitten werden. Ein Wafer kann insbesondere einen runden oder rechteckigen Querschnitt haben. Als erstes Waferelement und/oder als zweites Waferelement kann auch jeweils ein beschädigter Wafer verwendet werden, soweit Teile des Wafers unbeschädigt sind. Ein beschädigter Wafer kann einen beliebigen Querschnitt haben.A one-piece wafer is also commonly referred to simply as a wafer. This is to be understood as a disk that serves as the starting point for the manufacture of electronic components. Wafers are used in particular in the manufacture of integrated circuits such as computer chips. The first wafer element and / or the second wafer element can be cut as a one-piece wafer, for example from a grown semiconductor blank. A wafer can in particular have a round or rectangular cross section. A damaged wafer can also be used as the first wafer element and / or as the second wafer element, provided parts of the wafer are undamaged. A damaged wafer can have any cross-section.
Anstelle eines einstückigen Wafers kann auch ein Waferelement verwendet werden, das aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt ist. Das ist sinnvoll, weil es bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen meist zu einem gewissen Ausschuss an nicht verwendbaren Bauteilen kommt. Wird eine Vielzahl von Bauteilbereichen auf einem Wafer erzeugt, ist meist nur ein Teil der Bauteilbereiche verwendbar. Wird bei dem beschriebenen Verfahren ein verwendbarer erster Bauteilbereich mit einem fehlerhaften zweiten Bauteilbereich verbunden, ist das erhaltene Bauteil insgesamt fehlerhaft und muss aussortiert werden. Nur wenn sowohl der erste Bauteilbereich als auch der zweite Bauteilbereich fehlerfrei sind, ist das entsprechende Bauteil verwendbar. Mit Waferelementen, die aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt sind, kann die Ausschussquote verringert werden. So können die ersten Bauteilbereiche und/oder die zweiten Bauteilbereiche vor dem Verbinden jeweils einzeln geprüft werden. Einer oder mehrere Wafer können dann so in Waferstücke zerteilt werden, dass aus diesen ein Waferelement gebildet werden kann, mit dem eine besonders große Anzahl verwendbarer Bauteile erhalten werden kann. So können gezielt verwendbare erste Bauteilbereiche mit verwendbaren zweiten Bauteilbereichen kombiniert werden.Instead of a one-piece wafer, it is also possible to use a wafer element which is composed of several wafer pieces. This makes sense because the manufacture of electronic components usually results in a certain amount of unusable components being rejected. If a large number of component areas are produced on a wafer, usually only a part of the component areas can be used. If, in the method described, a usable first component area is connected to a defective second component area, the component obtained is defective overall and must be sorted out. The corresponding component can only be used if both the first component area and the second component area are free of defects. The reject rate can be reduced with wafer elements that are composed of several wafer pieces. In this way, the first component areas and / or the second component areas can each be checked individually before being connected. One or more wafers can then be divided into wafer pieces in such a way that a wafer element can be formed from them, with which a particularly large number of usable components can be obtained. In this way, first component areas that can be used in a targeted manner can be combined with second component areas that can be used.
Zusammengesetzt werden können die Waferstücke, indem die Waferstücke an einem Substrat befestigt werden, beispielsweise mit einem Klebstoff. Das Substrat befindet sich in dem Fall auf der Seite der Waferstücke, die der Seite mit den Kontaktflächen gegenüberliegt. Beispielsweise können 2 bis 10 Waferstücke zusammengesetzt werden. Entsprechend große Waferstücke sind gut handhabbar. Bevorzugt ist, dass jedes Waferstück jeweils eine Mehrzahl der jeweiligen Bauteilbereiche aufweist. Bevorzugt ist, dass ein einzelner Bauteilbereich ein Waferstück bildet. Besonders bevorzugt ist, dass alle ersten Bauteilbereiche als jeweilige einzelne Waferstücke zu dem ersten Waferelement zusammengesetzt werden und/oder dass alle zweiten Bauteilbereiche als jeweilige einzelne Waferstücke zu dem zweiten Waferelement zusammengesetzt werden.The wafer pieces can be assembled by attaching the wafer pieces to a substrate, for example with an adhesive. In this case, the substrate is located on the side of the wafer pieces which is opposite the side with the contact surfaces. For example, 2 to 10 wafer pieces can be put together. Correspondingly large wafer pieces are easy to handle. It is preferred that each wafer piece has a plurality of the respective component areas. It is preferred that a single component area forms a wafer piece. It is particularly preferred that all first component areas are combined as respective individual wafer pieces to form the first wafer element and / or that all second component areas are combined as respective individual wafer pieces to form the second wafer element.
Das beschriebene Verfahren kann auf folgende drei Weisen durchgeführt werden. In einer ersten Ausführungsform sind beide Waferelemente als ein jeweiliger einstückiger Wafer ausgebildet. Dies ist besonders einfach, führt dafür aber zu einer entsprechend hohen Ausschussquote. In einer zweiten Ausführungsform ist das erste Waferelement als ein einstückiger Wafer ausgebildet und das zweite Waferelement aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt. Durch den zusätzlichen Aufwand für das gezielte Zusammensetzen des zweiten Waferelements wird die Ausschussquote verringert. In einer dritten Ausführungsform sind beide Waferelemente jeweils aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt. Durch den zusätzlichen Aufwand für das gezielte Zusammensetzen beider Waferelemente wird die Ausschussquote noch weiter verringert als bei der zweiten Ausführungsform.The method described can be carried out in the following three ways. In a first embodiment, both wafer elements are designed as a respective one-piece wafer. This is particularly easy, but leads to a correspondingly high reject rate. In a second embodiment, the first wafer element is designed as a one-piece wafer and the second wafer element is composed of a plurality of wafer pieces. The scrap rate is reduced by the additional effort for the targeted assembly of the second wafer element. In a third embodiment, the two wafer elements are each composed of several wafer pieces. Due to the additional effort for the targeted assembly of the two wafer elements, the reject rate is reduced even further than in the second embodiment.
Vorzugsweise ist das erste Waferelement aus einem Halbleitermaterial gebildet und/oder ist das zweite Waferelement aus einem Halbleitermaterial gebildet. Der erste Waferelement und/oder der zweite Waferelement haben vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Der erste Waferelement und/oder der zweite Waferelement haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 50 bis 300 mm [Millimeter]. Besonders bevorzugt werden 8-Zoll-Wafer als erstes Waferelement und/oder als zweites Waferelement verwendet. Die beiden Waferelemente haben vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, die gleiche Größe. Anstelle von kreisscheibenförmigen Waferelementen können auch Waferelemente mit anderer Form verwendet werden. So können das erste Waferelement und/oder das zweite Waferelement rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sein.The first wafer element is preferably formed from a semiconductor material and / or the second wafer element is formed from a semiconductor material. The first wafer element and / or the second wafer element preferably have a circular cross section. The first wafer element and / or the second wafer element preferably have a diameter in the range from 50 to 300 mm [millimeters]. 8-inch wafers are particularly preferably used as the first wafer element and / or as the second wafer element. The two wafer elements are preferably, but not necessarily, the same size. Instead of circular disk-shaped wafer elements, wafer elements with a different shape can also be used. The first wafer element and / or the second wafer element can thus be rectangular, in particular square.
