DE4136075A1 - Verfahren zum verbinden eines scheibenfoermigen isolierkoerpers mit einem scheibenfoermigen, leitfaehigen koerper - Google Patents

Verfahren zum verbinden eines scheibenfoermigen isolierkoerpers mit einem scheibenfoermigen, leitfaehigen koerper

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Description

Verfahren zum Verbinden eines scheibenförmigen Isolierkörpers mit einem scheibenförmigen, leitfähigen Körper Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines scheibenförmigen Isolierkörpers mit einem scheiben­ förmigen, leitfähigen Körper durch anodisches Bonden, bei dem der Isolierkörper und der leitfähige Körper mit ihren zu verbindenden Flächen unter Bildung einer sandwichartigen Anordnung aneinander gelegt werden, die aneinander gelegten Körper mittels einer Heizplatte erwärmt werden, die außen an eine Seite der sandwichartigen Anordnung gedrückt wird, und an die zu verbindenden Körper eine elektrische Spannung angelegt wird. Bei dem leitfähigen Körper handelt es sich beispielsweise um einen Metallkörper oder um einen Halbleiterkörper beispielsweise in Form eines Silizium- oder Germanium-Wafers. Auch aus Verbindungshalbleitern, wie Gallium-Arsenid, Indiumphosphid oder auch Silizium-Germanium hergestellte Wafer kommen in Frage.
Ein Verfahren dieser Art ist in der US-A-33 97 278 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird als Heizplatte eine Heiz­ leiste verwendet, die widerstandsbeheizt ist. Die Erwärmung der aneinander gelegten Körper erfolgt dabei bis zu einer Temperatur, bei der der Isolierkörper schwach leitend wird. In diesem Zustand erfolgt aufgrund einer angelegten elektrischen Spannung ein Stromfluß durch die aneinander gelegten Körper, wodurch die Körper fest miteinander verbunden werden (anodisches Bonden).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren so weiter zu entwickeln, daß mit ihm ein scheiben­ förmiger Isolierkörper und ein scheibenförmiger, leitfähiger Körper besonders verzugsarm miteinander verbunden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß zur Erwärmung der sandwich­ artigen Anordnung eine weitere Heizplatte mit elektrisch leitender Oberfläche benutzt, die außen an die andere Seite der sandwichartigen Anordnung gedrückt wird.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, daß bei seiner Anwendung in der sandwichartigen Anordnung mit den aneinander gelegten Körpern durch die an ihre beiden Außenseiten gedrückten Heizplatten ein sehr kleiner axialer und radialer Temperaturgradient auftritt, wodurch ein verzugsarmer Verbundkörper aus dem Isolierkörper und dem leitfähigen Körper entsteht. Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung dabei insbesondere bei relativ großflächigen sandwichartigen Anordnungen.
Unter "Isolierkörper" wird dabei nicht nur eine durchgängig aus Isolierstoff bestehende Scheibe, z. B. aus Glas, verstanden, sondern auch ein Mehrschichten-Körper, der aus einer Glas­ schicht an der Bondfläche mit darüber befindlicher Halbleiter­ schicht, aus einer Glasschicht an der Bondfläche mit darüber befindlicher Metallschicht und Halbleiterscheibe, aus einer Glasschicht an der Bondfläche mit darüber angeordneten Metall- und Glasschichten sowie einer Halbleiterscheibe oder aus einer Glasschicht an der Bondfläche mit darüber befindlicher Metall­ scheibe und Glasscheibe besteht.
