DE19813669A1 - Gebondeter Wafer sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Gebondeter Wafer sowie Verfahren zu seiner Herstellung

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DE19813669A1
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Toshinori Hosoma
Kazuhiko Yosioka
Shouzou Katsuki
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Ube Corp
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Ube Industries Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft einen gebondeten Wafer, welcher mindestens zwei Wafer-Lagen umfaßt, welche mit einem Binde­ mittel miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung des gebondeten Wafers und ferner ein daraus erhaltenes Substrat.
Für die Erzeugung eines gebondeten Wafers sind bereits die Ver­ fahren des direkten Verbindens (Direct Bonding), des elektro­ statischen Verbindens, des Verbindens mittels rußhaltigem Glas u. a. vorgeschlagen worden.
Alle diese Verfahren verlangen eine Bindetemperatur über 1000°C und eine Bindezeit von mehreren Stunden bis hin zum Mehrfachen von 10 Stunden.
Ferner fordern alle diese Verfahren Fertigungsvorrichtungen in großem Maßstab, nämlich einen Wärmebehandlungsofen, der den Anforderungen eines Diffusionsofens entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gebondeten Wafers, bei dem ein Bindemittel Verwendung findet, mit welchem sich die Wafer-Lagen unter relativ milden Bedingungen und in Gleichmäßigkeit miteinander verbinden lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Wafer erfin­ dungsgemäß durch einen gebondeten Wafer gelöst, welcher minde­ stens zwei Wafer-Lagen und ein Bindemittel umfaßt, welches die Wafer-Lagen zusammenfügt, wobei das Bindemittel eine Schicht eines amorphen wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Poly­ imids (X) allein oder ein wärmeschmelzverklebbares aromatisches Polyimid-Material umfaßt, welches eine Schicht eines Substrat- Polyimids (Y) und eine Schicht eines amorphen wärmeschmelzver­ klebbaren aromatischen Polyimids (X) auf jeder Seite der Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht aufweist.
Es ist an sich bekannt, daß aromatische Polyimid-Filme oder Folien sich zwar durch hervorragende Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit, elektrische Eigenschaften etc. aus­ zeichnen, gleichzeitig jedoch auch eine schlechte Haftung auf Glas zeigen, wie es die Erzeugung der Filme oder Folien durch Gießen auf eine Glasunterlage deutlich macht. Bislang wurden aromatische Polyimid-Filme und Folien als nicht geeignet zur Verwendung als Bindemittel für Wafer angesehen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines gebondeten Wafers mit mindestens zwei mit einem Binde­ mittel verbundenen Wafer-Lagen, welches die Schritte aufweist:
Sandwichartiges Anordnen
einer amorphen wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Poly­ imid-(X)-Schicht allein oder
eines wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Polyimid-Materials, welches eine Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht und eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)-Schicht auf jeder Seite der Substrat-Polyimid-Schicht umfaßt,
als Bindemittel zwischen zwei der Wafer-Lagen und
Miteinanderverbinden dieser Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromatischen Poly­ imids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Poly­ imids eintritt, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines gebondeten Wafers mit mindestens zwei mit einem Binde­ mittel verbundenen Wafer-Lagen, welches die Schritte aufweist:
Beschichten einer Seite eines ersten Wafers mit einer Lösung einer Polyamidsäure zur Bildung eines amorphen wärmeschmelzver­ klebbaren aromatischen Polyimids (X) als Bindemittel;
Erhitzen der aufgebrachten Lösung zum Zweck der Entfernung des Lösungsmittels und Herbeiführen der Imidisierung, um eine wär­ meschmelzverklebbare aromatische Polyimid-Schicht zu bilden;
Anordnen eines zweiten Wafers über dem ersten Wafer; und
Miteinanderverbinden der Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromatischen Poly­ imids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Poly­ imids eintritt, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2.