Das erste Waferelement weist eine Mehrzahl von ersten Bauteilbereichen auf. Das zweite Waferelement weist eine Mehrzahl von zweiten Bauteilbereichen auf. Unter einem Bauteilbereich ist ein solcher Bereich des jeweiligen Waferelements zu verstehen, der Teil eines hergestellten Bauteils werden soll. So können aus den miteinander verbundenen Waferelementen Bauteile erhalten werden, die jeweils einen der ersten Bauteilbereiche und einen der zweiten Bauteilbereiche aufweisen.The first wafer element has a plurality of first component regions. The second wafer element has a plurality of second component regions. A component area is to be understood as such an area of the respective wafer element that is intended to become part of a manufactured component. In this way, components can be obtained from the interconnected wafer elements which each have one of the first component areas and one of the second component areas.
Die ersten Bauteilbereiche und die zweiten Bauteilbereiche dienen vorzugsweise einer jeweiligen Funktion. Im hergestellten Bauteil ergänzen sich diese Funktionen. Um die jeweilige Funktion zu erfüllen, weisen die Bauteilbereiche jeweils eine elektronische Struktur auf. Als elektronische Struktur soll insbesondere jede Struktur aufgefasst werden, die durch einen lithografischen Prozess erhalten wird und die mindestens einen elektrisch leitenden Abschnitt enthält. Vorzugsweise weisen die elektronischen Strukturen mindestens ein jeweiliges elektronisches Element auf. Als elektronisches Element kommen insbesondere ein Transistor, ein Widerstand, eine Induktivität und ein Kondensator in Betracht. Bei den elektronischen Strukturen handelt es sich vorzugsweise um eine jeweilige elektronische Schaltung, insbesondere um einen jeweiligen integrierten Schaltkreis. Bei den elektronischen Strukturen handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterstrukturen.The first component areas and the second component areas preferably serve a respective function. These functions complement each other in the manufactured component. In order to fulfill the respective function, the component areas each have an electronic structure. In particular, any structure that is obtained by a lithographic process and that contains at least one electrically conductive section is to be understood as an electronic structure. The electronic structures preferably have at least one respective electronic element. In particular, a transistor, a resistor, an inductor and a capacitor come into consideration as the electronic element. The electronic structures are preferably a respective electronic circuit, in particular a respective integrated circuit. The electronic structures are preferably semiconductor structures.
Die elektronischen Strukturen werden vorzugsweise mit lithografischen Methoden auf dem jeweiligen Waferelement erzeugt. Dadurch kann leicht eine große Zahl elektronischer Strukturen in der Größenordnung von Mikrometern oder sogar von Sub-Mikrometern auf einem Waferelement erzeugt werden. Vorzugsweise weist das erste Waferelement so viele erste Bauteilbereiche auf wie das zweite Waferelement zweite Bauteilbereiche aufweist. Jedem ersten Bauteilbereich ist dann genau einer der zweiten Bauteilbereiche zugeordnet, und umgekehrt. Es ist aber auch möglich, dass die Zahl der ersten Bauteilbereiche und der zweiten Bauteilbereiche unterschiedlich ist. Ist beispielsweise ein Teil des ersten Waferelements beschädigt, kann dieser vom übrigen Teil des ersten Waferelements abgetrennt werden. Der übrige Teil des ersten Waferelements kann dann mit einem unbeschädigten zweiten Waferelement verbunden werden, wobei ein Teil der zweiten Bauteilbereiche des zweiten Waferelements ungenutzt bleibt oder anderweitig genutzt werden kann.The electronic structures are preferably produced on the respective wafer element using lithographic methods. As a result, a large number of electronic structures on the order of micrometers or even sub-micrometers can easily be produced on a wafer element. The first wafer element preferably has as many first component regions as the second wafer element has second component regions. Exactly one of the second component areas is then assigned to each first component area, and vice versa. However, it is also possible for the number of the first component areas and the second component areas to be different. If, for example, part of the first wafer element is damaged, it can be separated from the remaining part of the first wafer element. The remaining part of the first wafer element can then be connected to an undamaged second wafer element, with part of the second component areas of the second wafer element remaining unused or being able to be used in some other way.
Mit dem Verfahren können die Waferelemente so miteinander verbunden werden, dass die elektronischen Strukturen der ersten Bauteilbereiche mit den elektronischen Strukturen der zweiten Bauteilbereiche verbunden werden. Dazu weisen die Bauteilbereiche jeweils mindestens eine Kontaktfläche auf. Die Kontaktflächen können durch lithografische Methoden erhalten werden. Es ist nicht erforderlich, dass die Kontaktflächen von anderen Teilen der elektronischen Struktur körperlich unterscheidbar sind. Vielmehr sind die Kontaktflächen dadurch definiert, dass zwischen diesen die Verbindung ausgebildet wird. Die Kontaktflächen können also auch erst mit Ausbilden der Verbindung als solche erkennbar werden. Beispielsweise kann es sich bei einer Kontaktfläche um ein Ende einer elektrischen Leitung handeln, die lithografisch auf dem jeweiligen Waferelement erzeugt wurde. Das Ende der Leitung kann vergrößert sein, so dass eine besonders große Fläche als Kontaktfläche dient. Insbesondere eine solche Kontaktfläche kann auch als ein Pad bezeichnet werden.With the method, the wafer elements can be connected to one another in such a way that the electronic structures of the first component areas are connected to the electronic structures of the second component areas. For this purpose, the component areas each have at least one contact surface. The contact areas can be obtained by lithographic methods. It is not necessary for the contact areas to be physically distinguishable from other parts of the electronic structure. Rather, the contact surfaces are defined in that the connection is formed between them. The contact surfaces can therefore also only be recognized as such when the connection is formed. For example, a contact surface can be an end of an electrical line that was produced lithographically on the respective wafer element. The end of the line can be enlarged so that a particularly large area serves as a contact area. In particular, such a contact surface can also be referred to as a pad.
