Waferbonden

Das Waferbonden ist ein Verfahrensschritt in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, bei dem zwei Wafer oder Scheiben (Silizium, Quarz, Glas und andere) miteinander verbunden werden. In der Mikrosystemtechnik wird Waferbonden genutzt, um die für die Sensoren nötigen Kavitäten herzustellen, so z. B. die Referenzdruckkammer bei einem absoluten Drucksensor oder die Unterdruckkammer einiger Drehratensensoren.

Waferbondverfahren

Verfahren o​hne Zwischenschichten

  • Direktes Bonden: Das Silizium-Direktbonden (SFB) wurde erstmals 1986 von J. B. Lasky[1] vorgestellt.
    Bei diesem Verfahren werden hydrophile und hydrophobe Oberflächen bei hohen Temperaturen in Kontakt gebracht. Dabei wird ein Wafer in der Mitte gegen den anderen Wafer gepresst, es entsteht der erste Kontaktpunkt. Die Grundlage der mechanischen Verbindung stellen Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Wechselwirkungen im Bereich der Kontaktzone. Die übrige Fläche wird dabei erst noch mittels Abstandhaltern voneinander getrennt. Anschließend werden die Abstandshalter entfernt und die Silizium-Verbindungsstelle breitet sich vom Zentrum aus. Übliche Prozesstemperaturen liegen im Bereich zwischen 1000 °C und 1200 °C. Der Druck, mit dem die Wafer aufeinandergedrückt werden, beträgt ca. 18 MPa.
  • Anodisches Bonden: Beim anodischen Bonden wird Glas mit erhöhter Na+-Ionenkonzentration genutzt. Dieses Glas wird mit dem Siliziumwafer in Kontakt gebracht und eine Spannung so angelegt, dass die negative Polung am Glas anliegt. Dadurch und durch erhöhte Temperatur diffundieren die Natriumionen (Na+) zur Elektrode. Aufgrund dessen bildet sich eine Raumladungszone an der Grenzfläche aus, was zu einem hohen Feld führt und damit zur Bildung von Si–O–Si-Bindungen. Die Bondfront verhält sich nun wie beim SFB, nur langsamer.
  • Anodisches Bonden bei Niedrigtemperatur: Das anodische Bonden bei Niedrigtemperatur ist besonders für temperatursensitive Materialien geeignet. Durch bestimmte Prozesse zur Oberflächenaktivierung an den Prozesswafern kann eine Senkung der üblichen Bond-Temperatur von 400 °C auf unter 180 °C erzielt werden. Die Anwendung des anodischen Bondverfahrens bei Niedrigtemperatur erlaubt eine Schonung des Materials sowie die Reduktion von Materialspannungen.

Verfahren m​it Zwischenschichten

  • Eutektisches Bonden: Das Prinzip beruht hier auf Verbindungsbildung durch eine eutektische Legierung wie zum Beispiel Si-Au oder Ge-Al.
  • Glas-Frit-Bonden: Verbindungsbildung durch Aufschmelzen von Glasloten/Glas-Fritten
  • Adhäsives Bonden: Verbindungsbildung durch Klebstoff als Zwischenschicht
Tabelle: Vergleich der verschiedenen Bondmethoden[2]
Methode Material Zwischenschichten Temperatur
in °C		 Oberflächenbehandlung Selektives Bonden erreicht durch
Anodisches Bonden Glas-Si
Si-Si
Si-Metall/Glas		 auf Pyrex gesputtertes Al, W, Ti, Cr > 250
> 300
300…500		 Spannung 50…1000 V Fotolithografie, Ätzen, Lift-off
Silizium-Direktbonden Si-Si
SiO2–SiO2		 700…1000 Standardreinigung Fotolithografie, Ätzen
Anodisches Bonden bei Niedrigtemperatur[3] Glas-Si > 180 Spannung 10…30 V
Glas-Frit-Bonden Si-Si
SiO2-SiO2		 Na2O–SiO2 und andere Sol-Gel-Materialien, Bor-Glas 400…600

> 450		 Rotationsbeschichtung

chemische Gasphasenabscheidung, Dotierung,		 Siebdruck
Niedertemperatur Silizium-Direktbonden Si-Si
SiO2-SiO2		 200…400 Plasma-Behandlung, Nasse Oberflächenaktivierung (tauchen) Fotolithografie, Ätzen, Lift-off
Eutektisches Bonden Si-Si Au, Al 379, 580 Sputtern, Galvanisieren Lift-off, Ätzen
Schweiß-Bonden Si-Si Au, Pb-Sn 300 thermisches Verdampfen, Sputtern Lift-off, Ätzen
Adhäsives Bonden Glas-Si
Si-Si
SiO2-Si2
Si3N4-Si3N4		 Klebstoff, Fotolack 25…200 Rotationsbeschichtung (engl. spin coating)
Sprühbelackung (engl. spray coating)		 Fotolithografie

Literatur
  • Jean-Pierre Colinge: Silicon-on-Insulator Technology. Materials to VLSI. 3. Auflage. Springer Netherlands, 2004, ISBN 1-4020-7773-4.
  • A. R. Mirza, A. A. Ayon: Silicon wafer bonding: Key to MEMS high-volume manufacturing. In: Sensors. Band 15, Nr. 12, 1998, S. 24–33 (sensorsmag.com).
  • Peter Ramm, James Jian-Qiang Lu, Maaike M. V. Taklo (Hrsg.): Handbook of Wafer Bonding. Wiley-VCH, 2012, ISBN 978-3-527-32646-4.

Einzelnachweise
  1. J. B. Lasky: Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies. In: Applied Physics Letters. Band 48, Nr. 1, 1986, S. 78–80, doi:10.1063/1.96768.
  2. Walter Lang: Vorlesungsskript: Integrierte Systeme I. Universität Bremen, Wintersemester 2006/2007.
  3. iX-factory GmbH (2014): iX-factory erzielt Erfolg bei der Entwicklung eines anodischen Niedertemperatur-Bondverfahrens. http://ix-factory.de/nachrichten.html?lang=de
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