Unter "leitfähiger Körper" wird nicht nur eine durchgängig aus Metall oder Halbleitermaterial bestehende Scheibe verstanden, sondern ebenfalls ein Mehrschichten-Körper, der aus einer Metallschicht an der Bondfläche und darüber befindlicher Halb­ leiterscheibe oder aus einer Metallschicht mit darüber ange­ ordneter Glasschicht ggf. in wiederholter Folge und Halbleiterscheibe besteht. Auch kann der Mehrschichten-Körper aus einer Metallschicht an der Bondfläche mit darüber befind­ licher Glasscheibe bestehen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Heizplatten Edelstahlheizplatten verwendet werden. Der­ artige Heizplatten lassen sich nämlich mit sehr ebenen Flächen herstellen und sind frei von plastischer Verformung beim Bonden. Außerdem gewährleisten Edelstahlheizplatten einen guten Wärmeübergang; sie sind außerdem mechanisch ausreichend hart. Darüber hinaus führen die Edelstahlheizplatten zu einer gleichmäßigen Stromverteilung an der Bond-Fläche.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn mit basisch beständigen Metallen beschichtete Edelstahlheizplatten verwendet werden. Durch eine derartige Beschichtung wird die chemische Beständig­ keit der Heizplatten an ihrer Kontaktfläche zu den Körpern beim Bonden wesentlich erhöht.
Das Vorsehen einer weiteren Heizplatte zur Erwärmung der sand­ wichartigen Anordnung schafft die vorteilhafte Möglichkeit, mehr als nur einen scheibenförmigen Isolierkörper mit einem scheibenförmigen, leitfähigen Körper durch anodisches Bonden miteinander zu verbinden, indem gemäß einer weiteren Ausge­ staltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die sandwichartige Anordnung mit einem weiteren scheibenförmigen Isolierkörper derart gebildet wird, daß der leitfähige Körper zwischen den Isolierkörpern liegt, und die an die Heizplatten angelegte elektrische Spannung während des Bondprozesses einmal umgepolt wird.
Eine im Hinblick auf eine gleichmäßige Stromverteilung beim Bonden vorteilhafte Abwandlung der eben beschriebenen Ausge­ staltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die sandwichartige Anordnung mit einem weiteren scheiben­ förmigen Isolierkörper derart gebildet wird, daß der leit­ fähige Körper zwischen den Isolierkörpern liegt, und die elektrische Spannung einerseits an den leitfähigen Körper und andererseits an die beiden Heizplatten angelegt wird.
Bei den beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die drei scheibenförmigen Körper in einem einzigen Bondvorgang fest und verzugsfrei miteinander verbunden. Die Isolierkörper und der leitfähige Körper können auch hier so ausgebildet sein, wie es oben erläutert worden ist, also beispielsweise Mehrschichten-Körper sein. Allerdings muß bei einem Mehrschichten-Körper als leit­ fähiger Körper mit einer Metallschicht und darüber befindlicher Glasscheibe letztere auf beiden Seiten mit einer Metallschicht versehen sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird die sandwichartige Anordnung mit mindestens einem zusätzlichen scheibenförmigen, leitfähigen Körper gebildet, der außen an einen Isolierkörper angedrückt wird, und die angelegte elektrische Spannung wird während des Bondprozesses einmal umgepolt. Soll ein weiterer zusätzlicher scheibenförmiger, leitfähiger Körper in einem einzigen Bond­ prozeß mit den übrigen Körpern verbunden werden, dann wird dieser weitere scheibenförmige, leitfähige Körper außen an den anderen Isolierkörper der sandwichartigen Anordnung ange­ drückt. Mit diesem Verfahren läßt sich dann eine Verbindung eines scheibenförmigen, leitfähigen Körpers mit einer beispielsweise als Folie ausgebildeten Glasscheibe, einem weiteren scheibenförmigen, leitfähigen Körper, einer weiteren als Glasfolie ausgebildeten Scheibe und einem weiteren scheiben­ förmigen, leitfähigen Körper herstellen.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in
Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, in
Fig. 2 eine weitere Einrichtung zum anodischen Bonden von zwei Isolierkörpern und einem leitfähigen Körper, in
Fig. 3 eine zusätzliche Einrichtung zum Bonden von fünf scheibenförmigen Körpern, in
Fig. 4 verschiedene Ausführungen der Isolierkörper und in
Fig. 5 unterschiedliche Ausgestaltungen des leitfähigen Körpers dargestellt.
Wie die Fig. 1 im einzelnen erkennen läßt, ist ein scheiben­ förmiger Isolierkörper 1 an einen leitfähigen Körper 2 so angelegt, daß sich deren Flächen 3 und 4 unter Bildung einer sandwichartigen Anordnung 5 unmittelbar berühren.