Es genügt, dass jeder Bauteilbereich jeweils eine Kontaktfläche aufweist. Bevorzugt ist aber, dass das erste Waferelement eine Mehrzahl von ersten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Mehrzahl von Kontaktflächen aufweist und dass das zweite Waferelement eine Mehrzahl von zweiten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Mehrzahl von Kontaktflächen aufweist. Vorzugsweise haben die ersten Bauteilbereiche jeweils so viele Kontaktflächen wie die zweiten Bauteilbereiche jeweils haben. Jeder Kontaktfläche des ersten Bauteilbereichs ist dann genau eine Kontaktfläche des zugehörigen zweiten Bauteilbereichs zugeordnet, und umgekehrt. Sofern die ersten Bauteilbereiche und die zweiten Bauteilbereiche unterschiedlich viele Kontaktflächen haben, können einzelne Kontaktflächen ungenutzt bleiben.It is sufficient for each component area to have one contact surface. However, it is preferred that the first wafer element has a plurality of first component areas with a respective electronic structure and a respective plurality of contact areas and that the second wafer element has a plurality of second component areas with a respective electronic structure and a respective plurality of contact areas. The first component areas preferably each have as many contact surfaces as the second component areas each have. Each contact area of the first component area is then assigned exactly one contact area of the associated second component area, and vice versa. If the first component areas and the second component areas have a different number of contact areas, individual contact areas can remain unused.
Die Waferelemente werden dadurch miteinander verbunden, dass die Kontaktflächen paarweise über eine Vielzahl von Nanodrähten miteinander verbunden werden. Es werden also Paare mit jeweils einer Kontaktfläche eines ersten Bauteilbereichs und einer Kontaktfläche eines zweiten Bauteilbereichs miteinander verbunden. So entsteht eine Mehrzahl von Nanodraht-Verbindungen, an denen jeweils eine Kontaktfläche eines ersten Bauteilbereichs und eine Kontaktfläche eines zweiten Bauteilbereichs beteiligt sind.The wafer elements are connected to one another in that the contact surfaces are connected to one another in pairs via a large number of nanowires. Pairs each having a contact surface of a first component region and a contact surface of a second component region are therefore connected to one another. This creates a plurality of nanowire connections, in each of which a contact area of a first component area and a contact area of a second component area are involved.
Unter einem Nanodraht (engl. „nanowire‟) wird hier jeder materielle Körper verstanden, der eine drahtähnliche Form und eine Größe im Bereich von wenigen Nanometern bis zu wenigen Mikrometern hat. Ein Nanodraht kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann ein Nanodraht eine hexagonale Grundfläche aufweisen.A nanowire is understood here to mean any material body that has a wire-like shape and a size in the range from a few nanometers to a few micrometers. A nanowire can, for example, have a circular, oval or polygonal base. In particular, a nanowire can have a hexagonal base area.
Bevorzugt weisen die verwendeten Nanodrähte eine Länge im Bereich von 100 nm [Nanometer] bis 100 µm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 1 µm bis 40 µm auf. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 30 nm bis 2 µm auf. Dabei bezieht sich der Begriff Durchmesser auf eine kreisförmige Grundfläche, wobei bei einer davon abweichenden Grundfläche eine vergleichbare Definition eines Durchmessers heranzuziehen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass alle verwendeten Nano-drähte die gleiche Länge und den gleichen Durchmesser aufweisen.The nanowires used preferably have a length in the range from 100 nm [nanometers] to 100 μm [micrometers], in particular in the range from 1 μm to 40 μm. Furthermore, the nanowires preferably have a diameter of Range from 10 nm to 10 µm, in particular in the range from 30 nm to 2 µm. The term diameter refers to a circular base area, with a comparable definition of a diameter being used for a base area that differs therefrom. It is particularly preferred that all nano-wires used have the same length and the same diameter.
Für eine elektrisch und/oder thermisch besonders gut leitfähige Verbindung ist es bevorzugt, dass die Nanodrähte aus einem elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Material gebildet sind. Besonders bevorzugt ist hier die Verwendung von Kupfer, Silber, Nickel und Gold. Auch die Kontaktflächen sind vorzugsweise aus einem elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Material gebildet, insbesondere mit Kupfer, Silber, Nickel oder Gold. Besonders bevorzugt sind die Kontaktflächen und die Nanodrähte aus dem gleichen Material gebildet. Dadurch ist die Verbindung besonders stabil.For a connection that is particularly good electrically and / or thermally conductive, it is preferred that the nanowires are formed from an electrically and / or thermally conductive material. The use of copper, silver, nickel and gold is particularly preferred here. The contact surfaces are also preferably formed from an electrically and / or thermally conductive material, in particular with copper, silver, nickel or gold. The contact surfaces and the nanowires are particularly preferably formed from the same material. This makes the connection particularly stable.
Eine elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit im hier verwendeten Sinne liegt insbesondere bei Metallen wie beispielsweise Kupfer vor, die allgemein als „elektrisch leitfähig“ oder gleichbedeutend als „elektrisch leitend“ bzw. „thermisch leitfähig“ oder „thermisch leitend“ bezeichnet werden. Insbesondere sollen allgemein als elektrisch bzw. thermisch isolierend betrachtete Materialien hier nicht als elektrisch bzw. thermisch leitfähig angesehen werden.An electrical and / or thermal conductivity in the sense used here is present in particular with metals such as copper, which are generally referred to as “electrically conductive” or equivalent as “electrically conductive” or “thermally conductive” or “thermally conductive”. In particular, materials that are generally considered to be electrically or thermally insulating should not be viewed here as being electrically or thermally conductive.
Nachdem die Verbindung ausgebildet ist, sind die Nanodrähte mit jeweiligen Enden an den beiden an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen angebunden. Die Nanodrähte stehen also senkrecht auf den beiden an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen. Das ist nicht dahingehend zu verstehen, dass die beiden Kontaktflächen zwingend genau parallel zueinander stehen und die Nanodrähte gerade Linien zwischen den Kontaktflächen bilden. Vielmehr ist dies in Abgrenzung davon zu verstehen, dass Nanodrähte mit beliebiger Orientierung auf die Kontaktflächen gelegt werden. Bei dem beschriebenen Verfahren werden die Nanodrähte stattdessen auf den Kontaktflächen so bereitgestellt, dass die Nanodrähte als ein Rasen auf der Oberfläche des jeweiligen Waferelements bezeichnet werden können.After the connection has been established, the respective ends of the nanowires are connected to the two contact surfaces involved in the connection. The nanowires are therefore perpendicular to the two contact surfaces involved in the connection. This is not to be understood as meaning that the two contact surfaces are necessarily exactly parallel to one another and the nanowires form straight lines between the contact surfaces. Rather, this is to be understood as a distinction from the fact that nanowires are placed on the contact surfaces with any orientation. In the method described, the nanowires are instead provided on the contact surfaces in such a way that the nanowires can be referred to as a lawn on the surface of the respective wafer element.
