DE10230373B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Bonden eines Stapels aus drei oder mehr scheibenförmigen Substraten, insbesondere eines 3-Wafer-Stacks - Google Patents

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Abstract

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Bonden eines Stapels aus drei scheibenförmigen, zueinander ausgerichteten Substraten bereitgestellt. Nach dem Ausrichten des ersten und zweiten Substrats zueinander werden beide Substrate durch mindestens eine erste Klemmeinrichtung geklemmt, wobei auf dem zweiten Substrat ein Abstandshalter aufgesetzt wird. Ein drittes Substrat, das im Bereich der ersten ausgefahrenen Klemmeinrichtung eine Aussparung aufweist, wird anschließend relativ zum Stapel aus erstem und zweitem Substrat ausgerichtet und mit mindestens einer zweiten Klemmeinrichtung im Bereich des Abstandshalters geklemmt. Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Boden eines Stapels aus drei scheibenförmigen Substraten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Bonden eines Stapels aus drei oder mehr scheibenförmigen, zueinander ausgerichteten Substraten, insbesondere eines 3-Wafer-Stacks.
  • Im Rahmen der industriellen Massenfertigung beispielsweise mikromechanischer Sensoren mit Verfahren des Wafer- bzw. Substratbondens ist man darin interessiert, mehrlagig aufgebaute Bauelemente in möglichst wenig Prozessschritten zu fertigen. Der Begriff „Wafer" wird im Folgenden stellvertretend für ein im Allgemeinen scheibenförmiges Substrat verwendet.
  • In herkömmlichen Verfahren werden zwei Wafer gleichzeitig zueinander ausgerichtet und gebondet. 6 zeigt schematisch die bekannte Vorrichtung zum alignierten Bonden zweier Wafer. Zwischen dem ersten Wafer 1 und dem zweiten Wafer 2 wird ein Abstandshalter 32 eingeschwenkt, die beiden Wafer werden im Bondaligner zueinander ausgerichtet und mit einer Klemmeinrichtung 31 geklemmt. Die Klemmeinrichtung 31 und der Abstandshalter 32 sind dabei auf der von einer Unterstützungsfläche 40 gehaltenen Fläche des ersten Substrats 1 gegenüberliegenden Seite des Substratstapels angeordnet.
  • Besteht ein zu fertigendes Produkt aus mehr als zwei Wafern, wie beispielsweise dreilagig aufgebaute Beschleunigungssensoren, so müssen solche Produkte im Rahmen einer industriellen Massenfertigung sequentiell montiert, also jeweils nur zwei zueinander ausgerichtete Scheiben miteinander gebondet werden.
  • Die Hauptschwierigkeit des Triple-Stack-Bonding in einem einzigen Schritt liegt in der Tatsache begründet, dass herkömmliche Vorrichtungen jeweils nur zwei Betätigungseinrichtungen aufweisen, wovon die erste für das Einschwenken des Abstandshalters 32 vorgesehen ist, und die zweite die Klemmeinrichtung 31 trägt, mit dem die zwei im Bondaligner zueinander ausgerichteten Wafer geklemmt werden.
  • Für dreilagig aufgebaute Produkte hingegen ist es notwendig, zunächst die ersten beiden Wafer zueinander ausgerichtet zu klemmen, dann den Abstandshalter einzuschwenken und schließlich den dritten Wafer bezüglich des Stapels aus erstem und zweitem Substrat auszurichten und zu klemmen. Auf den Abstandshalter kann dabei nicht verzichtet werden, da das Produkt in der Bondkammer versiegelt wird und im Inneren definierte atmosphärische Bedingungen aufweisen muss.
