DE4108304C2 - Vorrichtung zum anodischen Bonden von Silizium-Wafern mit Tragekörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von Silizium-Wafern mit Tragekörpern. In der Mikrome­ chanik müssen häufig Silizium-Wafer mit Tragekörpern verbunden werden. Beispielsweise werden Teile von mi­ kromechanischen Vorrichtungen in der Oberfläche eines Silizium-Wafers integriert, während andere Teile auf der Oberfläche eines Tragekörpers ausgebildet werden. Um die Teile zu einer gemeinsamen Funktion zusammenzu­ fügen, müssen der Silizium-Wafer und der Tragekörper fest miteinander verbunden werden.

Ein weiterer typischer Anwendungsfall solcher Verbin­ dungen sind Röntgenmasken, die in ihrem Aufbau aus ultradünnen Membranen mit einem Stützrand und einem, die mechanische Stabilität erhöhenden, Tragekörper, beispielsweise ein Glasstützrahmen, bestehen. Dabei sind die Membran und der Stützrand einstückig aus einem Silizium-Wafer gefertigt und müssen mit dem Tra­ gekörper verbunden werden.

Sehr häufig werden zur Verbindung von Silizium-Wafern mit Tragekörpern Klebeverfahren eingesetzt. Dabei muß jedoch ein hoher Klebedruck bis zur Aushärtung, oft über 24 Stunden hinweg, aufrechterhalten werden. Zwar kann die Aushärtung durch Erhöhung der Klebetemperatur verkürzt werden, um den Durchsatz pro Klebeapparatur zu erhöhen, dabei verursachen jedoch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbinden­ den Teile Verschlechterungen in der erreichbaren Eben­ heit.

Ein weiterer Nachteil der Klebetechnik besteht in der Hinzugabe des zur Verbindung notwendigen Hilfsstoffes. Teile des Hilfsstoffes können bei der Verarbeitung oder der nachträglichen Bearbeitung beispielsweise auf die Membranfläche, oder die beweglichen Teile einer mikro­ mechanischen Vorrichtung gelangen und dort Defekte verursachen.

Die beschriebenen Nachteile der Klebetechnik können durch Zuhilfenahme des anodischen Bonding-Effektes zur Verbindung von Teilen vermieden werden. Das Prinzip dieser Verbindungstechnik ist beispielsweise in dem Fachbuch A. Heuberger, Mikromechanik, Springer-Verlag 1989, Seite 230, angegeben. Sie wird jedoch bisher nur im Labormaßstab zur Verbindung kleiner Kontaktflächen angewendet. Um diese Technik vorteilhaft in einer Pro­ zeßstraße zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente und insbesondere für großflächige Verbindungen einset­ zen zu können, fehlt noch eine Vorrichtung zur repro­ duzierbaren und automatischen Durchführung des Verfah­ rens.

Ein Verfahren zum anodischen Bonden von Metallen und auch von Silizium mit Isolatoren, insbesondere Gläsern, wird in dem Artikel von G. Wallis in J. Appl. Physics, Bd. 40, No. 10, (1969), S. 3946-3949, beschrieben. Vorwiegend implizit sind auch Merkmale einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Diese Druckschrift wird als nächstliegender Stand der Technik angesehen, sie ist also gattungsbildend.

Ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie für eine serienmäßige Herstellung von Verbindungen zwischen Silizium-Wafern und Tragekörpern geeignet ist und die zu reproduzierbaren, lang­ zeitstabilen und sowohl chemisch als auch physikalisch belastbaren Verbindungen führt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Ausbildung der Elektroden als Dose, deren Boden eine Vertiefung zur Aufnahme der zu verbindenden Teile aufweist, ist gewährleistet, daß die Teile nach dem Einlegen nicht mehr verrutschen können. Der verti­ kal bewegbar angeordnete Dosendeckel ermöglicht ein paßgerechtes Aufsetzen der zweiten Elektrode, ohne Scherkräfte auf die zu verbindenden Teile auszuüben.

