JP2010534948A - ウェハ接合方法、ウェハ複合体並びにチップ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１のウェハ（１）を少なくとも１つの第２のウェハ（２）に接合する方法に関する。また、本発明は、前記ウェハ（１，２，１４）を組み立てるステップと、前記ボンディング材料（７）を加熱により焼結するステップとを有することを特徴とする。さらに本発明は複合体（１０）及びチップに関する。

Description

本発明は請求項１の上位概念部に記載の、第１のウェハを少なくとも１つの第２のウェハに接合する方法、請求項１４の上位概念部に記載のウェハ複合体並びに請求項１５の上位概念部に記載のチップに関する。

ＤＥ１０２００４０２１２５８Ａ１において、２つのウェハをはんだ付けすることにより互いに固定することが公知になっている。このためにはんだは金属製のボンディングフレームに被着される。ボンディングフレームはそれぞれ電子回路を取り囲む。ボンディングしたいウェハの接触後にはんだは溶解し、ウェハ間に堅固なはんだ結合がもたらされる。公知のウェハボンディング方法においては、はんだ付け中に液体化したはんだを収容することができるように、極めて広幅なボンディングフレームを使用しなければならないことが欠点である。使用態様に応じてボンディングフレームは合成チップ面の１０〜４５％を必要とすることがある。さらに電子的な構成部材の温度負荷ははんだプロセスにおいて高く、このことは最悪の場合には電子的な構成要素の損壊に繋がることがある。

発明の開示
技術的な課題
したがって、本発明の目的は、ウェハに単に小さなタブーゾーンを設けるだけでよく、電子的な構成要素の温度負荷がウェハにおいて最小にされているウェハのための接合方法を提供することである。さらに本発明の目的は、最適化されたウェハ複合体を少なくとも２つのウェハ及びウェハ複合体から切り取り、適切に最適化されたチップを提供することにある。

技術的な解決手段
上記目的は、請求項１の特徴を備えた方法、請求項１４の特徴を備えたウェハ複合体、及び請求項１５の特徴を備えたチップに基づき達成される。本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。本発明の枠内には、明細書、請求項及び／又は図面に開示されている特徴のうち少なくとも２つの特徴からの全組合せも含まれる。

本発明に係る方法は、第１のウェハと少なくとも１つの第２のウェハとを接合する方法において、焼結可能なボンディング材料を少なくとも１つのウェハに供給するステップ、前記ウェハを組み立てるステップ、及び前記ボンディング材料を加熱により焼結するステップ、を有することを特徴とする。

好ましくは、ウェハを圧着手段により所定の圧着力によって互いに押圧するか、又は、圧着力を圧着手段を用いずに、専ら少なくとも第２のウェハ又は場合によっては別のウェハ及び／又は別のボンディング材料の自重により形成する。

好ましくは、ボンディング材料をウェハと一緒に、特に焼結炉内において、有利には３５０℃を下回る、特に３００℃を下回る、有利には２５０℃を下回る焼結温度に加熱する。

好ましくは、ボンディング材料を局所的に、特にレーザビームにより、特に少なくとも１つのレーザスキャナにより、有利には２５０℃を下回る焼結温度に加熱する。

好ましくは、ボンディング材料の供給及び／又はウェハの接触及び／又は焼結を、真空下で行う。

好ましくは、ウェハを、少なくともボンディング材料に対する後の接触領域において、有利にはボンディングフレームの形式でボンディング材料の供給前にメタライジングする。

好ましくは、ボンディング材料を、少なくとも１つのウェハに形成されている回路の周囲のボンディングフレームに供給する。

好ましくは、有利には３００ｎｍよりも小さいｄ_５０値を有する銀粒子、特に２５０ｎｍよりも小さい、好ましくは２００ｎｍよりも小さい、特に好ましくは１００ｎｍよりも小さい、さらに有利には５０ｎｍよりも小さい最大の粒子サイズを有する銀粒子を含有するボンディング材料を使用する。