Außen an dem scheibenförmigen, leitfähigen Körper 2 und damit an eine Fläche 6 der sandwichartigen Anordnung 5 angedrückt befindet sich eine Heizplatte 7, die als Edelstahlheizplatte mit einer basisch beständigen Metallbeschichtung 8 als elektrisch leitender Oberfläche ausgeführt ist. Diese Edel­ stahlheizplatte 7 ist über Leitungen 9 und 10 mit einer nicht dargestellten Stromversorgungsquelle verbunden und wird somit elektrisch beheizt.
Eine zweite Edelstahlheizplatte 11 mit einer basisch beständi­ gen Metallschicht 12 als elektrisch leitender Oberfläche liegt außen an dem scheibenförmigen Isolierkörper 1 an, ist also gegen die andere Seite 13 der sandwichartigen Anordnung 5 gedrückt. Auch die weitere Heizplatte 11 ist über elektri­ sche Anschlußleitungen 14 und 15 mit der nicht dargestellten Stromversorgungsquelle verbunden und wird somit ebenfalls elektrisch beheizt.
Eine elektrische Spannung ist über weitere elektrische Ver­ bindungsleitungen 16 und 17 an die sandwichartige Anordnung 5 angelegt, indem diese elektrischen Verbindungsleitungen 16 und 17 mit unterschiedlichen Polen 18 und 19 einer weiteren Stromversorgungsquelle 20 verbunden sind.
Das Verbinden der beiden Körper 1 und 2 durch anodisches Bonden erfolgt - wie an sich bekannt - in vorteilhafter Weise zum Beispiel in einer Wasserstoffatmosphäre, wodurch eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit gewährleistet ist. Dadurch ist die Qualität der Verbindung auch dann gewährleistet, wenn die zu verbindenden Körper an ihrer Verbindungsfläche kleine Hohl­ räume aufweisen. Die Wasserstoffatmosphäre wird in ebenfalls bekannter Weise in einem Ofen geschaffen, in den die zu ver­ bindenden Teile eingebracht werden. Anstelle von Wasserstoff kann auch ein anderes Formiergas benutzt werden.
Bei der Einrichtung nach Fig. 2 ist eine sandwichartige Anordnung 30 gebildet aus einem scheibenförmigen leitfähigen Körper 31, einem scheibenförmigen Isolierkörper 32 und einem weiteren scheibenförmigen Isolierkörper 33, die zwischen Heizplatten 34 und 35 in einer Ausführung angeordnet sind, wie sie im Zusammenhang mit der Erläuterung des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 1 bereits ausführlich beschrieben ist. Über Anschlußleitungen 36 und 37 bzw. 38 und 39 sind die Heiz­ platten 34 und 35 mit einer nicht dargestellten Stromver­ sorgungseinrichtung zum Zwecke ihrer elektrischen Beheizung verbunden.
An die Heizplatten 34 und 35 ist ein Pol 40 einer weiteren Stromversorgungsquelle 41 angeschlossen. Der andere Pol 42 der weiteren Stromversorgungsquelle ist direkt an den scheiben­ förmigen, leitfähigen Körper 31 angeschlossen.
Ist die sandwichartige Anordnung 30 durch die Heizplatten 34 und 35 ausreichend erwärmt, dann ergibt sich aufgrund der an die Heizplatten 34 und 35 einerseits und an den scheiben­ förmigen, leitfähigen Körper 31 andererseits angelegten elektrischen Spannung ein anodisches Bonden des scheiben­ förmigen, leitfähigen Körpers 31 mit den beiden scheibenförmigen Isolierkörpern 32 und 33; dieses Bonden tritt gleichzeitig auf, so daß gewissermaßen in einem einzigen Bondvorgang die Bondverbindungen innerhalb der sandwichartigen Anordnung 30 hergestellt werden.