Mit Hilfe der Heizplatte, die vorzugsweise regelbar ist und eine hohe laterale Temperaturkonstanz aufweist, kann die Dose mit den zu verbindenden Teilen sehr gleichmäßig auf die Prozeßtemperatur erwärmt werden. Die Abdeckhaube schützt die Apparatur vor Eindringen von Staub, schirmt die Hochspannung ab und dient zur Verbesserung der Temperaturstabilität im Inneren der Vorrichtung.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß oberhalb des Dosendeckels eine entlang des Führungsstabes bewegbare Scheibe angebracht ist, die an ihrer dem Dosendeckel zuge­ wandten Oberfläche wenigstens zwei Stifte aufweist. Diese Stifte ragen durch korrespondierende, durchgehen­ de Bohrungen im Dosendeckel und liegen auf dem Trage­ körper auf, da ihre Länge die Höhe des Bodendeckels überragt. Sie übertragen eine Kraft auf den Tragekör­ per, die dem Gewicht der Scheibe entspricht. Beim Anhe­ ben des Dosendeckels verhindert diese Kraft ein durch Adhäsion bedingtes Anhaften des Tragekörpers an dem Dosendeckel.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die feste Verbindung zwischen der Halterung zur Führung des Dosendeckels und der Abdeckhaube nach Anspruch 2 garantiert bei exakter Führung der Haube ein genaues Aufsetzen des Dosendeckels auf die zu verbindenden Teile. Die exakte Führung der Haube wird nach Anspruch 3 mit Hilfe einer Pneumatikvorrichtung zur vertikalen und horizontalen Bewegung der Abdeckhaube erreicht.

Um einen guten mechanischen Kontakt zwischen den Elek­ troden und den zu verbindenden Teilen sowie eine prä­ zise Auflage zu erreichen, sind nach Anspruch 4 alle Auflageflächen poliert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung sind nach Anspruch 5 im Dosenboden zwei konzentrische, zylindrische Vertiefungen mit ge­ ringfügig unterschiedlichen Radien angebracht. Die untere Vertiefung dient zur Aufnahme des Silizium- Wafers und ist in ihren Ausmaßen diesem angepaßt. Die Vertiefung mit dem größeren Radius nimmt den Tragekör­ per auf.

Nach Anspruch 6 weist der Dosenboden in seinem zentra­ len Bereich eine weitere konzentrische, zylinderförmige Vertiefung auf. Diese Vertiefung dient dazu, daß ein auf der dem Dosenboden zugewandten Oberfläche des Wa­ fers integriertes mikromechanisches Element, oder eine ultradünne Membran weder mechanisch belastet noch eventuellen Partikelkontaminationen ausgesetzt wird.

Nach Anspruch 7 sind in einer Vorrichtung mehrere Dosen nebeneinander angeordnet. Sie werden von einer gemein­ samen Heizplatte aufgeheizt. Da alle Halterungen zur Führung der Dosendeckel mit der gemeinsamen Abdeckhaube verbunden sind, werden die Deckel gemeinsam bewegt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können gleichzeitig mehrere Verbindungen zwischen Silizium-Wafern und Tragekörpern hergestellt werden.

Die Elektroden bestehen gemäß Anspruch 8 vorzugsweise aus Edelstahl.

Es ist möglich, daß die Bewegung der Abdeckhaube und damit das Auflegen der Elektroden, die Temperaturein­ stellung, das Ein- und Ausschalten der Hochspannung und die zeitliche Überwachung des Verbindungsverfahrens mit Hilfe einer Computer-Steuerung durchgeführt. Dadurch ist es möglich, den Prozeß unter reproduzierbaren Be­ dingungen in einer Fertigungsstraße einzusetzen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Zeit zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Silizium-Wafer und einem Tragekörper wesentlich verringert wird. Hierzu trägt zum einen die Verwendung des anodischen Bonding-Effek­ tes bei, zum anderen deren Einsatz in einer Vorrich­ tung, die für die serienmäßige Herstellung von Verbin­ dungen unter reproduzierbaren Bedingungen geeignet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht groß­ flächige Verbindungen, die porenfrei und chemisch und physikalisch äußerst widerstandsfähig sind. Die Vor­ richtung kann vorteilhaft auch dann eingesetzt werden, wenn es auf einen besonders hohen Reinheitsgrad an­ kommt. Sie erfüllt die Anforderungen zur Integration in Reinräume der Klasse 10 oder besser. Nachfolgende Pro­ zesse werden nicht durch verbleibende Reste beeinflußt. Bei der Herstellung von Röntgenmasken liefert die Vor­ richtung Membranen mit einer besonders hohen Ebenheit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Dose,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 3 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Dose hat einen zylinder­ förmigen Dosenboden 1, der als erste Elektrode dient. Der Dosenboden 1 weist eine zylinderförmige Vertiefung 2 auf, die zur Aufnahme des Tragekörpers, beispielswei­ se eines Glasträgers dient. Darunter ist eine weitere Vertiefung 3 mit einem geringeren Radius ausgespart. Sie dient zur Aufnahme des Silizium-Wafers, der mit dem Glasträger verbunden werden soll. Die Vertiefung 3 ist so bemessen, daß der Silizium-Wafer, der üblicherweise eine Dicke von 0,5 mm aufweist, vertikal leicht über die Vertiefung 3 hinausragt, damit ein inniger Kontakt mit dem Tragekörper gewährleistet ist. Im zentralen Bereich weist der Dosenboden 1 eine Vertiefung 4 auf, die zum Schutz mechanischer Strukturen auf der Oberflä­ che des Silizium-Wafers oder der Membran dient.

