DE19602318C1

DE19602318C1 - Verfahren zum Verbinden von mikromechanischen Wafern

Info

Publication number: DE19602318C1
Application number: DE1996102318
Authority: DE
Inventors: Gerhard Klink
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2016-01-24

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von mikromechanischen Wafern und insbesondere auf ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Wafers, auf dessen einer Hauptoberfläche eine Mehrzahl vorstehender Strukturen angeordnet ist, mit einem zweiten Wafer.

Zur Herstellung mikrosystemtechnischer Bauelemente, wie zum Beispiel Sensoren, Pumpen und Ventilen, werden strukturierte Wafer zusammengefügt, um funktionsfähige miniaturisierte Bauteile mit dreidimensionalen Strukturen zu erhalten. Bei der Verbindung ganzer Wafer existiert die Schwierigkeit, haftfeste, definierte und strukturierte Verbindungen über die gesamte Fläche eines Wafers herzustellen.

Mikrosystemtechnische Bauelemente der oben genannten Art können aus zwei Bauteilen bestehen, die miteinander ver bunden sind. Die Einzelbauteile zur Herstellung eines mikro mechanischen Bauelements werden in einer Mehrzahl auf einem Wafer hergestellt. Um die für das fertige Bauelement not wendige Verbindung der zwei Bauteile kostengünstig durchzu führen, wird im allgemeinen angestrebt, die Wafer vor der Vereinzelung der Bauteile zu verbinden, was allgemein als Wafer-Bonden bezeichnet wird. Bekannte Verfahren, die zum Wafer-Bonden verwendet werden, benützen eine Fügeschicht zum Bonden.

Beispiele bekannter Verfahren zum Verbinden von Wafern sind das anodische Bonden mit Schichten aus Pyrex-Glas, das eu tektische Legieren mit Gold-Zwischenschichten, das Silizium- Direkt-Bonden, das Bonden mit Polyimid-Zwischenschichten und das Verbinden mit aufgeschleuderten Klebeschichten. Typische Verfahrensmerkmale der genannten Verbindungsverfahren, sowie Angaben bezüglich deren Anwendbarkeit auf mikromechanisch strukturierte Wafer sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Ein großer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß eine Strukturierung der Bond-Schicht nur dann möglich ist, wenn einer der zu verbindenden Wafer eine weitgehend, das heißt etwa im µm-Bereich, planare Oberfläche besitzt. Die erfor derlichen Lack- und Litographieprozesse zur Herstellung von Mikrostrukturen setzen diese voraus.

Im allgemeinen weisen beide zu verbindenden mikromechani schen Wafer jedoch tiefe Gräben oder Öffnungen auf. Eine strukturierte Verbindungsschicht auf diesen Wafern ist mit der herkömmlichen Prozessierung nur schwer zu realisieren. Ferner ist die Realisierung der Bond-Schicht vor der mikro mechanischen Tiefenätzung mit großen prozeßtechnischen Schwierigkeiten verbunden. Einen photolitographischen Struk turierungsprozeß nach der Tiefenätzung verhindert die Nicht planarität der Wafer.

Aus den genannten Gründen lassen sich die oben genannten Verfahren daher nur sehr eingeschränkt für den beschriebenen Anwendungsfall von mikromechanisch strukturierten Wafern einsetzen, da entweder keine Beschichtung oder keine Struk turierung der Zwischenschichten möglich ist.