An jeder Verbindung zwischen den Kontaktflächen ist eine große Zahl von Nanodrähten beteiligt. Daher ist die Verbindung über eine besonders große Oberfläche ausgebildet. Die Verbindung ist dadurch besonders mechanisch stabil und elektrisch und/oder thermisch leitfähig. Über die Nanodraht-Verbindung können elektrische Signale zwischen den Bauteilbereichen besonders zuverlässig und verlustfrei übermittelt werden. Auch kann Wärme aus einem der Bauteilbereiche abgeleitet werden. Darüber hinaus ist neben der Nanodraht-Verbindung keine weitere Verbindung erforderlich, um die Bauteilbereiche mechanisch miteinander zu verbinden. Nichtsdestotrotz ist es auch möglich, die Waferelemente zusätzlich mechanisch zu verbinden, beispielsweise mit einem Klebstoff. So können Zwischenräume zwischen den Nanodrähten ausgefüllt werden, um die Verbindung mechanisch zu verstärken.A large number of nanowires are involved in every connection between the contact surfaces. The connection is therefore formed over a particularly large surface. The connection is therefore particularly mechanically stable and electrically and / or thermally conductive. The nanowire connection enables electrical signals to be transmitted between the component areas in a particularly reliable and loss-free manner. Heat can also be derived from one of the component areas. In addition, apart from the nanowire connection, no further connection is required in order to mechanically connect the component areas to one another. Nevertheless, it is also possible to mechanically connect the wafer elements, for example with an adhesive. In this way, spaces between the nanowires can be filled in order to mechanically strengthen the connection.
Die Verbindung wird durch Inkontaktbringen von Nanodrähten miteinander oder von Nanodrähten mit einer Kontaktfläche ausgebildet. Dies kann nahezu instantan erfolgen. Entsprechend schnell ist das beschriebene Verfahren. So können die Waferelemente innerhalb von weniger als 60 Sekunden miteinander verbunden werden. Zudem können mit dem beschriebenen Verfahren Waferelemente miteinander verbunden werden, bei denen die Kontaktflächen besonders klein sind und/oder besonders nah beieinander liegen. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Verfahren des Wafer-to-Wafer-Bondings werden üblicherweise die minimal erforderliche „Padgrößen“ und der minimal erforderliche „Pitch“ angegeben. Die Padgröße gibt die Ausdehnung der Kontaktflächen an. Der Pitch gibt den Mitten-Abstand zwischen benachbarten Pads an. Diese Angaben beziehen sich insbesondere auf Kontaktflächen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Das beschriebene Verfahren kann mit einer Padgröße ab 0,5 µm [Mikrometer] und einem Pitch ab 1,5 µm zuverlässig durchgeführt werden. Vorzugsweise liegt die Padgröße bei 0,5 bis 150 µm. Vorzugsweise liegt der Pitch bei 1,5 bis 300 µm. Die mit dem beschriebenen Verfahren erzielbaren geringen Padgrößen und Pitches sind mit keiner aus dem Stand der Technik bekannten Technologie mit vergleichsweise geringem Aufwand und mit vergleichsweise hoher Zuverlässigkeit möglich. Dazu trägt insbesondere bei, dass die Ausbildung von Nanodraht-Verbindungen besonders einfach ist. Das zeigen insbesondere die weiter unten beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere ist es möglich, Nanodraht-Verbindungen ohne oder mit vergleichsweise geringer Erwärmung auszubilden. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren des Wafer-to-Wafer-Bondings erfordern demgegenüber eine deutlich stärkere Erwärmung, durch die Wafer und insbesondere elektronische Strukturen darauf beschädigt werden können.The connection is formed by bringing nanowires into contact with one another or of nanowires with a contact surface. This can be done almost instantaneously. The procedure described is correspondingly quick. In this way, the wafer elements can be connected to one another in less than 60 seconds. In addition, the method described can be used to connect to one another wafer elements in which the contact areas are particularly small and / or are particularly close to one another. To assess the performance of the wafer-to-wafer bonding process, the minimum required “pad sizes” and the minimum required “pitch” are usually specified. The pad size indicates the extent of the contact areas. The pitch indicates the center-to-center distance between adjacent pads. This information relates in particular to contact surfaces that are arranged in a regular pattern. The method described can be reliably carried out with a pad size from 0.5 µm [micrometers] and a pitch from 1.5 µm. The pad size is preferably 0.5 to 150 μm. The pitch is preferably 1.5 to 300 µm. The small pad sizes and pitches that can be achieved with the method described are not possible with any technology known from the prior art with comparatively little effort and with comparatively high reliability. A particular factor here is that the formation of nanowire connections is particularly simple. This is shown in particular by the embodiments described below. In particular, it is possible to form nanowire connections without or with comparatively little heating. Methods of wafer-to-wafer bonding known from the prior art, in contrast, require significantly greater heating, which can damage the wafers and, in particular, electronic structures thereon.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das erste Waferelement als ein einstückiger Wafer ausgebildet und ist das zweite Waferelement als ein einstückiger Wafer ausgebildet. Diese Ausführungsform wurde oben als erste Ausführungsform beschrieben.In a preferred embodiment of the method, the first wafer element is designed as a one-piece wafer and the second wafer element is designed as a one-piece wafer. This embodiment has been described above as the first embodiment.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eines der Waferelemente aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt. Diese Ausführungsform umfasst die oben als erste und zweite Ausführungsform bezeichneten Ausführungsformen. Es ist hier also vorgesehen, dass
- ■ das erste Waferelement als ein einstückiger Wafer ausgebildet ist und das zweite Waferelement aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt ist, oder umgekehrt oder dass
- ■ beide Waferelemente jeweils aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt sind.
- ■ the first wafer element is designed as a one-piece wafer and the second wafer element is composed of several wafer pieces, or vice versa, or that
- ■ both wafer elements are each composed of several wafer pieces.
Durch diese Ausführungsform kann also der beschriebene Vorteil genutzt werden, dass verwendbare Bauteilbereiche gezielt miteinander kombiniert werden. Dieser Vorteil besteht, wenn mindestens eines der beiden Waferelemente aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt ist. Das andere Waferelement kann dabei als einstückiger Wafer ausgebildet oder aus mehreren Waferstücken zusammengesetzt sein.This embodiment makes it possible to use the described advantage that usable component areas are combined with one another in a targeted manner. This advantage exists when at least one of the two wafer elements is composed of several wafer pieces. The other wafer element can be designed as a one-piece wafer or composed of several wafer pieces.
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Möglichkeiten beschrieben, die Nanodraht-Verbindungen auszubilden.Two preferred options for forming the nanowire connections are described below.
So werden in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens die beiden Waferelemente durch folgende Verfahrensschritte miteinander verbunden:
- a) Bereitstellen einer Vielzahl von Nanodrähten auf den Kontaktflächen nur des ersten Waferelements,
- b) Zusammenführen der beiden Waferelemente, so dass die Nanodrähte mit den Kontaktflächen des zweiten Waferelements in Kontakt kommen,
- c) Erwärmen der beiden Waferelemente.
- a) providing a large number of nanowires on the contact surfaces of only the first wafer element,
- b) bringing the two wafer elements together so that the nanowires come into contact with the contact surfaces of the second wafer element,
- c) heating the two wafer elements.