  • 7 zeigt einen Aufbau bei dem der Abstandshalter 32 zum Klemmen der ersten beiden zueinander ausgerichteten Wafer 1 und 2 eingesetzt wird und ein dritter Wafer 3 mit einer Klemmeinrichtung 31 nach dem Alignieren geklemmt wird. Umfangreiche Versuche mit diesem Versuchsaufbau erbrachten nicht den gewünschten Erfolg. Deshalb wurde bisher davon ausgegangen, dass dieses Problem nur durch den Einbau einer zusätzlichen unabhängigen dritten Betätigungseinrichtung zu lösen sei, der eine zweite Klemmeinrichtung zur Sicherung des Alignments zwischen Wafer 1 und 2 bewegt. Dies allerdings hätte neben den vergleichsweise günstigen Softwareänderungen im Bondaligner und Bonder auch die Notwendigkeit erheblicher Um- und Neukonstruktionen der kompletten Anlage zur Folge.
  • Die AT 405 224 B beschreibt eine Vorrichtung zum Ausrichten und Zusammenführen scheibenförmiger Bauteile, bei der Klemmen bzw. Distanzhalter zum Festklemmen eines ersten Wafers auf einem Träger vorgesehen sind, worauf ein zweiter Wafer gelegt und mit Klemmen verklemmt wird. Darauf wird ein dritter Wafer gelegt, der mit Haltevorrichtungen über eine Abdeckplatte befestigt wird. Das Waferpaket wird anschließend an einer separaten Station unter Vakuum oder Schutzgas verbunden, in dem ein Niederhalter durch eine zentrale Öffnung der Abdeckplatte angreift und die Wafer mittig durchbiegend in Kontakt bringt. Mit dem Herausziehen der Klemmen bzw. Distanzhalter ergibt sich ein ganzflächiger Kontakt zwischen den Wafern. Ferner wird vorgeschlagen, zunächst zwei Wafer zu verbinden und auf den so erhaltenen Verbundkörper unter Herausziehen der nächsten Distanzhalter mit dem nächsten Wafer zu verbinden. Dabei wird jedoch keine Anregung gegeben, zunächst den ersten Wafer mit dem zweiten Wafer nur zu verklemmen ohne einen verbundenen Körper zu bilden. Zudem wird kein Hinweis darauf gegeben, den Abstandshalter auf dem zweiten Wafer neben der ersten Klemmeinrichtung aufzusetzen und darüber die zweite Klemmeinrichtung auf dem dritten Substrat zu positionieren.
  • Aus der AT 004 207 U1 sind Federelemente zum Verklemmen von zwei Wafern bekannt.
  • Aus der DE 42 19 774 C1 ist es bekannt, ein Substratpaket durch Justieren der einzelnen Wafer in einem Arbeitsbereich und Verbinden in einem zweiten Arbeitsbereich herzustellen. Im zweiten Arbeitsbereich werden die Wafer auf einem Ablagetisch gestapelt und mit einer Halteplatte über Passstifte magnetisch gehaltert.
  • Bei der in der DE 100 48 374 A1 dargestellten Vorrichtung werden die drei Wafer durch Herausziehen von Abstanzstücken zwischen den Wafern verbunden ohne die Wafer vorher in Verbindung zu bringen.
  • Die Literaturstelle MIRZA, A.R.; AYON, A.A.: Silicon wafer bonding for MEMS manufacturing. In: Solid State Technology, 1999, August, Seite 73–78 zeigt eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei Wafern mit zwischenliegenden Distanzstücken, wobei durch Einwirken mechanischer Kraft die Wafer durchgebogen und mittig in Kontakt gebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Anregung gegeben, einen Stapel aus drei zuvor gegeneinander justierten Wafern gleichzeitig im Vakuum mittels anodischem oder direktem Bonden zu verbinden.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen alignierten Bonden eines Stapels aus drei Wafern bereitzustellen. Vorzugsweise soll das Alignment aller drei Wafer zueinander durchgeführt und sichergestellt werden, ohne eine dritte unabhängige Betätigungseinrichtung vorzusehen.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen enthaltenen Merkmale gelöst.
  • Bei der Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trägt eine erste Betätigungseinrichtung sowohl eine erste Klemmeinrichtung zum Klemmen des ersten und zweiten Wafers als auch einen Abstandshalter, während eine zweite Betätigungseinrichtung eine zweite Klemmeinrichtung zum Klemmen des dritten Wafers aufweist.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1(a)–(c) schematisch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 schematisch eine Teilschnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3–5 realistische Abbildungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 6 schematisch eine bekannte Vorrichtung zum Bonden zweier Wafer und
  • 7 eine ebenfalls bekannte Vorrichtung zum gleichzeitigen alignierten Bonden dreier Wafer, wobei der Abstandshalter zum Klemmen des ersten und zweiten Wafers benutzt wird.