Ferner betrifft die Erfindung ein Substrat, welches dadurch hergestellt wird, daß eine Oberfläche eines gebondeten Wafers mindestens einem der folgenden Behandlungsschritte unterzogen wird, nämlich Schleifen, Polieren oder Ätzen, oder ein Sub­ strat, welches dadurch hergestellt wird, daß eine Oberfläche eines gebondeten Wafers abgetragen wird, so daß der Wafer eine SOI-Struktur zeigt, wobei der gebondete Wafer des Substrats mindestens zwei Wafer-Lagen umfaßt sowie ein Bindemittel, welches die Wafer-Lagen miteinander verbindet, wobei das Binde­ mittel eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Poly­ imid-(X)-Schicht allein oder ein wärmeschmelzverklebbares aromatisches Polyimid-Material, welches eine Substrat-Poly­ imid-(Y)-Schicht und eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)-Schicht auf jeder Seite der Substrat- Polyimid-(Y)-Schicht aufweist, umfaßt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen gebondeten Wafers;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungs­ form eines Substrats, welches den Prozeß des Schleifens und Polierens durchlaufen hat;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungs­ form eines Substrats, wobei ein Teil der nichtbear­ beiteten Oberfläche eines erfindungsgemäßen dünnen gebondeten Substrats geätzt ist;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungs­ form eines Substrats, wobei ein Teil der Polyimid- Schicht von einem erfindungsgemäßen geätzten Substrat entfernt ist.
Es bestehen keine besonderen Einschränkungen bezüglich der für die Erfindung verwendbaren Wafer, und es können kommerziell erhältliche Wafer frei wählbarer Dicke und frei wählbaren Durchmessers Anwendung finden. Beispiele für die Wafer umfassen Silicium-Wafer, GaAs-Wafer und verschiedene einkristalline Substrate. Aus der Reihe der genannten sind Silicium-Wafer besonders geeignet.
Da die Erfindung ein Bonden bei einer niederen Temperatur ermöglicht, führt die Verwendung von Wafern, die zuvor herge­ stellte Schaltungsanordnungen aufweisen, zu keiner wesentlichen Diffusion von durch das Bonden verursachten Verunreinigungen, und es ergibt sich eine Stabilisierung der Charakteristika der Schaltungsanordnungen, nämlich das Erreichen des Effekts einer Reduzierung von Schäden.
Die Erfindung verlangt, ein Bindemittel zu verwenden, welches eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)- Schicht allein oder ein wärmeschmelzverklebbares aromatisches Polyimid-Material, bei dem eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)-Schicht auf jeder Seite einer Sub­ strat-Polyimid-(Y)-Schicht vorgesehen ist, umfaßt oder aus der genannten Schicht bzw. dem Material besteht. "Amorph" im Sinne der vorliegenden Beschreibung bedeutet, daß die durch Rowland- Analyse des Röntgenstrahlbeugungsspektrums bestimmte Kristal­ linität im wesentlichen vernachlässigt werden kann; die Kristallinität ist vorteilhaft unter 5%, noch besser bis zu 3% und am besten bis zu 1%. Wird ein kristallines Polyimid verwendet, erfordert das Verbinden der Wafer einen hohen Druck und die zusammengefügten Wafer zeigen die Neigung, sich vonein­ ander abzulösen. Wenn ein Polyimid verwendet wird, das nicht wärmeschmelzverklebbar ist, kommt es bei dem so erhaltenen gebondeten Wafer leicht zu Ablöseerscheinungen. In beiden Fällen gestaltet es sich schwierig, einen gleichmäßig gebonde­ ten Wafer zu erzeugen.
Der erfindungsgemäße gebondete Wafer kann nach einem Verfahren erhalten werden, welches die Schritte umfaßt:
Sandwichartiges Anordnen einer amorphen wärmeschmelzverklebba­ ren aromatischen Polyimid-(X)-Schicht allein oder eines wärme­ schmelzverklebbaren aromatischen Polyimid-Materials oder -Films, welcher eine Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht und eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)- Schicht zu beiden Seiten der Substrat-Polyimid-Schicht umfaßt, als Bindemittel zwischen wenigstens zwei Wafer-Lagen,
geeignetes Entgasen unter reduziertem Druck (im besonderen im Vakuum) und
Miteinanderverbinden der Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromatischen Poly­ imids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Poly­ imids eintritt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 250 bis 350°C, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2, vorzugs­ weise über einen Zeitraum von 1 Sekunde bis 30 Minuten.