In Schritt a) werden die Nanodrähte auf den Kontaktflächen nur eines der Waferelemente bereitgestellt, also nicht auf den Kontaktflächen beider Waferelemente. Die alternative Ausgestaltung, bei der auf den Kontaktflächen beider Waferelemente Nanodrähte bereitgestellt werden, ist Gegenstand der anschließend beschriebenen Ausführungsform.In step a) the nanowires are provided on the contact surfaces of only one of the wafer elements, that is to say not on the contact surfaces of both wafer elements. The alternative configuration, in which nanowires are provided on the contact surfaces of both wafer elements, is the subject of the embodiment described below.
Die Nanodrähte können insbesondere galvanisch gewachsen und insoweit auf der Oberfläche des ersten Waferelements bereitgestellt werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Nanodrähte auch außerhalb der Kontaktflächen bereitgestellt werden. Bevorzugt ist aber, dass die Nanodrähte nur auf den Kontaktflächen bereitgestellt werden. Das ist durch lithografische Strukturierung der Oberfläche des ersten Waferelements möglich. Durch die Beschränkung auf die Kontaktflächen sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Paaren von Kontaktflächen besonders gut voneinander elektrisch isoliert. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Pixel reduziert werden.The nanowires can, in particular, be grown galvanically and to that extent provided on the surface of the first wafer element. It cannot be ruled out that the nanowires are also provided outside of the contact areas. However, it is preferred that the nanowires are only provided on the contact surfaces. This is possible through lithographic structuring of the surface of the first wafer element. As a result of the restriction to the contact surfaces, the connections between the individual pairs of contact surfaces are particularly well insulated from one another electrically. Mutual influencing of neighboring pixels can thereby be reduced.
In Schritt b) werden die beiden Waferelemente zusammengeführt. Dazu werden die beiden Waferelemente vorzugsweise parallel zueinander so positioniert und ausgerichtet, dass die Kontaktflächen auf den beiden Waferelementen einander gegenüberliegen. Anschließend werden die beiden Waferelemente aufeinander zu bewegt, bis sie flächig miteinander in Kontakt stehen. Vorzugsweise werden die beiden Waferelemente zusammengedrückt. Besonders bevorzugt werden die beiden Waferelemente mit einem Druck im Bereich von 1 MPa und 200 MPa, insbesondere im Bereich von 2 MPa und 20 MPa, zusammengedrückt.In step b) the two wafer elements are brought together. For this purpose, the two wafer elements are preferably positioned and aligned parallel to one another in such a way that the contact surfaces on the two wafer elements are opposite one another. The two wafer elements are then moved towards one another until they are in flat contact with one another. The two wafer elements are preferably pressed together. The two wafer elements are particularly preferably pressed together with a pressure in the range of 1 MPa and 200 MPa, in particular in the range of 2 MPa and 20 MPa.
In Schritt c) werden die Waferelemente erwärmt. Werden die Waferelemente zusammengedrückt, kann das Erwärmen währenddessen und/oder danach erfolgen. Durch das Erwärmen verbinden sich die Nanodrähte mit den Kontaktflächen des zweiten Waferelements. Vorzugsweise werden die beiden Waferelemente in Schritt c) auf mindestens 90 °C erwärmt, insbesondere auf mindestens 150 °C. Vorzugsweise werden die beiden Waferelemente in Schritt c) auf höchstens 270 °C erwärmt, insbesondere auf höchstens 240 °C. Besonders bevorzugt werden die beiden Waferelemente in Schritt c) auf eine Temperatur im Bereich von 90 °C bis 270 °C, insbesondere im Bereich von 150 °C bis 240 °C erwärmt. Diese Temperaturen sind erheblich niedriger als die Temperaturen, die bei bekannten Verfahren des Wafer-to-Wafer-Bondings auftreten.In step c) the wafer elements are heated. If the wafer elements are pressed together, the heating can take place during this and / or afterwards. As a result of the heating, the nanowires connect to the contact surfaces of the second wafer element. The two wafer elements are preferably heated to at least 90 ° C., in particular to at least 150 ° C., in step c). The two wafer elements are preferably heated to a maximum of 270 ° C., in particular to a maximum of 240 ° C., in step c). The two wafer elements are particularly preferably heated to a temperature in the range from 90 ° C. to 270 ° C., in particular in the range from 150 ° C. to 240 ° C., in step c). These temperatures are considerably lower than the temperatures that occur in known processes of wafer-to-wafer bonding.
Für das Ausbilden der Verbindung kann es ausreichen, dass die beschriebene Mindesttemperatur einmalig zumindest kurzzeitig erreicht wird. Ein Halten der Temperatur ist nicht erforderlich. Es ist aber bevorzugt, dass die Temperatur, auf die gemäß Schritt c) erwärmt wird, für mindestens zehn Sekunden, vorzugsweise mindestens 30 Sekunden gehalten wird. Damit kann sichergegangen werden, dass die Verbindung wie gewünscht ausgebildet wird. Ein längeres Halten der Temperatur ist grundsätzlich nicht schädlich.For the formation of the connection, it can be sufficient that the minimum temperature described is reached once, at least for a short time. It is not necessary to maintain the temperature. However, it is preferred that the temperature to which the heating is carried out in accordance with step c) is maintained for at least ten seconds, preferably at least 30 seconds. It can thus be ensured that the connection is formed as desired. Maintaining the temperature for a longer period is generally not harmful.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die beiden Waferelemente durch folgende Verfahrensschritte miteinander verbunden:
- A) Bereitstellen einer Vielzahl von Nanodrähten auf den Kontaktflächen des ersten Waferelements und auf den Kontaktflächen des zweiten Waferelements,
- B) Zusammenführen der beiden Waferelemente, so dass die Nanodrähte der beiden Waferelemente miteinander in Kontakt kommen.
- A) providing a multiplicity of nanowires on the contact surfaces of the first wafer element and on the contact surfaces of the second wafer element,
- B) Merging the two wafer elements so that the nanowires of the two wafer elements come into contact with one another.
In dieser Ausführungsform werden die Nanodrähte auf beiden an der Verbindung beteiligten Kontaktflächen bereitgestellt. Die Verbindung erfolgt in dem Fall dadurch, dass sich die Nanodrähte miteinander verhaken und insoweit miteinander verbinden.In this embodiment, the nanowires are provided on both contact surfaces involved in the connection. The connection is made in in the case that the nanowires get caught in one another and thus connect with one another.
Schritt A) erfolgt analog zu Schritt a). Schritt B) erfolgt analog zu Schritt b). Ein Erwärmen ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich, weil die Verbindung zwischen Nanodrähten aufgrund der größeren Oberfläche leichter ausgebildet wird als die Verbindung zwischen einem Nanodraht und einer Kontaktfläche. Nichtsdestotrotz ist auch in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, dass das Verfahren weiterhin umfasst:
- C) Erwärmen der beiden Waferelemente.
- C) heating the two wafer elements.
Für Schritt C) gilt das oben zu Schritt c) Gesagte.For step C) what was said above about step c) applies.