好ましくは、銀粒子に少なくとも１つの添加剤、特に有機的な材料が混加されている。

好ましくは、ペースト状及び／又は粉末状のボンディング材料を使用する。

好ましくは、ボンディング材料をステンシル印刷、スクリーン印刷、スプレー又は計量分配により供給する。

好ましくは、２つより多いウェハを焼結により互いにボンディングしてウェハスタックを形成する。

好ましくは、接合されたウェハをキャップされた個々のチップ、特にマイクロメカニクスのセンサチップ又はチップスタックに分配するか又は特にレーザ光線切断するか又は鋸断する。

本発明に係るウェハ複合体は、上記方法に基づき製造されたウェハ複合体であって、少なくとも２つの互いに接合されたウェハを有しているウェハ複合体において、ウェハはウェハ間に配置され焼結されたボンディング材料を介して互いに固定されていることを特徴とする。

本発明に係るチップ、特にセンサチップは、上記方法により製造された、チップ、特にセンサチップであって、少なくとも２つのウェハ材料平面を有している、チップ、特にセンサチップにおいて、ウェハ材料平面はウェハ材料平面間に配置され焼結されたボンディング材料を介して互いに固定されていることを特徴とする。

本発明の根底にある思想は、例えばセンサウェハとして電子回路を備えた第１のウェハと、キャップウェハとして第１のウェハの電子回路をキャップする第２のウェハとを構成することができる少なくとも２つのウェハを、焼結プロセスにより接合（ボンディング）することである。公知のはんだ付け方法に対しての利点は、使用するボンディング材料が液化されない、少なくとも完全には液化されないということである。これによりさらに小さなタブーゾーン、特にボンディングフレームを設けるだけでよく、結果として、１つのウェハに電子回路を設けるためにパーセンテージにおいてより多くの面を使用することができるので、別の結果として、１つのウェハによって比較的大きな数のチップを製造することができる。本発明に係る方法のさらに別の利点は、焼結プロセス時の電子的な構成要素の温度負荷は公知のはんだ付けプロセスよりも著しく減じられるということにある。有利には、焼結温度は３５０℃より低い、特に３００℃より低い、有利には２５０℃より低くなっている。一般的には本発明のコンセプトに基づき構成された方法によりもたらされるチップの実際の運転温度は、明らかに前記焼結温度（接合温度）を超えている。本発明に係る方法においては、以下のように実施される：まず、特にナノメートル範囲及び／又はマイクロメートル範囲の粒子サイズ分布を有する焼結可能なボンディング材料を、ボンディングしたいウェハの少なくとも１つに被着する。続くステップにおいて、ウェハを、特に事前の調整に基づき互いに相対的に組み合わせる、つまり重ねて又は互いに接して置き、焼結可能なボンディング材料を加熱し、その結果、焼結プロセスがもたらされる。「組合せ」とは本発明の思想においては、ウェハの直接的な接触を必然的に意味するものではない。むしろサンドウィッチ構造は２つの外側のウェハと２つの外側のウェハの間に配置されているボンディング材料とによって得られる。本発明の枠内では、ボンディングしたいウェハの組合せ前に既に焼結材料の加熱を開始する。択一的には、ウェハの組合せ後に始めて加熱が行われる。

使用するボンディング材料の粒子サイズ分布に応じて、安定的な焼結結合を達成するために、特に３５０℃より低い、特に３００℃より低い、有利には２５０℃より低い焼結温度に対して付加的に、圧着力をウェハに加えるということが必要であってよい。特に、マイクロメートル範囲における粒子サイズ分布の場合、１５〜６０ＭＰａ、特に２５〜４５ＭＰａの圧着力を形成することが有利であり得る。ナノメートル範囲における粒子サイズ分布の場合、２ＭＰａを下回る、特にほぼ１ＭＰａ又はそれを下回る僅かな圧力で、安定的な焼結結合を形成するためには既に十分である。それどころか粒子サイズ分布に応じて、圧着力を形成する別体の圧着手段を省略することが考慮可能であり、その結果、第１のウェハの外側に配置されている少なくとも１つのウェハの自重だけで、十分に最小の圧着力を形成するのに足りる。