Alternativ kann der gebondete Wafer nach einem Verfahren erhal­ ten werden, welches als Schritte aufweist:
Beschichten einer Seite eines ersten Wafers mit einer Lösung einer Polyamidsäure zur Bildung eines amorphen wärmeschmelz­ verklebbaren aromatischen Polyimids (X) (eine Lösung einer Monomermischung, worin ein Halbester einer aromatischen Tetra­ carbonsäure verwendet wird und Polymerisation mit einem aroma­ tischen Diamin im wesentlichen nicht stattfindet, kann eben­ falls verwendet werden) als Bindemittel;
Erhitzen der aufgebrachten Lösung zum Zweck der Entfernung des Lösungsmittels und Herbeiführen der Imidisierung (Polymerisa­ tion der Polyamidsäure eingeschlossen), um eine wärmeschmelz­ verklebbare aromatische Polyimid-Schicht zu bilden;
Anordnen eines zweiten Wafers über dem ersten Wafer;
geeignetes Entgasen unter reduziertem Druck (im besonderen im Vakuum) und
Miteinanderverbinden der Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromatischen Poly­ imids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Poly­ imids eintritt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 250 bis 350°C, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2, vorzugs­ weise über einen Zeitraum von 1 Sekunde bis 30 Minuten.
Insbesondere dann, wenn ein Bindemittel dadurch gebildet wird, daß die Lösung einer Polyamidsäure zur Bildung eines amorphen wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Polyimids (X) als Binde­ mittel aufgebracht wird, werden bevorzugt gebondete Wafer oder Substrate erhalten, die frei von Fehlstellen sind, selbst wenn die anfänglichen Wafer zuvor gebildete oder entstandene Vertie­ fungen oder Rillen oder Stufen oder Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche aufweisen.
Das erfindungsgemäße Substrat kann geeignet erhalten werden, indem eine Oberfläche des erfindungsgemäßen gebondeten Wafers wenigstens einem der folgenden Prozesse, nämlich Schleifen, Polieren oder Ätzen, unterzogen wird.
Ein Beispiel zur Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats wird unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Ein erfin­ dungsgemäßer gebondeter Wafer 1 mit einem ersten Wafer 2 und einem zweiten Wafer 4, welche über eine Bindemittelschicht 3 miteinander verbunden sind (Fig. 1), wird geschliffen und fer­ ner poliert, vorzugsweise durch mechanisch-chemisches Polieren, um eine Spiegelfläche zu schaffen und ein gedünntes Substrat 10 zu erhalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet den mechanisch bearbeiteten Wafer 2 aus Fig. 1. Sodann wird eine der beiden Oberflächen, vorzugsweise ein Teil der nichtbearbeiteten Oberfläche des gebondeten Substrats 10, maskiert und einer Strukturierung oder dergleichen Verfahren unterzogen. Ein Teil des Wafers 4 wird sodann geätzt, um ein geätztes Substrat 20 zu erhalten, wie in Fig. 3 gezeigt. Als nächstes wird ein Teil der Polyimid-Schicht 3, welche das Bindemittel darstellt, abgetragen, um ein bearbeitetes Substrat 30 zu erhalten, wie in Fig. 4 gezeigt.
Das Substrat kann vor oder nach dem Abtragen der Polyimid- Schicht einem Schritt des Zertrennens (Dicing), der in den Figuren nicht dargestellt ist, unterworfen werden, um dünne und kleine Substrate zu erhalten.
Erfindungsgemäß kann dadurch, daß eine Oberfläche des gebonde­ ten Wafers um einen bestimmten Betrag abgetragen wird, wie oben beschrieben, ein Substrat erhalten werden, worin der Wafer eine sogenannte SOI-Struktur aufweist.
Ferner sind erfindungsgemäß die wie oben beschrieben erhaltenen dünnen und kleinen Substrate mit Schaltungsanordnungen verse­ hen, um Substrate für Bauelemente zu erhalten.
Es genügt, solche Substrate mit Schaltungsanordnungen oder einer Beschaltung zu versehen, die für die Verwendung des Wafers bei Temperaturen bis zur Wärmebeständigkeit des Poly­ imid-Materials (X), in der Regel bis zu ca. 300°C, geeignet sind.