Alternativ zu den Ausführungsformen mit den Schritten a) bis c) beziehungsweise A) bis B) oder C) kann die Verbindung auch durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform erhalten werden. Dabei wird eine Vielzahl von Nanodrähten auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Verbindungselements bereitgestellt. Das Verbindungselement wird zwischen den beiden Waferelementen angeordnet und diese dadurch über das Verbindungselement miteinander verbunden. Dies kann analog zu den Schritten b) und c) erfolgen. In dem Fall werden keine Nanodrähte auf den Kontaktflächen der Waferelemente bereitgestellt. Alternativ wird zusätzlich eine Vielzahl von Nanodrähten auf den Kontaktflächen des ersten Waferelements und auf den Kontaktflächen des zweiten Waferelements bereitgestellt. In dem Fall erfolgt das Verbinden analog zu den Schritten B) und, optional, C). Auch ist es möglich, dass diese beiden Alternativen miteinander kombiniert werden. So kann das Verbindungselement mit dem ersten Waferelement analog zu den Schritten b) und c) verbunden werden und mit dem zweiten Waferelement analog zu den Schritten B) und, optional, C). Das Verbindungselement ist vorzugsweise als eine Folie ausgebildet. Das Verbindungselement kann auch als ein Verbindungstape bezeichnet werden. Es ist bevorzugt, dass die Nanodrähte auf dem Verbindungselement nur entsprechend der Anordnung und Ausdehnung der Kontaktflächen bereitgestellt werden. Außerhalb der Kontaktflächen wird dann keine Verbindung zwischen den Waferelementen ausgebildet, so dass Kurzschlüsse zwischen den Verbindungen vermieden werden.As an alternative to the embodiments with steps a) to c) or A) to B) or C), the connection can also be obtained by a further preferred embodiment. A large number of nanowires are provided on two opposing surfaces of a connecting element. The connecting element is arranged between the two wafer elements and these are thereby connected to one another via the connecting element. This can be done analogously to steps b) and c). In that case, no nanowires are provided on the contact surfaces of the wafer elements. Alternatively, a multiplicity of nanowires is additionally provided on the contact areas of the first wafer element and on the contact areas of the second wafer element. In this case, the connection takes place analogously to steps B) and, optionally, C). It is also possible for these two alternatives to be combined with one another. Thus, the connecting element can be connected to the first wafer element analogously to steps b) and c) and to the second wafer element analogously to steps B) and, optionally, C). The connecting element is preferably designed as a film. The connecting element can also be referred to as a connecting tape. It is preferred that the nanowires are provided on the connecting element only in accordance with the arrangement and extent of the contact surfaces. No connection is then formed between the wafer elements outside the contact areas, so that short circuits between the connections are avoided.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die ersten Bauteilbereiche identisch zueinander ausgebildet und/oder sind die zweiten Bauteilbereiche identisch zueinander ausgebildet.In a further preferred embodiment of the method, the first component areas are designed to be identical to one another and / or the second component areas are designed to be identical to one another.
Bevorzugt ist die Kombination, dass die ersten Bauteilbereiche identisch zueinander ausgebildet und die zweiten Bauteilbereiche identisch zueinander ausgebildet sind. Die ersten Bauteilbereiche sind vorzugsweise von den zweiten Bauteilbereichen verschieden. Alternativ können aber auch die ersten Bauteilbereiche identisch zu den zweiten Bauteilbereichen ausgebildet sein.The preferred combination is that the first component areas are designed to be identical to one another and the second component areas are designed to be identical to one another. The first component areas are preferably different from the second component areas. Alternatively, however, the first component areas can also be designed identically to the second component areas.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die ersten Bauteilbereiche rasterförmig auf dem ersten Waferelement angeordnet und/oder sind die zweiten Bauteilbereiche rasterförmig auf dem zweiten Waferelement angeordnet.In a further preferred embodiment of the method, the first component areas are arranged in a grid shape on the first wafer element and / or the second component areas are arranged in a grid shape on the second wafer element.
Bevorzugt ist die Kombination, dass die ersten Bauteilbereiche rasterförmig auf dem ersten Waferelement angeordnet sind und die zweiten Bauteilbereiche rasterförmig auf dem zweiten Waferelement angeordnet sind.The combination is preferred that the first component areas are arranged in a grid shape on the first wafer element and the second component areas are arranged in a grid shape on the second wafer element.
Rasterförmig bedeutet, dass die jeweiligen Bauteilbereiche nach einem regelmäßigen Muster mit Spalten und Zeilen angeordnet sind. Eine derart regelmäßige Anordnung erleichtert insbesondere die Zusammensetzung von Waferstücken zu einem Waferelement.Grid-like means that the respective component areas are arranged according to a regular pattern with columns and rows. Such a regular arrangement particularly facilitates the assembly of wafer pieces to form a wafer element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die miteinander verbundenen Waferelemente derart zerteilt, dass Bauteile erhalten werden, die jeweils einen der ersten Bauteilbereiche und einen der zweiten Bauteilbereiche aufweisen.In a further preferred embodiment of the method, the interconnected wafer elements are divided up in such a way that components are obtained which each have one of the first component areas and one of the second component areas.
Das Zerteilen kann beispielsweise erfolgen, indem die miteinander verbundenen Waferelemente zersägt werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die beiden Waferelemente jeweils als ein einstückiger Wafer ausgebildet sind. Wird ein aus mehreren Waferstücken zusammengesetzter Wafer verwendet, kann das Zerteilen auch dadurch erfolgen, dass die einzelnen Waferstücke wieder voneinander getrennt werden. So kann beispielsweise ein Klebstoff zwischen den Waferstücken und einem Substrat gelöst werden. Auch eine Kombination aus Trennen von Waferstücken und Sägen ist möglich.The division can take place, for example, by sawing up the interconnected wafer elements. This is particularly the case when the two wafer elements are each designed as a one-piece wafer. If a wafer composed of several wafer pieces is used, the division can also take place in that the individual wafer pieces are separated from one another again. For example, an adhesive can be loosened between the wafer pieces and a substrate. A combination of separating wafer pieces and sawing is also possible.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die ersten Bauteilbereiche als ein jeweiliger DRAM ausgebildet und/oder sind die zweiten Bauteilbereiche als ein jeweiliger DRAM ausgebildet.In a further preferred embodiment of the method, the first component areas are designed as a respective DRAM and / or the second component areas are designed as a respective DRAM.
Bevorzugt ist die Kombination, dass die ersten Bauteilbereiche als ein jeweiliger DRAM ausgebildet sind und die zweiten Bauteilbereiche als ein jeweiliger DRAM ausgebildet sind.The combination is preferred that the first component areas are designed as a respective DRAM and the second component areas are designed as a respective DRAM.
