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 ohne 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.

Verfahren mit 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	Fotolithographie, Ätzen, Lift-off
Silizium-Direktbonden	Si-Si SiO2–SiO2		700…1000	Standardreinigung	Fotolithographie, Ätzen
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)	Fotolithographie, 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)	Fotolithographie

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. 15, Nr. 12, 1998, S. 24–33 (sensorsmag.com).

Einzelnachweise

1. ↑ J. B. Lasky: Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies. In: Applied Physics Letters. 48, Nr. 1, 1986, S. 78–80, doi:10.1063/1.96768.
2. ↑ Walter Lang: Vorlesungsskript: Integrierte Systeme I. Universität Bremen, Wintersemester 2006/2007.