Zwar kommen meistbevorzugt 2,3,3',4'-Biphenyltetracarbonsäure­ dianhydride als die Tetracarbonsäuredianhydride (Säuren, Säure­ dianhydride, Säureester), welche für die Polyimide (X) als Bindemittel für die vorliegende Erfindung verwendet werden können, zur Anwendung; es können jedoch auch 2,2-Bis-(3,4- dicarboxyphenyl)-propandianhydrid, Bis-(3,4-dicarboxyphenyl)­ etherdianhydrid sowie Säuren und Säureester dieser Verbindungen eingesetzt werden. Ein Teil dieser Säuren kann durch Pyro­ mellithsäuredianhydrid, 3,3',4,4'-Benzophenontetracarbon­ säuredianhydrid und 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäure­ dianhydrid ersetzt werden.
Erfindungsgemäß kommt meistbevorzugt 1,3-Bis-(4-aminophenoxy)­ benzol als die Diamin-Komponente, welche für das Polyimid (X) verwendet werden kann, zur Anwendung. Andere aromatische Diamine mit einer flexiblen Struktur, wie Diamine, die mehrere Benzolringe und eine O-, CH2-, S-, C(CH3)2-, O(Bz)O- (Bz: Benzol), (Bz)O(Bz)-, SO2-Gruppe oder dergleichen in der Hauptkette des Moleküls und ferner beide Amingruppen in meta- Stellung enthalten, sind ebenfalls geeignet. Beispiele für die aromatischen Diamine umfassen 1,3-Bis-(3-aminophenoxy)-benzol, 3,3'-Diaminodiphenylether, 3,3'-Diaminodiphenylsulfid, 3,3'-Diaminobenzophenon, 3,3'-Diaminodiphenylmethan, 2,2-Bis­ (3-aminophenyl)-propan, 1,4-Bis-(3-aminophenoxy)-benzol, 4,4'-Bis-(3-aminophenyl)-diphenylether, 4,4'-Bis-(3-amino­ phenyl)-diphenylsulfon, 4,4'-Bis-(3-aminophenyl)-diphenyl­ sulfid, 4,4'-Bis-(3-aminophenyl)-diphenylmethan, 4,4'-Bis­ (3-aminophenoxy)-diphenylether, 4,4'-Bis-(3-aminophenoxy)­ diphenylsulfon, 4,4'-Bis-(3-aminophenoxy)-diphenylsulfid, 4,4'-Bis-(3-aminophenoxy)-diphenylmethan und 2,2-Bis- [3-(aminophenoxy)-phenyl]-propan.
Erfindungsgemäß können die vor stehend erwähnten Komponenten in einem organischen Lösungsmittel umgesetzt werden, vorzugsweise unter der Bedingung, daß das Tetracarbonsäuredianhydrid im Überschuß vorhanden ist oder daß die endständigen Amin-Gruppen des Polyamids mit einem Dicarbonsäureanhydrid verkappt sind, um eine Lösung einer Polyamidsäure zu erhalten, die teilweise in ein Imid umgewandelt werden kann, solange noch ein einheit­ licher Lösungszustand aufrechterhalten bleibt. Beispiele für ein Dicarbonsäureanhydrid zum Verkappen der endständigen Amin­ gruppen des Polyimids (X) sind Phthalsäureanhydrid und dessen Substitutionsprodukt, Hexahydrophthalsäureanhydrid und dessen Substitutionsprodukt, Bernsteinsäureanhydrid und dessen Substi­ tutionsprodukt und dergleichen. Aus der Reihe der genannten Verbindungen ist Phthalsäureanhydrid besonders bevorzugt.