In der vorliegenden Ausführungsform kann das beschriebene Verfahren dazu genutzt werden, DRAMs zu stapeln. Dies kann auch als Stacking von DRAMs bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die ersten Bauteilbereiche und die zweiten Bauteilbereiche identisch zueinander ausgebildet. So kann ein Stapel gleichartiger DRAMs erhalten werden.In the present embodiment, the method described can be used to stack DRAMs. This can also be referred to as stacking DRAMs. Preferably they are first component areas and the second component areas are identical to one another. A stack of similar DRAMs can thus be obtained.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung umfassend ein erstes Waferelement und ein zweites Waferelement vorgestellt. Das erste Waferelement weist eine Mehrzahl von ersten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Kontaktfläche auf. Das zweite Waferelement weist eine Mehrzahl von zweiten Bauteilbereichen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Kontaktfläche auf. Die Waferelemente sind dadurch miteinander verbunden, dass die Kontaktflächen der beiden Waferelemente paarweise über eine Vielzahl von Nanodrähten miteinander verbunden sind.As a further aspect of the invention, an arrangement comprising a first wafer element and a second wafer element is presented. The first wafer element has a plurality of first component regions with a respective electronic structure and a respective contact surface. The second wafer element has a plurality of second component regions with a respective electronic structure and a respective contact area. The wafer elements are connected to one another in that the contact surfaces of the two wafer elements are connected to one another in pairs via a large number of nanowires.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Verfahrens sind auf die Anordnung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Anordnung ist vorzugsweise durch das beschriebene Verfahren hergestellt. Das beschriebene Verfahren ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Anordnung erhalten wird.The described advantages and features of the method can be applied and transferred to the arrangement, and vice versa. The arrangement is preferably produced by the method described. The method described is preferably designed in such a way that the arrangement is obtained.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen vorgestellt. Ein erstes Waferelement mit einer Mehrzahl von Bildsensoren mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Mehrzahl von Kontaktflächen wird bereitgestellt. Ein zweites Waferelement mit einer Mehrzahl von Signalverarbeitungselementen mit einer jeweiligen elektronischen Struktur und einer jeweiligen Mehrzahl von Kontaktflächen wird bereitgestellt. Die Waferelemente werden dadurch miteinander verbunden, dass die Kontaktflächen der beiden Waferelemente paarweise über eine Vielzahl von Nanodrähten miteinander verbunden werden. Die miteinander verbundenen Waferelemente werden derart zerteilt, dass die Bildgebungsmodule erhalten werden, die jeweils einen der Bildsensoren und eines der Signalverarbeitungselemente aufweisen.As a further aspect of the invention, a method for producing a plurality of imaging modules is presented. A first wafer element with a plurality of image sensors with a respective electronic structure and a respective plurality of contact areas is provided. A second wafer element with a plurality of signal processing elements with a respective electronic structure and a respective plurality of contact areas is provided. The wafer elements are connected to one another in that the contact surfaces of the two wafer elements are connected to one another in pairs via a large number of nanowires. The interconnected wafer elements are divided in such a way that the imaging modules are obtained which each have one of the image sensors and one of the signal processing elements.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Verfahrens zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement und der Anordnung sind auf das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die beschriebene Anordnung ist insoweit als ein Zwischenprodukt für die Bildgebungsmodule aufzufassen. Die Bildgebungsmodule können durch zerteilen der Anordnung erhalten werden. Mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren können daher gleichzeitig mehrere Bildgebungsmodule hergestellt werden. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen werden die Waferelemente vorzugsweise nach dem beschriebenen Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement miteinander verbunden.The described advantages and features of the method for connecting a first wafer element to a second wafer element and the arrangement can be applied and transferred to the method for producing a plurality of imaging modules, and vice versa. The arrangement described is to be understood as an intermediate product for the imaging modules. The imaging modules can be obtained by dividing the assembly. With the method described here, several imaging modules can therefore be produced at the same time. In the method for producing a plurality of imaging modules, the wafer elements are preferably connected to one another according to the described method for connecting a first wafer element to a second wafer element.
Unter einem Bildgebungsmodul wird ein Modul verstanden, das Bildsignale aufzeichnen und nach Verarbeitung ausgeben kann. Die Bildgebungsmodule umfassen dazu jeweils einen Bildsensor und ein Signalverarbeitungselement. Jeder Pixel des Bildsensors erzeugt ein jeweiliges Signal, welches jeweils einzeln im Signalverarbeitungselemente verarbeitet wird. Der Abstand zwischen Pixel und Signalverarbeitungselement kann dabei so klein sein, dass auch besonders schwache elektrische Signale von dem Signalverarbeitungselement verarbeitet werden können. Vorzugsweise ist das Signalverarbeitungselement zumindest zur Signalverstärkung eingerichtet. Die geringe Entfernung zwischen dem Pixel und dem Signalverarbeitungselement ermöglicht besonders kleine Bildsensoren mit besonders hoher Auflösung und besonders hoher Signalqualität. Die Bildgebungsmodule sind vorzugsweise Bildgebungsmodule für Fotokameras und/oder Videokameras. Die Bildgebungsmodule können auch als Videomodule bezeichnet werden. Dieser Begriff schließt nicht aus, dass mit einem Videomodul auch Standbilder aufgenommen werden. Auch eine Fotokamera kann insoweit ein Videomodul aufweisen.An imaging module is understood to be a module that can record image signals and output them after processing. To this end, the imaging modules each include an image sensor and a signal processing element. Each pixel of the image sensor generates a respective signal, which is processed individually in the signal processing element. The distance between the pixel and the signal processing element can be so small that even particularly weak electrical signals can be processed by the signal processing element. The signal processing element is preferably set up at least for signal amplification. The short distance between the pixel and the signal processing element enables particularly small image sensors with a particularly high resolution and particularly high signal quality. The imaging modules are preferably imaging modules for photo cameras and / or video cameras. The imaging modules can also be referred to as video modules. This term does not exclude that still images can be recorded with a video module. To this extent, a photo camera can also have a video module.
Bei den Bildsensoren handelt es sich vorzugsweise um CMOS-Sensoren oder um CCD-Sensoren. Die Bildsensoren stellen erste Bauteilbereiche dar. Die Pixel des Bildsensors können durch Fotodioden realisiert sein. Als elektronische Struktur können dabei eine Vielzahl von Fotodioden vorgesehen sein. Die Bildsensoren können auch als Videosensoren oder Fotosensoren bezeichnet werden. Die Signalverarbeitungselemente stellen zweite Bauteilbereiche dar. Als elektronische Struktur können dabei eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen vorgesehen sein. Diese elektronischen Bauteile sind dazu eingerichtet, das Signal eines Pixels zu verarbeiten. Bei dem Signalverarbeitungselement handelt es sich vorzugsweise um einen Verstärker. Alternativ ist als Signalverarbeitungselement ein Microcontroller, ein Filter, ein Signalkonditionierer oder eine Signalverarbeitungsintelligenz bevorzugt. Auch ist es bevorzugt, dass das Signalverarbeitungselement durch Verkettung eines oder mehrerer der genannten Elemente gebildet ist.The image sensors are preferably CMOS sensors or CCD sensors. The image sensors represent first component areas. The pixels of the image sensor can be implemented by photodiodes. A large number of photodiodes can be provided as the electronic structure. The image sensors can also be referred to as video sensors or photo sensors. The signal processing elements represent second component areas. A large number of electronic components can be provided as the electronic structure. These electronic components are set up to process the signal from a pixel. The signal processing element is preferably an amplifier. Alternatively, a microcontroller, a filter, a signal conditioner or a signal processing intelligence is preferred as the signal processing element. It is also preferred that the signal processing element is formed by chaining one or more of the named elements.