  • Gemäß den 1 und 2 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Betätigungseinrichtungen 10 und 20 und eine Unterstützungsfläche 40 auf. Auf der ersten Betätigungseinrichtung 10 ist eine erste Klemmeinrichtung 11 gemeinsam mit einem Abstandshalter 12 befestigt. Die zweite Betätigungseinrichtung 20 trägt eine zweite Klemmeinrichtung 21.
  • Zunächst wird ein erster Wafer 1 auf die Unterstützungsfläche 40 in die Vorrichtung gelegt. Auf den ersten Wafer 1 wird ein zweiter Wafer 2 gelegt und zu diesem ausgerichtet (siehe 1(a)). Die beiden Wafer 1 und 2 werden nun durch Einschwenken der ersten Betätigungseinrichtung 10 mit der ersten Klemmeinrichtung 11 geklemmt. Durch das Betätigen der ersten Betätigungseinrichtung 10 wird gleichzeitig der Abstandshalter 12 ausgefahren. Der Abstandshalter 12 kommt dabei neben der ersten Klemmeinrichtung 11 in geringem Abstand oberhalb der dem ersten Wafer 1 abgewandten Seite des zweiten Wafers 2 zu liegen, wie es in 1(b) bzw. 2 gezeigt ist.
  • Daraufhin wird ein dritter Wafer 3 auf den alignierten und geklemmten Stapel aus den Wafern 1 und 2 gelegt, zu diesem ausgerichtet und gegen den ausgefahrenen Abstandshalter 12 gedrückt. Um den dritten Wafer 3 auf den geklemmten Stapel aus den Wafern 1 und 2 legen zu können, weist der dritte Wafer 3 am Rand mindestens eine Aussparung 4 in dem Bereich auf, in dem die ausgefahrene erste Klemmeinrichtung 11 auf den zweiten Wafer 2 drückt, damit das Alignment zwischen den Wafern 1 und 2 beim Transport der Vorrichtung erhalten werden kann.
  • Gemäß 1(c) wird der dritte Wafer 3 von der zweiten Klemmeinrichtung 21 durch Betätigen der zweiten Betätigungseinrichtung 20 geklemmt. Die zweite Klemmeinrichtung 21 befindet sich nach dem Ausfahren auf der dem Abstandshalter 12 abgewandten Seite des dritten Substrats 3. Hierbei befinden sich der Abstandshalter 12 und die beiden Klemmeinrichtungen 11 und 21 jeweils auf der von der Unterstützungsfläche 40 gehaltenen Fläche des ersten Wafers 1 gegenüberliegenden Seite des Substratstapels, um eine Biegebeanspruchung zu vermeiden.
  • Die 2 zeigt eine Teilschnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa entlang der Linie II-II in der 1(c) mit den Positionen der beiden Klemmeinrichtungen 11 und 21, des Abstandshalters 12 und der Unterstützungsfläche 40 relativ zu den drei Wafern 1, 2 und 3 im geklemmten Zustand.
  • Die 3–5 zeigen realistische Abbildungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus verschiedenen Blickrichtungen. Die 4 entspricht im wesentlichen der 1(b) mit dem Unterschied, dass in 4 der dritte Wafer 3 mit der Aussparung 4 bereits auf dem geklemmten Stapel aus den Wafern 1 und 2 liegt. In der Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 5 ist gut zu erkennen, wie der Abstandshalter 12 zwischen dem Wafer 3 und dem mit der Klemmeinrichtung 11 bereits geklemmten Stapel aus den Wafern 1 und 2 angeordnet ist.
  • Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Einheiten aus jeweils erster und zweiter Betätigungseinrichtung 10 bzw. 20 mit zugeordneten Unterstützungsflächen 40 der oben beschriebenen Art auf, die am Rand der zu bondenen Wafer angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Stapel aus drei Wafern an mehreren, vorzugsweise symmetrisch gelegenen Positionen geklemmt werden. Beispielsweise kann eine Vorrichtung drei solcher Einheiten aufweisen, wobei die Winkel zwischen den Einheiten dann vorzugsweise jeweils etwa 120° betragen.
  • Im Bonder wird nun zunächst nach Einstellen der atmosphärischen Bedingungen zwischen den Wafern der komplette Stapel – beispielsweise durch Aufsetzen eines Mittelzapfens – geklemmt und die erste Betätigungseinrichtung 10 mit Klemmeinrichtung 11 und Abstandshalter 12 gelöst. Daraufhin können zum Beispiel bei einem anodisch zu bondenden Glas-Silizium-Glas- bzw. Silizium-Glas-Siliziumstapel über die nun frei zugänglichen Aussparungen 4 im dritten Wafer 3 entsprechende Elektrodenpins auf den mittleren Wafer 2 aufgesetzt und dieser damit kontaktiert werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Bonden eines Stapels aus drei scheibenförmigen Substraten (1; 2; 3) mit den Schritten: (a) Ausrichten des ersten Substrats (1) und des zweiten Substrats (2) zueinander in Form eines Stapels; (b) Klemmen des ersten Substrats (1) und zweiten Substrats (2) mit mindestens einer ersten Klemmeinrichtung (11); (c) Ausfahren eines Abstandshalters (12) neben der ersten Klemmeinrichtung (11) und Aufsetzen auf dem zweiten Substrat (2); (d) Ausrichten eines dritten Substrats (3) relativ zum Stapel aus erstem und zweitem Substrat (1; 2) auf der Seite des zweiten Substrats, wobei das dritte Substrat (3) im Bereich der ersten ausgefahrenen Klemmeinrichtung (11) eine Aussparung (4) aufweist; und (e) Klemmen des dritten Substrats (3) mit mindestens einer zweiten Klemmeinrichtung (21) im Bereich des Abstandshalters (12) auf der diesem gegenüberliegenden Seite des dritten Substrats (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verfahrensschritte (b) und (c) gleichzeitig erfolgen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Klemmeinrichtung (11) und der Abstandshalter (12) gemeinsam an einer ersten Betätigungseinrichtung (10) befestigt sind.
  4. Vorrichtung zum Bonden eines Stapels aus drei scheibenförmigen Substraten (1; 2; 3), insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit (a) mindestens einer ersten Betätigungseinrichtung (10) mit: – einer ersten Klemmeinrichtung (11) zum Klemmen des ersten und zweiten Substrats (1; 2) und – einem Abstandshalter (12) neben der Klemmeinrichtung (11) zum Halten eines Abstands zwischen dem zwieten und dritten Substrat (2; 3), wobei das dritte Substrat (3) im Bereich der ausgefahrenen ersten Klemmeinrichtung (11) eine Aussparung (4) aufweist; und (b) einer zweiten Betätigungseinrichtung (20) mit einer zweiten Klemmeinrichtung (21) zum Klemmen des dritten Substrats (3) auf den Stapel aus erstem und zweitem Substrat (1; 2).
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Klemmeinrichtung (21) nach dem Ausfahren auf der dem Abstandshalter (12) abgewandten Seite des dritten Substrats (3) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die jeweils erste und die zweite Betätigungseinrichtung (10; 20) als Paar direkt nebeneinander am Rand der Substrate (1, 2, 3) angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Vorrichtung drei erste Betätigungseinrichtungen (10) und/oder drei zweite Betätigungseinrichtungen (20) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Winkel zwischen den drei Paaren aus ersten (10) und zweiten (20) Betätigungseinrichtungen jeweils etwa 120° betragen.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die beiden Klemmeinrichtungen (11, 21) und der Abstandshalter (12) auf der von einer Unterstützungsfläche (40) gehaltenen Fläche des ersten Substrats (1) gegenüberliegenden Seite des Substratstapels angeordnet sind.
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