Zum Erhalt des erfindungsgemäßen Polyimids (X) ist es bevor­ zugt, die Umsetzung der Komponenten in dem organischen Lösungs­ mittel in folgenden Anteilen vorzunehmen. Der Anteil des einge­ setzten Diamins (als Molzahl bezogen auf die Aminogruppen) bezogen auf die Gesamtmolzahl des Säureanhydrids (als Gesamt­ molzahl des Tetracarbonsäuredianhydrids und Dicarbonsäureanhy­ drids bezogen auf die Säureanhydrid-Gruppen) beträgt bevorzugt 0,9 bis 1,0, noch besser 0,98 bis 1,0, im besonderen 0,99 bis 1,0. Der molare Anteil des zum Verkappen der endständigen Amin- Gruppen verwendeten Dicarbonsäureanhydrids bezogen auf die Säureanhydrid-Gruppen des Tetracarbonsäuredianhydrids beträgt bevorzugt bis 0,05, noch besser 0,0001 bis 0,02.
Wenn die Anteile des obengenannten Diamins und Dicarbonsäurean­ hydrids außerhalb des oben erwähnten Bereichs liegen, wird das Molekulargewicht der Polyamidsäure, nämlich des Polyimids (X), klein, und die Ablösefestigkeit des Bindemittels selbst und der Silicium-Wafer wird gemindert. Zumal bei Vorliegen der Diamin- Komponente im Überschuß kann die Polyamidsäure ein cyclisches Imid bilden, oder sie kann während der Entfernung des Lösungs­ mittels eine Verschlechterung erfahren. Als Folge hiervon können die gebondeten Wafer eine herabgesetzte Ablösefestigkeit zeigen.
Ein Polyimid mit einem ηinh-Wert [0,5 g/dl in N-Methyl-2-pyrro­ lidon (30°C)] von mindestens 0,5, im besonderen 0,5 bis 3, ist als das amorphe wärmeschmelzverklebbare Polyimid (X) für die vorliegende Erfindung bevorzugt.
Es bestehen keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Substrat-Polyimids (Y) für die vorliegende Erfindung, solange es sich um ein Polyimid mit einer hohen Temperaturbeständigkeit handelt. Derzeit hergestellte und vertriebene wärmebeständige Polyimid-Filme können verwendet werden. Insbesondere das fol­ gende Polyimid kann aufgrund seiner Dimensionsstabilität und hohen Steifigkeit als Substrat-Polyimid (Y) Anwendung finden, nämlich ein von 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid (im folgenden auch kurz s-BPDA genannt) und p-Phenylendiamin (im folgenden auch kurz PPD genannt), in gewissen Fällen zu­ sätzlich von 4,4'-Diaminodiphenylether (im folgenden auch kurz DADE genannt) erhaltenes Polyimid. Das Molverhältnis von PPD/DADE beträgt vorzugsweise 100/0 bis 70/30. Ferner kann ein von Pyromellithsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylether, in gewissen Fällen zusätzlich von p-Phenylendiamin gewonnenes Polyimid verwendet werden. Das Substrat-Polyimid (Y) kann nach einem beliebigen der im folgenden genannten Verfahren syntheti­ siert werden, solange das Verhältnis der Komponenten letztlich in dem oben erwähnten Bereich liegt statistische Polymerisa­ tion, Blockpolymerisation und Vorab-Synthese von zwei Arten von Polyamidsäuren, gefolgt von Mischen der zwei Lösungen der respektiven Polyamidsäuren unter den Reaktionsbedingungen.
Die oben erwähnten Komponenten können verwendet werden, und annähernd äquimolare Mengen der Diamin-Komponente und des Tetracarbonsäuredianhydrids können in einem organischen Lösungsmittel zur Reaktion gebracht werden, um eine Lösung einer Polyamidsäure herzustellen (ein Teil der Polyamidsäure kann imidisiert werden, solange ein einheitlicher Lösungszu­ stand aufrechterhalten bleibt).
Andere Arten von aromatischen Tetracarbonsäuredianhydriden oder aromatischen Diaminen, z. B. 3,3',4,4'-Benzophenontetracarbon­ säuredianhydrid oder 4,4'-Diaminodiphenylmethan etc., können in solchen Mengen verwendet werden, daß die physikalischen Eigen­ schaften des Polyimids (Y) nicht abträglich beeinflußt werden.