Insbesondere bei Anwendung auf Bildgebungsmodule können die beschriebenen Vorteile des Verfahrens zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement genutzt werden. So ist es bevorzugt, dass die Bildsensoren jeweils mindestens eine Million Pixel umfassen. In dem Fall handelt es sich um sogenannte Megapixel-Sensoren. Entsprechend groß ist die Anzahl der auszubildenden Nanodraht-Verbindungen. Um besonders kleine Bildsensoren mit einer besonders hohen Auflösung herstellen zu können, müssen die Kontaktflächen entsprechend klein und nah beieinander angeordnet sein. Mit dem beschriebenen Verfahren zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement kann eine Padgröße von 0,5 µm [Mikrometer] bei einem Pitch von 1,5 µm zuverlässig prozessiert werden. Dies ist bei der Herstellung von Bildgebungsmodulen ein großer Vorteil.In particular when applied to imaging modules, the described advantages of the method for connecting a first wafer element to a second wafer element can be used. It is therefore preferred that the image sensors each comprise at least one million pixels. In this case, what are known as megapixel sensors are involved. The number of nanowire connections to be formed is correspondingly large. To particularly small image sensors with a particularly high To be able to produce resolution, the contact areas must be arranged correspondingly small and close together. With the described method for connecting a first wafer element to a second wafer element, a pad size of 0.5 µm [micrometers] with a pitch of 1.5 µm can be reliably processed. This is a great advantage in the manufacture of imaging modules.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Bildgebungsmodul vorgestellt, das einen Bildsensor mit einer elektronischen Struktur und einer Mehrzahl von Kontaktflächen sowie ein Signalverarbeitungselement mit einer elektronischen Struktur und einer Mehrzahl von Kontaktflächen umfasst. Die Kontaktflächen des Bildsensors sind paarweise mit den Kontaktflächen des Signalverarbeitungselements über eine Vielzahl von Nanodrähten verbunden.As a further aspect of the invention, an imaging module is presented which comprises an image sensor with an electronic structure and a plurality of contact areas and a signal processing element with an electronic structure and a plurality of contact areas. The contact surfaces of the image sensor are connected in pairs to the contact surfaces of the signal processing element via a large number of nanowires.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Verfahrens zum Verbinden eines ersten Waferelements mit einem zweiten Waferelement, der Anordnung und des Verfahrens zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen sind auf das Bildgebungsmodul anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das Bildgebungsmodul ist vorzugsweise eines der Bildgebungsmodule, die mit dem Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen hergestellt werden. Das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Bildgebungsmodulen ist vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Mehrzahl der beschriebenen Bildgebungsmodule erhalten wird.The described advantages and features of the method for connecting a first wafer element to a second wafer element, the arrangement and the method for producing a plurality of imaging modules can be used and transferred to the imaging module, and vice versa. The imaging module is preferably one of the imaging modules that are produced using the method for producing a plurality of imaging modules. The method for producing a plurality of imaging modules is preferably designed such that a plurality of the imaging modules described is obtained.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
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1 : eine Draufsicht auf ein erstes Waferelement, das erfindungsgemäß verwendet werden kann, -
2 : eine seitliche Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend daserste Waferelement aus 1 sowie ein zweites Waferelement, -
3 : eine seitliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bildgebungsmoduls, welches aus der Anordnung aus2 erhalten werden kann, und -
4 : eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines ersten Waferelements, das erfindungsgemäß verwendet werden kann.
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1 : a plan view of a first wafer element that can be used according to the invention, -
2 : a lateral sectional view of an arrangement according to the invention comprising the first wafer element from1 as well as a second wafer element, -
3 : a side sectional view of an imaging module according to the invention, which is from the arrangement from2 can be obtained, and -
4th : a plan view of an alternative embodiment of a first wafer element that can be used according to the invention.
Die Waferelemente 1,2 sind dadurch miteinander verbunden, dass die Kontaktflächen
Die beiden Waferelemente 1,2 können durch folgende Verfahrensschritte miteinander verbunden werden:
- a) Bereitstellen einer
Vielzahl von Nanodrähten 7 auf den Kontaktflächen 6 nur des ersten Waferelements1 , - b) Zusammenführen der beiden Waferelemente 1,2, so dass die
Nanodrähte 7 mit den Kontaktflächen 6 des zweiten Waferelements2 in Kontakt kommen, - c) Erwärmen der beiden Waferelemente 1,2.
- a) Providing a large number of nanowires
7th on the contact surfaces6th only thefirst wafer element 1 , - b) Merging the two
1,2, so that the nanowireswafer elements 7th with the contact surfaces6th of thesecond wafer element 2 get in touch, - c) heating the two
1,2.wafer elements
Alternativ können die beiden Waferelemente 1,2 durch folgende Verfahrensschritte miteinander verbunden werden:
- A) Bereitstellen einer
Vielzahl von Nanodrähten 7 auf den Kontaktflächen 6 des ersten Waferelements1 und aufden Kontaktflächen 6 des zweiten Waferelements2 , - B) Zusammenführen der beiden Waferelemente 1,2, so dass die
Nanodrähte 7 der beiden Waferelemente 1,2 miteinander in Kontakt kommen.
- A) Providing a multitude of nanowires
7th on the contact surfaces6th of thefirst wafer element 1 and on the contact surfaces6th of thesecond wafer element 2 , - B) Merging the two
1,2, so that the nanowireswafer elements 7th of the two 1,2 come into contact with one another.wafer elements
Die miteinander verbundenen Waferelemente 1,2 können derart zerteilt werden, dass Bauteile
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- erster Waferelementfirst wafer element
- 22
- zweiter Waferelementsecond wafer element
- 33
- erster Bauteilbereichfirst component area
- 44th
- zweiter Bauteilbereichsecond component area
- 55
- elektronische Strukturelectronic structure
- 66th
- KontaktflächeContact area
- 77th
- NanodrähteNanowires
- 88th
- BauteilComponent
- 99
- Anordnungarrangement
- 1010
- BildgebungsmodulImaging module
- 1111th
- BildsensorImage sensor
- 1212th
- SignalverarbeitungselementSignal processing element
- 1313th
- erstes Waferstückfirst wafer piece
- 1414th
- zweites Waferstücksecond wafer piece
Claims (12)
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-
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