Aus der gattungsbildenden US 4678529 ist bereits ein Verfahren zum Zusammenfü gen von Bestandteilen eines Tintenstrahldruckkopfes bekannt, bei dem selektiv Klebstoff auf einen Kanalplattenwafer in der Weise aufgebracht wird, daß dieser bei Zusammenfügen mit einem zweiten Wafer an den zusammenpassenden Flächen voll ständig mit Klebstoff bedeckt ist, während alle in Kontakt mit der Tinte befindlichen Flächen frei von Klebstoff blei ben. Um dies zu erreichen, wird eine dünne Schicht Klebstoff auf ein sekundäres Substrat aufgesprüht, welches dann auf die hervorstehenden Punkte des Kanalplattenwafers aufgelegt wird. Nach Ausübung eines gleichmäßigen Drucks ist gewähr leistet, daß alle nicht-geätzten Flächen des Kanalplattenwa fers mit Klebstoff benetzt sind, woraufhin das sekundäre Substrat abgeschält wird. Der so mit einem Klebstoff-Film selektiv versehene Kanalplattenwafer wird mit dem Gegenwafer zusammengefügt. Die Hauptoberfläche des dort verwendeten Zwischenträgers ist nicht näher beschrieben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, das beschriebene Verfah ren so weiterzubilden, daß eine erhöhte Zuverlässigkeit in der selektiven Anordnung der Klebeschicht erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Verbin den eines ersten Wafers, auf dessen einer Hauptoberfläche eine Mehrzahl vorstehender Strukturen angeordnet ist, an von dem Wafer beabstandeten Oberflächen der vorstehenden Struk turen mit einem zweiten Wafer, das folgende Schritte auf weist:
Bereitstellen eines Zwischenträgers, wobei auf eine Haupt oberfläche desselben eine Klebeschicht aufgebracht wird;
Drücken des ersten Wafers auf die mit der Klebeschicht ver sehene Hauptoberfläche des Zwischenträgers, wobei die vor stehenden Strukturen dem Zwischenträger zugewandt sind;
Entfernen des ersten Wafers von dem Zwischenträger, wobei ein Teil der Klebeschicht an den von dem Wafer beabstandeten Oberflächen haften bleibt;
Aufbringen des ersten Wafers auf den zweiten Wafer, wobei der erste und der zweite Wafer an den mit einem Teil der Klebeschicht versehenen Oberflächen der vorstehenden Struk turen verbunden werden.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Zwischenträger vor dem Aufbringen der Klebeschicht einer Formgebung unterzogen, so daß beim nachfolgenden Aufdrücken des ersten Wafers verhindert ist, daß die Klebeschicht außerhalb der Oberflächen der vorstehenden Strukturen mit der Oberfläche des Wafers in Berührung kommt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Zwischenträger vor dem Aufbringen der Klebeschicht einer Formgebung unterzogen, so daß unterschiedliche Beabstandun gen der Oberflächen auf den vorstehenden Strukturen von der Waferoberfläche durch die Formgebung ausgeglichen werden.

Weist der zweite Wafer auf einer Hauptoberfläche desselben ebenfalls vorstehende Strukturen auf, die mit den vorstehen den Strukturen des ersten Wafers verbunden werden sollen, werden die beiden Wafer ausgerichtet, bevor der erste Wafer auf den zweiten Wafer aufgebracht wird. Die Klebeschicht, die auf den Zwischenträger aufgebracht wird, ist vorzugswei se flüssig oder pastös. Vorzugsweise wird ferner ein thermo plastischer Klebstoff verwendet.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verbindungsver fahren, bei dem die strukturierte Verbindungsschicht ein fach, ohne Litographieschritte, und kostengünstig herge stellt werden kann. Ferner lassen sich sehr dünne Verbin dungsschichten realisieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Verbindung in unterschiedlichen Temperatur bereichen, abhängig von der Klebstoffwahl, hergestellt wer den kann. Die Verbindungsbildung kann über einen größeren Bereich verbessert werden, wenn eine Flüssigphase verwendet wird. Damit ist eine bessere Ausbeute zu erreichen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegende, den Stand der Technik zeigende Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt die Verfahrensschritte eines Verfahrens ge mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Figur ist bei 10 ein Wafer dargestellt, der auf einer Hauptoberfläche desselben mit mikromechanischen Strukturen 12 versehen ist. Diese mikromechanischen Strukturen weisen von der Hauptoberfläche des Wafers 10 beabstandete Oberflä chen 14 auf. Bei S1 ist ferner ein Zwischenträger 15 darge stellt, auf den dünn eine geeignete Klebeschicht 17, vor zugsweise in einer flüssigen bis pastösen Form, aufgebracht ist.