焼結温度へのボンディング材料の加熱の達成に関しては種々異なる可能性がある。第１の択一的な構成によれば、少なくとも２つのウェハがボンディング材料と一緒に炉プロセスにおいて、ボンディング材料の焼結が起こる温度に加熱される。焼結温度（接合温度）は、有利には３５０℃を下回る、特に３００℃を下回る、好ましくは２５０℃を下回る。焼結するために圧着力を加えることが必要である場合には、有利には焼結炉の下方に圧着手段が配置されている。

付加的又は有利に択一的には、第２の択一的な構成に基づき、互いにボンディングしたいウェハ全体ではなく、ボンディング材料を局所的にだけ有効に加熱することが可能である。特にレーザビーム、有利にはレーザスキャナが好適である。有利には、レーザビームはボンディングしたい少なくとも２つのウェハのうちの１つのウェハ、特に、レーザ放射のために少なくともほぼ透光性に構成されているキャップウェハを貫通して放射する。レーザスキャナの使用により、複雑なボンディング材料輪郭（焼結輪郭）を走査することもできる。ボンディング材料の有利な局所的な加熱は、炉プロセスに比べて実質的な利点を有している。１つには、ウェハの加熱がボンディング材料に対する実際の接触領域においてのみ行われ、その結果、電子構成部材は保全される。さらに、焼結炉プロセスとは異なり、比較的時間のかかる加熱及び冷却は必要とならないので、時間の節約になる。有利には、焼結温度が３５０°を下回る、有利には３００°を下回るか又は好ましくは２５０°を下回るように加熱時間及び／又はレーザビーム強度を調節する。有利には、レーザによりサポートされた加熱プロセスはボンディングしたいウェハの接触後に初めて行われる。

有利には本発明の方法の別の構成は、特に気密に閉鎖されたチップを製造することができるように、少なくとも真空下における焼結ステップに基づき行われる。焼結プロセスのプロセス運転を、最終的な焼結結合が閉鎖的な負圧密な気孔を有しているように調整する必要がある。

少なくとも２つのウェハのボンディング結合の最大の強度を実現するために、ウェハがボンディング材料の供給前に、有利には少なくともボンディング材料に対する後の接触領域において、例えばニッケル／金化合物、クロム／金化合物及び／又はクロム／銀化合物等によりメタライジングするという実施の形態が有利である。有利にはメタライジングはボンディングフレームの形式において行われる。ボンディングフレームは２つのウェハの少なくとも一方のウェハにおいて実際の電子回路を取り囲む。

有利には、ボンディング材料の提供は（特に専ら）少なくとも１つのウェハのメタライジングされた領域、有利には少なくとも１つのウェハに形成された電子回路及び／又はマイクロ工学的な素子を取り囲む少なくとも１つのボンディングフレームにおいて行われる。その結果、ボンディング材料によって完全に取り囲まれた回路及び／又はマイクロメカニクスの素子、つまり環状のボンディング結合部を備えたチップが製造される。

特に良好な結果が、銀粒子を含有するボンディング材料によって得られた。有利には、銀粒子の粒子サイズ分布はナノメートル範囲にあり、粒子サイズ分布のｄ_５０値は、第１の有利なボンディング材料の場合には約２〜１０ｎｍ、第２の有利なボンディング材料の場合には約３０〜５０ｎｍにある。さらに、銀粒子はマイクロメートル範囲における粒子サイズ分布を有するボンディング材料を使用することが可能である。約２〜３０μｍのｄ_５０値を有する銀粒子によって良好な結果が得られた。基本的に粒子が大きければ、それだけ焼結結合を形成するために必要な圧着力は高いものになる。

特に有利には、ボンディング材料は、有利には最大の質量割合を形成している銀粒子の他に、有機的な材料及び／又はガラスろう及び又は金ろうといった添加剤を有しており、特に焼結結合の閉鎖型の多孔性が得られ、結果的に真空化されたチップを得ることができる。