Beispiele für das organische Lösungsmittel, das bei der Her­ stellung der Polyamidsäure sowohl für das Polyimid (X) wie für das Polyimid (Y) zur Anwendung kommt, umfassen N-Methyl-2- pyrrolidon, N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, N,N-Diethylacetamid, Dimethylsulfoxid, Hexamethylphosphoramid, N-Methylcaprolactam und Cresole. Diese organischen Lösungsmit­ tel können für sich allein oder in Form einer aus mindestens zwei dieser Lösungsmittel bestehenden Mischung verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Polyimid (X) kann durch folgendes Vorgehen in einem filmartigen Zustand erhalten werden: Die aromatische Tetracarbonsäure-Komponente zur Herstellung eines amorphen Polyimids, wie 2,3,3',4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, und die aromatische Diamin-Komponente zur Herstellung eines wärmeschmelzverklebbaren Polyimids, z. B. 1,3-Bis-(4-amino­ phenoxy)-benzol, sowie, in gewissen Fällen, zusätzlich ein anderes Tetracarbonsäuredianhydrid und andere Diamine, werden in einem organischen Lösungsmittel bei einer Temperatur von bis zu ca. 100°C zur Reaktion gebracht, im besonderen bei einer Temperatur von 20 bis 60°C, um eine Lösung einer Polyamidsäure herzustellen; die Lösung der Polyamidsäure wird als Formgebungslösung verwendet, aus der ein Film der Formgebungs­ lösung gebildet wird; der Film wird einer Lösungsmittelentfer­ nung und gleichzeitig einer Imidringbildung der Polyamidsäure unterworfen oder einer Lösungsmittelentfernung durch Trocknen in dem Fall, daß die Lösung eine Lösung des Polyimids ist. Die Imidringbildung kann auch erfolgen durch entweder Erhitzen der Lösung einer wie im Vorstehenden beschrieben hergestellten Polyamidsäure bei einer Temperatur von 150 bis 250°C oder durch Zugabe eines imidbildenden Agens, Reagierenlassen bei einer Temperatur bis 150°C, im besonderen bei einer Temperatur von 15 bis 50°C, um Imidringe zu bilden, und Abdampfen des Lösungsmittels oder Ausfällen des Polyimids in einem schlechten Lösungsmittel unter Erhalt eines Pulvers.
Wenn der mehrschichtige Polyimid-Film als Bindemittel für die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommen soll, ist es bevor­ zugt, dieses mehrschichtige Polyimid-Material z. B. nach folgen­ dem Verfahren herzustellen: eine Lösung der Polyamidsäure für das Substrat-Polyimid (Y) (transparente viskose Lösung) und eine Lösung des wärmeschmelzverklebbaren Dünnschicht-Poly­ imids (X) oder dessen Vorläufers werden coextrudiert und auf eine Unterlage gegossen und aufgebracht, z. B. auf eine Edel­ stahl-Spiegelfläche oder die Oberfläche eines Bandes, um in einen halbgehärteten Zustand oder in einen dem halbgehärteten Zustand vorausgehenden getrockneten Zustand überführt zu wer­ den, unter Anwendung einer Temperatur von 100 bis 200°C.
Eine Behandlung des gegossenen Films bei Temperaturen über 200°C führt leicht zu Problemen bei der Herstellung des mehr­ schichtigen Polyimid-Films, z. B. zu einer Herabsetzung der Haftfestigkeit.
Der halbgehärtete Zustand oder der diesem vorausgehende getrocknete Zustand bedeutet, daß das gegossene und aufge­ brachte Material in einem sich selbst tragenden Zustand vor­ liegt, in dem es durch Erwärmen und/oder chemische Imidbildung teilweise geliert ist, oder in einem selbsttragenden Zustand vorliegt, der einer dem vorgenannten Zustand unmittelbar vor­ ausgehenden Stufe entspricht.
Wenn der mehrschichtige Polyimid-Film als Bindemittel für die vorliegende Erfindung verwendet wird, kann die Coextrusion der Lösung der Polyamidsäure zur Bildung des Substrat-Polyimids (Y) und der Lösung der Polyamidsäure oder des Polyimids zur Her­ stellung des wärmeschmelzverklebbaren Polyimids (X) z. B. nach dem in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 3-180343 offenbarten Coextrusionsverfahren vorge­ nommen werden, worin die Lösungen einer Düse zum Extrudieren von drei Schichten zugeführt und auf eine Unterlage gegossen werden.