Der über dem Dosenboden 1 dargestellte Dosendeckel 5 dient als zweite Elektrode. Der Dosendeckel 5 ist mit­ tels einer zentralen Führungsstange 6 in einer Halte­ rung 7 derart gelagert, daß er vertikal bewegt werden kann. Das Lager 8 ist aus isolierendem Material gefer­ tigt. Eine Scheibe 9 verhindert, daß der Führungsstab 6 beim Anheben des Dosendeckels mittels der Halterung aus dem Lager 8 gleitet. Bei abgesenkter Halterung 7 ruht das Gewicht des Dosendeckels 5, des Führungsstabes 6 und der Scheibe 9 auf den zu verbindenden Teilen. Der Dosendeckel 5, der Führungsstab 6 und die Scheibe 9 sind aus Edelstahl gefertigt. Ihr gemeinsames Gewicht von ca. 0,5 kg wirkt als ausreichende Andruckskraft, um den notwendigen engen Kontakt zwischen den zu verbin­ denden Oberflächen herzustellen. Die dem Silizium-Wafer und dem Tragekörper zugewandten Oberflächen 10, 11 der Dose sind poliert.

Über dem Dosendeckel 5 ist ein entlang dem Führungsstab 6 bewegbarer Ring 12 angebracht, welcher an der dem Dosendeckel 5 zugewandten Oberfläche 2 Abstreifstifte 13 aufweist. Diese Abstreifstifte 13 werden durch Boh­ rungen 14 im Dosendeckel 5 geführt.

Bei abgesenktem Dosendeckel 5 übertragen die Abstreif­ stifte 13 das Gewicht des Ringes 12 auf den Tragekör­ per. Beim Aufheben des Dosendeckels 5 drücken die Ab­ streifstifte 13 den Tragekörper vom Dosendeckel 5 weg und verhindern damit ein durch Adhäsion bedingtes An­ haften des Tragekörpers an der polierten Oberfläche des Dosendeckels 5.

In Fig. 2 ist die Dose mit abgesenktem Dosendeckel in der Vorrichtung dargestellt. In den Aussparungen des Dosenbodens 1 liegen ein Silizium-Wafer 15 und ein mit diesem zu verbindender Glasträger 16. Der Dosenboden 1 ist auf der Heizplatte 17 fixiert. Im unteren Teil 18 der Vorrichtung ist ein Heizplattensteuerteil ange­ bracht. Zwischen dem Dosendeckel 5 und dem Dosenboden 1 liegt die Hochspannung 19 an.

Mit der Halterung 7 ist die Abdeckhaube 20 fest verbun­ den. Mit Hilfe der Pneumatikvorrichtung 21 kann die Abdeckhaube 20 in vertikaler Richtung, mit Hilfe der Hydraulikvorrichtung 22 in horizontaler Richtung bewegt werden.

In der Frontansicht der Vorrichtung in Fig. 3 sind vier Dosen nebeneinander angeordnet. Die Halterungen 7 sind als eine gemeinsame Halterung 7 ausgebildet, die mit der Abdeckhaube 20, hier gestrichelt dargestellt, fest verbunden ist. Zur vertikalen Bewegung dient die Pneu­ matikvorrichtung 21. Die Elektroden 1 und 5 der vier Dosen sind auf der gemeinsamen Heizplatte 17 fixiert.

