Waferbonden

Das Waferbonden ist ein Verfahrensschritt in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, bei dem zwei Wafer oder Scheiben (Silizium, Quarz, Glas und andere) gefügt, das heißt vollflächig miteinander verbunden werden. In Maschinenbau und in der Optikfertigung bezeichnet man eine damit verwandte Technik als Ansprengen.

Anwendungen

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. Auch bei der Fertigung von Photovoltaikzellen und -modulen hat Waferbonden erhebliche Relevanz. Jüngste Fortschritte der Chipentwicklung und -fertigung, insbesondere des Packagings, legen eine verstärkte Relevanz und Notwendigkeit von Waferbonding für diverse hochintegrierte Technologien wie 3D-NAND und High Bandwidth Memory nahe.

Waferbondverfahren

Verfahren ohne Zwischenschichten

Direktes Bonden: Das Silizium-Direktbonden (SFB) wurde erstmals 1986 von J. B. Lasky 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 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
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	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
Adhäsives Bonden mit Parylene	Si-Si Si-SiO₂ Si-Si_xN_xSi-Al Si-Glas	Parylene (transparentes, polymeres Adhäsiv)	280...440	CVD (Gorham-Prozess), optionale Vorbehandlungen	Fotolithografie, Ätzen, Sägen, CMP

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

↑ Katsuaki Tanabe: Semiconductor Wafer Bonding for Solar Cell Applications: A Review. In: Advanced Energy and Sustainability Research. Band 4, Nr. 11, November 2023, ISSN 2699-9412, doi:10.1002/aesr.202300073 (wiley.com [abgerufen am 10. August 2024]).
↑ 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.
↑ Walter Lang: Vorlesungsskript: Integrierte Systeme I. Universität Bremen, Wintersemester 2006/2007.
↑ iX-factory GmbH (2014): iX-factory erzielt Erfolg bei der Entwicklung eines anodischen Niedertemperatur-Bondverfahrens. Archivierte Kopie (Memento des Originals vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/ix-factory.de
↑ Franz Selbmann, Mario Baum, Christoph Meinecke, Maik Wiemer, Harald Kuhn, Yvonne Joseph: Low-Temperature Parylene-Based Adhesive Bonding Technology for 150 and 200 mm Wafers for Fully Biocompatible and Highly Reliable Microsystems. In: ECS Journal of Solid State Science and Technology. Band 10, Nr. 7, 1. Juli 2021, ISSN 2162-8769, S. 074010, doi:10.1149/2162-8777/ac12b6 (iop.org [abgerufen am 20. August 2026]).
↑ Franz Selbmann, Frank Roscher, Maik Wiemer, Harald Kuhn, Yvonne Joseph: Advances in Parylene Adhesive Bonding for the Realization of Biocompatible Microsystems. IEEE, 2023, ISBN 978-0-9568086-9-1, S. 1–6, doi:10.23919/EMPC55870.2023.10418342 (ieee.org [abgerufen am 20. August 2026]).

[1] Katsuaki Tanabe: Semiconductor Wafer Bonding for Solar Cell Applications: A Review. In: Advanced Energy and Sustainability Research. Band 4, Nr. 11, November 2023, ISSN 2699-9412, doi:10.1002/aesr.202300073 (wiley.com [abgerufen am 10. August 2024]).

[Lasky-2] 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.

[3] Walter Lang: Vorlesungsskript: Integrierte Systeme I. Universität Bremen, Wintersemester 2006/2007.

[4] X-factory GmbH (2014): iX-factory erzielt Erfolg bei der Entwicklung eines anodischen Niedertemperatur-Bondverfahrens. Archivierte Kopie (Memento des Originals vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/ix-factory.de

[5] Franz Selbmann, Mario Baum, Christoph Meinecke, Maik Wiemer, Harald Kuhn, Yvonne Joseph: Low-Temperature Parylene-Based Adhesive Bonding Technology for 150 and 200 mm Wafers for Fully Biocompatible and Highly Reliable Microsystems. In: ECS Journal of Solid State Science and Technology. Band 10, Nr. 7, 1. Juli 2021, ISSN 2162-8769, S. 074010, doi:10.1149/2162-8777/ac12b6 (iop.org [abgerufen am 20. August 2026]).

[6] Franz Selbmann, Frank Roscher, Maik Wiemer, Harald Kuhn, Yvonne Joseph: Advances in Parylene Adhesive Bonding for the Realization of Biocompatible Microsystems. IEEE, 2023, ISBN 978-0-9568086-9-1, S. 1–6, doi:10.23919/EMPC55870.2023.10418342 (ieee.org [abgerufen am 20. August 2026]).