DE4426288C2 - Elektrode zum anodischen Bonden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode zum anodischen Bonden von Glas auf Silizium oder anderen anodisch bondbaren Werkstoff­ paaren in der Halbleitertechnologie und Mikrosystemtechnik.

Nach dem von Pomerantz u. a. entwickelten Verfahren zum anodischen Bonden (US 3 397 278) werden unter anderem Silizium- und Glasscheiben ganzflächig verbunden. Hierzu werden die möglichst planen Scheiben aufeinander gelegt, erwärmt und unter der Wirkung eines starken elektrischen Feldes aneinander gepreßt und chemisch irreversibel verbunden. Genutzt wird dabei die Tatsache, daß das an sich isolierende Glas durch seine Alkalibestandteile bei erhöhten Temperaturen eine spürbare Ionenleitfähigkeit aufweist.

Für qualitativ hochwertige Verbindungen wird das elektrische Feld über Punktelektroden angelegt (Köhler, J. et. al. "Anodisches Bonden. . .". In Sensor Magazin 2/92, S. 6). Ganzflächige Elektroden beschleunigen den Prozeß zwar wesentlich, liefern aber keine gute Bondqualität. Durch die immer vorhandenen Unebenheiten werden zuerst Stellen mit geringem Luftspalt gebondet. Dabei kann es dazu kommen, daß noch nicht gebondete Flächenteile von gebondeten weitgehend umschlossen sind und dann durch die Randeinspannung nicht mehr gebondet werden.

Die DE-43 25 140 A1 beschreibt eine Elektrode zum anodischen Bonden, die parallel zur Bondebene liegende, strahlenförmig auseinanderlaufende Arme aufweist.

Anthony, T. R.: Dielectric isolation of silicon by anodic bonding, in: J. Appl. Phys., 1985, Vol 58, No. 3, S. 1240-1247, erläutert, daß die Elektrodenform beim anodischen Bonden die Potentialverteilung in den zu bondenden Körpern bestimmt und geht auf eine Punkt- oder Nadelelektrode und auf Plattenelektroden ein. Daneben wird auf die Verfahrensgrößen Bonddauer und maximale Bondspannung eingegangen. Zudem wird das Problem erwähnt, daß beim Zusammenwachsen der Bondfronten sich Gaseinschlüsse bilden können.

Anthony, T. R.: Anodic bonding of imperfect surfaces, in: J. Appl. Phys., 1983, Vol. 54, No. 5, S. 2419-2428, erläutert die radiale Ausbreitung der Bondfront und das damit einhergehende Verhindern von Gaseinschlüssen.

Albaugh, K. B.: Electrode Phenomena during Anodic Bonding of Silicon to Sodium Borosilicate Glass, in: J. Electrochem. Soc., 1991, Vol. 138, No. 10, S. 3089-3094, behandelt mehrere Elektroden-Effekte beim anodischen Bonden.

US 43 84 899 verwendet eine gitterförmige Dünnschichtelektrode, um an die zu bondenden Körper mittels eines Probers und einer Gegenelektrode die Vorspannung anzulegen.

EP 05 94 182 A2 lehrt zum selektiven anodischen Bonden weitere aus dünnen Schichten gebildete, geerdete Elektroden anzubringen, um mit diesen das Potential in bestimmten Bereichen abzuschirmen, um dort das Bonden zu unterdrücken.

In allen Fällen wird kein Hinweis darauf gegeben, die Elektrode mit strahlenförmig auseinanderlaufenden Armen auszubilden, deren Arme sich verzweigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode zum anodischen Bonden anzugeben, mit der gute Bondqualitäten in kurzer Zeit erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektrode parallel zur Bondebene liegende strahlenförmige Arme aufweist, deren Arme sich verzweigen.

Es hat sich gezeigt, daß mit einer so ausgebildeten Elektrode mit mindestens gleichbleibender, bei großen Scheiben verbesserter Qualität wesentlich schneller als mit einer Punktelektrode anodisch gebondet werden kann. Die Bondzeiten verringern sich insbesondere in dem in der Halbleiterelektronik wichtigen Temperaturbereich unter 400°C um mehr als eine Größenordnung.