Nach dem Einlegen des Silizium-Wafers 15 und dem damit zu verbindenden Glasträger 16 in den Dosenboden werden mit Hilfe der Heizplatte 17 die Elektroden 1 und 5, der Glasträger und der Silizium-Wafer 15 auf die systemspe­ zifische, optimale Temperatur geheizt. Wenn die ge­ wünschte Temperatur erreicht ist, werden 1000 V Hoch­ spannung zwischen den Elektroden 1 und 5 angelegt, wobei sich anfänglich ein Strom von etwa 0,6 mA ein­ stellt, der langsam abnimmt. Die angelegte Spannung und die Temperatur werden etwa 90 Minuten konstant gehal­ ten. Dann wird die Heizplatte 17 abgeschaltet und die erhitzten Teile kühlen bei weiterhin anliegender Span­ nung auf Raumtemperatur ab. Anschließend wird die Span­ nung abgeschaltet.

Durch Anheben der Abdeckhaube 20 und der damit verbun­ denden Halterung 7 greift diese unter die Scheibe 9 an der Führungsstange 6 und hebt den Dosendeckel 5 auf. Die Abstreifstifte 13 lösen den Glasträger 16 vom Do­ sendeckel 5; die verbundenden Teile sind entnehmbar.

Um eine möglichst ebene Verbindung zu erhalten, werden die Prozeßparameter Zeit, Spannung und Temperatur opti­ miert. Zur Verbindung einer ultradünnen Membran mit Stützrand, der eine Dicke von 0,5 mm aufweist, mit einem 5 mm dicken Glasträger, beträgt die optimale Temperatur bei den oben beschriebenen Bedingungen 260°C. Für andere Systeme werden Temperaturen bis zu 400°C sowie eine Hochspannung bis zu 1500 V angelegt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum anodischen Bonden von Silizium-Wafern mit Tragekörpern mit flächenhaften Elektroden, einer Heizvorrichtung und einer elektrisch mit den Elektroden verbundenen Hochspannungsquelle, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) wenigstens ein Elektrodenpaar ist als Dose ausgebildet, wobei eine erste zylinderförmige Elektrode, die zur Aufnahme des Silizium-Wafers und des Tragekörpers (16) eine zylinderförmige Vertiefung (2) aufweist, den Dosenboden bildet, und eine dieser Elektrode gegenüberstehend angeordnete, zweite zylinderförmige Elektrode, die wenigstens zwei durchgängige Bohrungen (14) aufweist, den Dosendeckel (5) bildet und mittels eines in einer Halterung (7) geführten, zentralen Führungsstabes (6) senkrecht zur Oberfläche der ersten Elektrode verschiebbar gelagert ist,
• b) die Heizvorrichtung ist als Heizplatte (17) ausgebildet, auf der der Dosenboden befestigt ist,
• c) eine Abdeckhaube (20) deckt die gesamte Dose und die Heizplatte (17) ab und ist vertikal und horizontal bewegbar,
• d) oberhalb des Dosendeckels (5) ist ein entlang des Führungsstabes (6) beweglicher Ring (12) angebracht, der an der dem Dosendeckel (5) zugewandten Oberfläche wenigstens zwei Abstreifstifte (13) aufweist, die in die Bohrungen (14) des Dosendeckels (5) eingreifen und eine Länge aufweisen, die die Höhe des Dosendeckels (5) übersteigt, so daß beim Anheben des Dosendeckels (5) die Abstreifstifte (13) aufgrund der Schwerkraft des beweglichen Ringes (12) eine mechanisch schonende Trennung des Tragekörpers (16) und des Dosendeckels (5) erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (20) fest mit der Halterung (7) zur Führung des Dosendeckels (5) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pneumatikvorrichtung (21, 22) zur vertikalen und horizontalen Bewegung der Abdeckhaube (20) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageflächen (10, 11) der Dose poliert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosenboden (1) eine zweite, konzentrisch zur ersten angeordnete, zylinder­ förmige Vertiefung (3) mit kleinerem Radius aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosenboden (1) in einem zentralen Bereich zum Schutz der auf dem Silizium-Wafer aufgebrachten Schaltung eine weitere, konzentrische, zylinderförmige Vertiefung (4) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dosen derart neben­ einander angeordnet sind, daß die Dosenböden (1) auf einer gemeinsamen Heizplatte (17) befestigt sind und die Halterungen (7) zur Führung der Dosendeckel mitein­ ander und mit einer gemeinsamen Abdeckhaube (20) ver­ bunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 5) aus Edelstahl oder inerten Materialien bestehen.