ボンディングフレームの外側のウェハの所定の領域への延在を防ぐために、ボンディング材料がペースト状である構成は有利である。付加的に又は択一的に、ボンディング材料を特に乾燥した粉末として使用することも可能である。

特にペースト状のボンディング材料を供給するために、ペースト状のボンディング材料をステンシル印刷及び／又はスクリーン印刷及び／又はスプレー及び／又は計量分配（Ｄｉｓｐｅｎｓｅｎ）により供給することが可能である。有利にはボンディング材料は互いに結合したいウェハのうち一方にのみ供給され、次いでボンディング材料のないウェハは、特に下側に位置するウェハに対して相対的に調整され、必要であれば有利には６０ＭＰａより低い圧着力を加えつつ、下側に位置するウェハと接触する。

本発明に係る方法は、２つのウェハでキャップされた電子回路及びマイクロメカニクスの素子を製造するためだけに適しているのではない。本発明に係る方法によって択一的には、少なくとも３つの互いに重なって配置されているウェハから成るいわゆるウェハスタックを製造することもできる。少なくとも２つのウェハ、例えば異なるウェハに配置されている２つの回路が貫通接続により互いに導電性に接続されていることは有利である。

特にボンディング材料の（少なくとも部分的な）硬化後に、ボンディングされたウェハは個々のチップ又はチップスタックに分割される。このことは自体公知の方法、例えば鋸断プロセスにより行うことができる。有利にはボンディングフレームの外側の領域における、レーザサポートされた切断若しくは鋸断プロセスによる個々のチップの分離が有利である。

本発明は少なくとも２つのウェハから成るウェハ複合体にも通じる。少なくとも２つのウェハの間には、有利には既述の方法により製造された焼結されたボンディング結合部が設けられている。焼結されたボンディング材料が閉鎖型の多孔性を有しているウェハ複合体の構成が特に好ましい。

さらに、本発明はチップにも通じている。有利には、チップは前記ウェハ複合体の分割により製造される。本発明のコンセプトに基づき形成されたチップは、チップの少なくとも２つのウェハ平面の間の焼結されたボンディング結合部を特徴とする。有利には、特に閉気孔性のボンディング結合部が、実際の電子回路及び／又はマイクロメカニクスの素子を取り囲み、有利にはフレーム状のボンディング材料によって真空雰囲気が密に囲まれている。

焼結炉プロセスの処理下での本発明に係る方法の経過図である。 ボンディング材料の局所的な加熱のために、レーザビームを使用した方法の択一的な順序を示した図である。 互いに結合しようとする少なくとも２つのウェハのうちの１つの部分図である。 ウェハスタックを製造するボンディング方法の択一的な順序を示した図である。

本発明の有利な利点、特徴、詳細な構成については、有利な実施の形態の説明及び図面から明らかになる。

本発明の実施の形態
図面において、同じ部材及び同じ機能を有する部材には同じ符号を付した。

図１にウェハボンディング方法の経過を示した。第１のウェハ１及び第１のウェハ１に配置された第２のウェハ２の断面図を見て取ることができる。第１及び第２のウェハ１，２は真空雰囲気内に設けられている。使用するウェハは、例えばケイ素及び／又は酸化ケイ素及び／又はヒ化ガリウム及び／又はその他の公知のウェハ材料からもたらされていてよい。

両ウェハ１，２には、例えばニッケル／金、クロム／金又はクロム／銀といったメタライジング部３，４がそれぞれ備え付けられていることが判る。図３から判るように、メタライジング部３，４はボンディングフレーム５として供給されている。記載の実施の形態では、ボンディングフレームは正方形の環状輪郭を有している。ボンディングフレーム５は下方に配置されている第１のウェハ１において、図３においては単に概略的に示した電子回路６を取り囲んでいる。さらに図３から、複数の同じ回路６が、これらの回路６を取り囲む各ボンディングフレーム５と共に第１のウェハ１に配置されていることが判る。第２のウェハ２のボンディングフレーム（図示せず）は、第１のウェハ１におけるボンディングフレーム５の成形部に対して形状一致した成形部を有している。