Versuche haben gezeigt, daß bei einer solchen Elektrode die Bondfront, d. h., die momentane Linie zwischen der bereits gebondeten und der noch ungebondeten Fläche, zwischen je zwei benachbarten Armen von innen nach außen voranschreitet, bis zum Schlug auch die Randfläche gebondet ist (s. Fig. 3). Wie bei einer Punktelektrode wird die Fläche nacheinander gebondet und der Einschluß ungebondeter Fläche weitgehend ausgeschlossen. Im Unterschied zur Punktelektrode geht die Bondfront aber nicht nur von einem Punkt aus, sondern von diesem und allen Armen wachsen gleichzeitig mehrere Bondfronten, deren Anfangslänge gegenüber der des Umfanges einer Punktelektrode zudem beträchtlich größer ist.

Die Elektrode muß nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Es sind z. B. auch kammartige Strukturen einsetzbar, wobei die Zahl der Arme und die Winkel zwischen ihnen in weiten Grenzen wählbar sind. Wichtig ist, daß benachbart liegende Arme oder/und Zweige von innen nach außen auseinanderlaufen. Auch der theoretisch mögliche Fall, daß zwei benachbarte Arme bzw. Zweige, parallel sind, sollte vermieden werden.

Diese Elektroden eignen sich auch sehr gut zum Aufbau eines Stapels, bei dem mehrere dieser Elektroden abwechselnd mit zu bondenden Scheibenpaaren gestapelt werden und die Gesamtspannung an die Außenelektroden des Stapels gelegt wird. Dadurch wird die Arbeitsproduktivität erheblich gesteigert. Es wird nur einmal erwärmt und einmal das elektrische Feld angelegt. Alle Scheibenpaare des Stapels haben eine gleich gute Bondqualität. Die Elektrodenfläche ist gegenüber der einer Punktelektrode so groß, daß die Scheiben im Prinzip ganzflächig abgestützt sind und bei nur geringfügig höherer Aufheizzeit gleichmäßig erwärmt werden. Bei den typischen Bondtemperaturen besteht ein ausreichender elektrischer Kontakt durch den ganzen Stapel hindurch. Dabei ist es auch nicht von Bedeutung, ob die Elektroden gegeneinander verdreht oder deckungsgleich übereinander liegen. Der Stapel kann mechanisch stabil aufgebaut werden.

Die Elektroden können aus Edelstahl gefertigt werden. Korrosion der Elektrodenoberfläche durch die Natriumionen der Gläser kann in einfacher Weise von Zeit zu Zeit abgeschliffen werden. Dadurch sind die Elektroden über einen langen Zeitraum einsetzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Elektroden gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Bondstapel,

Fig. 3 das Ausbreiten der Bondfronten,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Elektrode mit verzweigten Armen.

In Fig. 1 ist eine bekannte Elektrode 1 mit ihren strahlenförmigen Armen 2 gezeigt. Die Elektrode ist plangeschliffen. Ihr äußerer Durchmesser entspricht dem Durchmesser der zu bondenden Teile, z. B. 3 Zoll.

In Fig. 2 sind mehrere planparellel geschliffene Elektroden 1 abwechselnd mit den zu bondenden Scheiben 3 und 4 in einem Stapel angeordnet. Die Gesamtspannung ist an die beiden äußeren Elektroden angelegt. Sie entspricht dem Produkt aus der Anzahl der Bondpaare und der für das einzelne Bondpaar notwendigen Spannungen. Der Heizer 5 ist unter dem Stapel angeordnet. Die Versuche haben eine gleichmäßig gute Bondqualität der einzelnen Bondpaare ergeben. Der Heizer kann bei großen Stapeln oder zur Erzielung einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung im Stapel auch auf beiden Seiten angeordnet werden. Ebenso ist die Unterbringung in einem Ofen denkbar.

In der Fig. 4 hat die Elektrode 1 erfindungsgemäß strahlenförmige Arme 2, die sich zum Rand hin verzweigen. Jeweils benachbarte Zweige 6 schließen dabei einen spitzen Winkel β ein.

Claims (2)

1. Elektrode zum anodischen Bonden mit parallel zur Bondebene liegenden, strahlenförmig auseinanderlaufenden Armen (2), wobei sich ein oder mehrere der strahlenförmig auseinanderlaufenden Arme (2) verzweigen und benachbarte Zweige (6) bzw. benachbarte Zweige (6) und Arme (2) von innen nach außen auseinanderlaufend, einen spitzen Winkel (β) einschließen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei mehrere der Elektroden (1) im Wechsel mit Bondpaaren (3) und (4) in einem Stapel übereinander angeordnet sind und die Gesamtspannung an den beiden Stirnseiten des Stapels angelegt ist.