Der Zwischenträger wird vor dem Aufbringen der Klebeschicht einer Formgebung unterzogen, so daß gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beim nachfolgenden Aufdrücken des er sten Wafers verhindert ist, daß die Klebeschicht außerhalb der Oberflächen der vorstehenden Strukturen mit der Oberflä che des Wafers in Berührung kommt, und gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Beabstan dungen der Oberflächen der vorstehenden Strukturen von der Waferoberfläche durch die Formgebung ausgeglichen werden.

Beim nächsten Schritt gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der erste Wafer, der mit einem zweiten Wafer verbunden werden soll, in die auf den Zwischenträger 15 auf gebrachte Klebeschicht 17 gedrückt. Nachfolgend wird in ei nem Schritt S3 der erste Wafer 10 von dem Zwischenträger 15 getrennt. Dabei bleibt ein Teil, siehe beispielsweise 17a, der Klebeschicht 17 an den von der Hauptoberfläche des Wa fers 10 beabstandeten Oberflächen 14 der mikromechanischen Strukturen 12 haften.

Nachfolgend wird bei den bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Schritt S4 der erste Wafer 10 mit einem zweiten Wafer 20, der ebenfalls mikromechanische Strukturen 22, die vom Wafer beabstandete Oberflächen 24 besitzen, aufweist, ausge richtet. Dabei werden die mit einem Teil der Klebeschicht 17 versehenen Oberflächen 14 der mikromechanischen Strukturen 12 des ersten Wafers 10 mit den Oberflächen 24 der mikrome chanischen Strukturen 22 des zweiten Wafers 20 ausgerichtet. Nachfolgend wird in einem Schritt S5 der erste Wafer 10 auf den zweiten Wafer 20 aufgebracht, wodurch die Wafer an den Oberflächen 14, 24 der mikromechanischen Strukturen der bei den Wafer verbunden werden.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet so mit unter Zuhilfenahme eines Zwischenträgers der dünn, bei spielsweise im µm-Bereich, mit einer Klebeschicht beschich tet ist. In diese Klebeschicht des Zwischenträgers wird der zu bondende Wafer gedrückt, wodurch die späteren Bondflächen einen Teil des Klebers aufnehmen. Voraussetzung für die Funktion des Verfahrens ist, daß nur die späteren Bondflä chen in Kontakt mit der Klebeschicht des Zwischenträgers kommen. Dies läßt sich durch die Maßgabe erfüllen, daß die Schichtdicke des Klebstoffs gegenüber der Beabstandung zwi schen den Bondflächen, das heißt den Oberflächen der mikro mechanischen Strukturen, und nicht zu beschichtenden Teilen deutlich niedriger gewählt wird. Diese Bedingung wird durch eine entsprechende Formgebung des Zwischenträgers erreicht. Die Beschichtung der Bondflächen folgt bei diesem Verfahren rein additiv, das heißt, daß keine weiteren Prozeßschritte erforderlich sind. Im Gegensatz zu anderen rein additiven Techniken, beispiels weise dem Siebdruck, sind bei diesem Verfahren auch sehr dünne Schichten, unter ein µm dick, herstellbar.