図１から判るように、第１のウェハ１のメタライジング部（ボンディングフレーム５）に焼結可能なボンディング材料７を、例えば印刷方法において供給した。

符号８が付された矢印により示されているように、両ウェハ１，２はボンディング材料７の供給後に事前の相対配向に基づき組み立てられ、つまり互いに重ねられ、焼結炉において加熱される。場合によっては、２つのウェハ１，２は付加的には圧着手段（図示せず）により互いに押圧される。焼結温度は記載の実施の形態では、約２００℃である。焼結プロセスは符号９を付した矢印により明示されている。冷却段階後に図１の右側の図半分に記載されている、第１及び第２のウェハ１，２と、２つのメタライジング部３，４と、２つのメタライジング部３，４間に位置する焼結されたボンディング材料から成る焼結層１１とから成るウェハ複合体１０がもたらされる。

冷却後にウェハ複合体１０から個々のチップを、例えばレーザ切断又は従来の鋸断により、切り出すことができる。切断線は、有利には隣り合うボンディングフレーム５の間の領域１２（図３参照）に沿って引かれる。

図２から、択一的なウェハボンディング方法を認識可能である。繰返しを回避するために、図１に記載した既述のウェハボンディング方法に対して相違する事項のみを説明する。共通する部分に関しては、先の図面の説明が参照される。

矢印８により示された、第１及び第２のウェハ１，２と閉じ込められるボンディング材料５との接触後にウェハ１，２全体が加熱されるのではなく、単に局所的にボンディング材料７が加熱される。このために記載の実施の形態においてレーザビームに対して透光性の第２のウェハ２を貫通するレーザビーム１３が使用される。ボンディングフレーム５の輪郭は、レーザスキャナ（図示せず）によって走査される。２つのウェハ１，２のボンディングのために、複数のレーザスキャナを使用することもできる。レーザビームを適切な光学系によりボンディング材料７に均一に方向付けること、つまり例えば環状正方形のレーザ照準形状を形成することも考慮可能である。真空雰囲気下において実施される方法から、図面右半分に示されたウェハ複合体１０がもたらされる。ボンディングフレーム５は記載の方法においては、実質的に公知の方法よりも肉薄に構成することができる。電気的な回路を真空雰囲気下に配置する必要がない場合には、記載のボンディング方法を、特にクリーンルームにおける標準雰囲気下において実施することも考慮可能である。

図４においては、ウェハスタックを製造するために応用された方法が示されている。記載の実施の形態では、第１のウェハ１と第２のウェハ２との間に、第３のウェハ１４を配置する。記載の実施の形態では、第１のウェハ１及び第３のウェハ１４には電子回路（図示せず）が設けられており、両回路は貫通接触接続部１５を介して互いに導電接続される。

手順に関して異なる実施の形態が可能である。例えば、まず第１のウェハ１と第３のウェハ１４とを図１又は図２に記載の方法に対応して互いに結合し、次いで第２のウェハ２を既にボンディングされた他のウェハ１，１４にボンディングすることが考慮可能である。しかし、全ウェハ１，２，１４を同時にボンディングする図４に記載の実施の形態が有利である。このために全ウェハ１，２，１４には、ボンディングフレーム形状のメタライジング部３，４，１６，１７が設けられている。第１のウェハ１及び第３のウェハ１４の各上面のメタライジング部３，１６にボンディング材料７が提供され、次いで全ウェハは事前の相互配向に基づき互いに接触する。次いで符号９で示した焼結プロセスは、必要な場合には圧着力を付加的に使用して行われる。この焼結プロセスは、択一的に焼結炉又はレーザビームによりサポートされて実施することができる。結果として、図４の右側に示した、３つのウェハ１，２，１４を有するウェハ複合体（ウェハスタック）が形成される。２つの下側のウェハ１，１４は貫通接触接続部１５を介して互いに導電性に接続されている。最上の第２のウェハ２は、単に、場合によっては外面に接続点を備えていてよいキャップウェハである。接続点は第３のウェハ１４及び／又は下側の第１のウェハ１における回路に対して貫通接触されている（図示せず）。記載の方法によって、複数のウェハを備えたウェハスタックを製造することができる。３つのウェハ１，２，１４をボンディングした後に、３つのウェハ平面を有する個々のチップスタックを、有利にはレーザによりサポートされた切断プロセスにより切り抜くことができる。