Die Einrichtung nach Fig. 3 zeigt in weiten Teilen wesent­ liche Übereinstimmung mit der nach Fig. 2, so daß für gleiche Einzelteile hier gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Die wesentliche Abweichung der Einrichtung nach Fig. 3 von der nach Fig. 2 besteht darin, daß hier eine sandwichartige Anordnung 50 nicht nur aus einem inneren scheibenförmigen, leitfähigen Körper 31 und beiderseits dieses leitfähigen Körpers befindlichen scheibenförmigen Isolierkörper 32 und 33 besteht, sondern noch zusätzlich aus jeweils einem weiteren scheibenförmigen, leitfähigen Körper 51 und 52, die die sandwichartige Anordnung 50 nach außen hin abschließen. Außen an der sandwichartigen Anordnung 50 liegen die Heizplatten 34 und 35, die - wie im Zusammenhang mit der Erläuterung der Fig. 2 beschrieben - beschaltet sind; Entsprechendes gilt für den Anschluß des scheibenförmigen, leitfähigen Körpers 31 an die weitere Stromversorgungsquelle 41. Nach Aufheizen der sandwichartigen Anordnung 50 wird beispielsweise die elektri­ sche Spannung mit der gleichen Polarität wie in Fig. 2 gezeigt angelegt. Danach wird innerhalb desselben Bond­ prozesses die elektrische Spannung einmal umgepolt. Beim ersten Vorgang werden die Körper 31 bis 33 durch Bonden miteinander verbunden, während beim zweiten Vorgang (umgepolte Spannung) die Körper 51 und 52 mit dem bereits gebondeten Verbund verbunden werden.
Fig. 4 zeigt verschiedene Ausgestaltungsformen der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Isolierkörper. In den Einzeldarstellungen dieser Figur ist jeweils durch eine Schräg- Schraffur mit abwechselnd durchgezogenen und strichlierten Linien Glas, durch eine Schrägschraffur mit durchweg strich­ lierten Linien Halbleiter-Werkstoff und durch eine Schräg­ schraffur mit durchgehenden Linien Metall gekennzeichnet.
Eine entsprechende Kennzeichnung der unterschiedlichen Materialien für die verschiedenen Ausführungsformen des scheibenförmigen, leitfähigen Körpers ist in Fig. 5 gewählt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden eines scheibenförmigen Isolier­ körpers mit einem scheibenförmigen, leitfähigen Körper durch anodisches Bonden, bei dem
  • a) der Isolierkörper und der leitfähige Körper mit ihren zu verbindenden Flächen unter Bildung einer sandwichartigen Anordnung aneinander gelegt werden,
  • b) die aneinander gelegten Körper mittels einer Heizplatte erwärmt werden, die außen an eine Seite der sandwichartigen Anordnung gedrückt wird, und
  • c) an die zu verbindenden Körper eine elektrische Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) zur Erwärmung der sandwichartigen Anordnung (5) eine weitere Heizplatte (10) benutzt wird, die außen an die andere Seite der sandwichartigen Anordnung (5) gedrückt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • e) als Heizplatten Edelstahlheizplatten (6, 10) verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • f) mit basisch beständigen Metallen beschichtete Edelstahlheiz­ platten (6, 10) verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • g) die sandwichartige Anordnung (30) mit einem weiteren scheibenförmigen Isolierkörper (33) derart gebildet wird, daß der leitfähige Körper (31) zwischen den Isolierkörpern (32, 33) liegt, und
  • h) die an die Heizplatten angelegte elektrische Spannung während des Bondprozesses einmal umgepolt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • i) die sandwichartige Anordnung (30) mit einem weiteren scheibenförmigen Isolierkörper (33) derart gebildet wird, daß der leitfähige Körper (31) zwischen den Isolierkörpern (32, 33) liegt, und
  • j) die elektrische Spannung einerseits an den leitfähigen Körper (31) und andererseits an die beiden Heizplatten (34, 35) angelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
  • k) die sandwichartige Anordnung (50) mit mindestens einem zu­ sätzlichen scheibenförmigen, leitfähigen Körper (51) ge­ bildet wird, der außen an einen Isolierkörper (32) ange­ drückt wird, und
  • l) die angelegte elektrische Spannung während des Bondprozesses einmal umgepolt wird.
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