Nachdem die Bondflächen mit Klebstoff versehen sind, wird der erste Wafer mit dem zweiten Wafer in Kontakt gebracht und verklebt. Weist der zweite Wafer ebenfalls mikromecha nische Strukturen auf, muß der erste Wafer vor diesem Schritt mit dem zweiten Wafer ausgerichtet werden. Bei der Herstellung einer Verbindung gemäß der vorliegenden Erfin dung ist die Verwendung eines viskosen Klebstoffes bei der großflächigen Verbindung von Substraten von großem Vorteil. Gegenüber Verfahren, die mit festen Schichten arbeiten, wird dabei der Bondvorgang durch Kapillarkräfte der Flüssigkeit unterstützt. Prinzipiell sind für das erfindungsgemäße Ver fahren Kleber geeignet, die mit den erforderlichen Schicht dicken aufgeschleudert werden können und während der Aushär tung nicht ausgasen. Von besonderem Vorteil sind dabei ther moplastische Klebstoffe, die bei erhöhter Temperatur rever sibel in eine Flüssigphase übergehen.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Wafers (10), auf dessen einer Hauptoberfläche eine Mehrzahl vorstehender Strukturen (12) angeordnet ist, an von dem Wafer (10) be abstandeten Oberflächen (14) der vorstehenden Strukturen (12) mit einem zweiten Wafer (20), mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (S1) eines Zwischenträgers (15), wobei auf einer Hauptoberfläche desselben eine Klebeschicht (17) aufgebracht wird;
Drücken (S2) des ersten Wafers (10) auf die mit der Kle beschicht (17) versehene Hauptoberfläche des Zwischenträ gers (15), wobei die vorstehenden Strukturen (12) dem Zwischenträger (15) zugewandt sind;
Entfernen (S3) des ersten Wafers (10) von dem Zwischen träger (15), wobei ein Teil (17a) der Klebeschicht (17) an den von dem Wafer (10) beabstandeten Oberflächen (14) haften bleibt;
Aufbringen (S4) des ersten Wafers (10) auf den zweiten Wafer (20), wobei der erste und der zweite Wafer (10, 20) an den mit einem Teil (17a) der Klebeschicht versehenen Oberfläche (14) der vorstehenden Strukturen (12) verbun den werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptoberfläche des Zwischenträgers (15) vor dem Aufbringen der Klebeschicht (17) einer Formgebung unter zogen wird, derart, daß beim nachfolgenden Aufdrücken des ersten Wafers (10) verhindert ist, daß die Klebeschicht (17) außerhalb der Oberflächen der vorstehenden Strukturen (12) mit der Oberfläche des Wafers (10) in Be rührung kommt.

2. Verfahren zum Verbinden eines ersten Wafers (10), auf dessen einer Hauptoberfläche eine Mehrzahl vorstehender Strukturen (12) angeordnet ist, an von dem Wafer (10) be abstandeten Oberflächen (14) der vorstehenden Strukturen (12) mit einem zweiten Wafer (20), mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (S1) eines Zwischenträgers (15), wobei auf einer Hauptoberfläche desselben eine Klebeschicht (17) aufgebracht wird;
Drücken (S2) des ersten Wafers (10) auf die mit der Kle beschicht (17) versehene Hauptoberfläche des Zwischenträ gers (15), wobei die vorstehenden Strukturen (12) dem Zwischenträger (15) zugewandt sind;
Entfernen (S3) des ersten Wafers (10) von dem Zwischen träger (15), wobei ein Teil (17a) der Klebeschicht (17) an den von dem Wafer (10) beabstandeten Oberflächen (14) haften bleibt;
Aufbringen (S4) des ersten Wafers (10) auf den zweiten Wafer (20), wobei der erste und der zweite Wafer (10, 20) an den mit einem Teil (17a) der Klebeschicht versehenen Oberfläche (14) der vorstehenden Strukturen (12) verbun den werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptoberfläche des Zwischenträgers (15) vor dem Aufbringen der Klebeschicht (17) einer Formgebung unter zogen wird, derart, daß unterschiedliche Beabstandungen der Oberflächen (14) der vorstehenden Strukturen (12) von der Waferoberfläche durch die Formgebung ausgeglichen werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der zweite Wafer (20) auf einer Hauptoberfläche des selben ebenfalls vorstehende Strukturen (22) mit von dem zweiten Wafer (20) beabstandeten Oberflächen (24) auf weist, wobei der erste und der zweite Wafer vor dem Ver binden derselben zueinander ausgerichtet werden, derart, daß beim Schritt des Aufbringens des ersten Wafers (10) auf den zweiten Wafer (20) die Oberflächen (14, 24) der mikromechanischen Strukturen der beiden Wafer (10, 20) verbunden werden.

4. Verfahren gemäß gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Klebeschicht (17), die auf den Zwischenträger (15) aufgebracht wird, flüssig ist.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeschicht (17), die auf den Zwischenträger (15) aufgebracht wird, pastös ist.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Klebeschicht (17), die auf den Zwischenträger (15) aufgebracht wird, aus einem thermoplastischen Kleb stoff besteht.