Claims (15)

1. 第１のウェハ（１）と少なくとも１つの第２のウェハ（２）とを接合する方法において、
   −焼結可能なボンディング材料（７）を少なくとも１つのウェハ（１，２，１４）に供給するステップ、
   −前記ウェハ（１，２，１４）を組み立てるステップ、及び
   −前記ボンディング材料（７）を加熱により焼結するステップ、
   を有することを特徴とする、第１のウェハと少なくとも１つの第２のウェハとを接合する方法。
2. 前記ウェハ（１，２，１４）を圧着手段により所定の圧着力によって互いに押圧するか、又は、前記圧着力を前記圧着手段を用いずに、専ら少なくとも第２のウェハ（２）又は場合によっては別のウェハ（１４）及び／又は別のボンディング材料（７）の自重により形成することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ボンディング材料（７）を前記ウェハ（１，２，１４）と一緒に、特に焼結炉内において、有利には３５０℃より下、特に３００℃より下、有利には２５０℃より下の焼結温度に加熱することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ボンディング材料（７）を局所的に、特にレーザビーム（１３）により、特に少なくとも１つのレーザスキャナにより、有利には２５０℃より下の焼結温度に加熱することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
5. 前記ボンディング材料（７）の供給及び／又は前記ウェハ（１，２，１４）の接触及び／又は前記焼結を、真空下で行うことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の方法。
6. 前記ウェハ（１，２，１４）を、少なくとも前記ボンディング材料（７）に対する後の接触領域において、有利にはボンディングフレーム（５）の形式で前記ボンディング材料（７）の供給前にメタライジングすることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載の方法。
7. 前記ボンディング材料（７）を、少なくとも１つの前記ウェハ（１，２，１４）に形成されている回路（６）の周囲のボンディングフレーム（５）に供給することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載の方法。
8. 有利には３００ｎｍよりも小さいｄ_５０値を有する銀粒子、特に２５０ｎｍよりも小さい、好ましくは２００ｎｍよりも小さい、特に好ましくは１００ｎｍよりも小さい、さらに有利には５０ｎｍよりも小さい最大の粒子サイズを有する銀粒子を含有する前記ボンディング材料（７）を使用することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載の方法。
9. 前記銀粒子に少なくとも１つの添加剤、特に有機的な材料が混加されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載の方法。
10. ペースト状及び／又は粉末状の前記ボンディング材料（７）を使用することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項記載の方法。
11. 前記ボンディング材料（７）をステンシル印刷、スクリーン印刷、スプレー又は計量分配により供給することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載の方法。
12. ２つより多いウェハを焼結により互いにボンディングしてウェハスタック（１０）を形成することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項記載の方法。
13. 接合された前記ウェハ（１，２，１４）をキャップされた個々のチップ、特にマイクロメカニクスのセンサチップ又はチップスタックに分割するか又は特にレーザ光線切断するか又は鋸断することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項記載の方法。
14. 特に請求項１から１３までのいずれか一項記載の方法に基づき製造されたウェハ複合体であって、少なくとも２つの互いに接合されたウェハ（１，２，１４）を有している、ウェハ複合体において、
    前記ウェハ（１，２，１４）は該ウェハ間に配置され焼結されたボンディング材料（７）を介して互いに固定されていることを特徴とする、ウェハ複合体。
15. 有利には請求項１から１３までのいずれか一項記載の方法により製造された、チップ、特にセンサチップであって、少なくとも２つのウェハ材料平面を有している、チップ、特にセンサチップにおいて、
    前記ウェハ材料平面は該ウェハ材料平面間に配置され焼結されたボンディング材料（７）を介して互いに固定されていることを特徴とする、チップ、特にセンサチップ。

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