Bevorzugt erfolgt die Herstellung des erfindungsgemäßen mehr­ schichtigen extrudierten Polyimid-Films nach folgender Verfah­ rensweise: eine Lösung der Polyamidsäure oder des Polyimids zur Bildung des wärmeschmelzverklebbaren Polyimids (X) wird auf beide Oberflächen der extrudierten Schicht zur Bildung des Substrat-Polyimids (Y) aufgebracht, um ein mehrschichtiges filmartiges Material zu bilden, und getrocknet; das filmartige Material wird getrocknet und einer Imidbildung unterworfen, indem es auf eine Temperatur im Bereich von der Glasübergangs­ temperatur (Tg) des Polyimids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau eintritt, vorzugsweise auf eine Temperatur bis 360°C, weiter bevorzugt auf eine Temperatur von 310 bis 360°C (Oberflächentemperatur, gemessen durch ein Oberflächenthermome­ ter) erhitzt und vorzugsweise für 1 bis 60 min bei dieser Temperatur gehalten wird.
Wenn der mehrschichtige Polyimid-Film als Bindemittel für die Erfindung verwendet wird, hat die Schicht (Lage) des Substrat- Polyimids (Y) bevorzugt eine Dicke von ca. 15 bis 25 µm. Ist die Dicke kleiner als 15 µm, können die mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität des so erhaltenen mehrschichtigen Polyimid-Films Probleme verursachen. In diesem Fall hat die wärmeschmelzverklebbare Polyimid-(X)-Schicht bevorzugt eine Dicke von 1 bis 10 µm. Wenn die Dicke kleiner ist als 1 µm, wird die Bindefähigkeit unzureichend. Auch wenn die Dicke 10 µm übersteigt, lassen sich dadurch keine spezifischen Effekte erzielen; der wärmeschmelzverklebbare Polyimid-Film kann jedoch verwendet werden. Bevorzugt macht die Dicke der von dem Substrat-Polymid (Y) gebildeten Schicht (Lage) mindestens 50% der Gesamtdicke des mehrschichtigen Films aus. Ist der Anteil kleiner als 50%, wird der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des so erhaltenen mehrschichtigen Films groß, und es entstehen Probleme in Zusammenhang mit der mechanischen Festigkeit und der Dimensionsstabilität.
Wenn der mehrschichtige Polyimid-Film für die vorliegende Erfindung verwendet wird, ermöglicht es die Wahl einer geeig­ neten Kombination von Substrat-Polyimid (Y) und wärmeschmelz­ verklebbarem Polyimid, wie vorstehend erwähnt, das Aushärten bei relativ niederen Temperaturen vorzunehmen. Dementsprechend kann die Imidbildung und Trocknung des mehrschichtigen Poly­ imid-Films ohne Verschlechterung des wärmeschmelzverklebbaren Polyimids (X) durchgeführt werden. Dies hat zur Folge, daß die Dimensionsstabilität der Polyimid-Schichten groß wird, und die Wafer können unter milden Bedingungen zusammengefügt werden, um einen gebondeten Wafer und ein Substrat mit einer hohen Ablöse­ festigkeit zu erhalten. Bevorzugt beträgt die Ablösefestigkeit mindestens 100 kgf/cm2, im besonderen mindestens 500 kgf/cm2.
Der gebondete Wafer und das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Verwendung für Bauelemente, welche durch einen Prozeß erhalten werden, der bei Temperaturen durch­ geführt wird, die niedriger sind als die Wärmebeständigkeit des Polyimids.
Beispielsweise ist das Substrat zur Herstellung eines Sensors und eines mikroelektronischen Bauelements geeignet.
Das Substrat kann für ein Substrat verwendet werden, in dem eine Verstärkerschaltung, z. B. ein Kondensator, oder eine Detektierschaltungsanordnung inkorporiert ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert.
Bezugsbeispiel 1
In einen Reaktionsbehälter wurden 1,3-Bis-(4-aminophenoxy)­ benzol, Triphenylphosphat als Stabilisator und N-Methyl-2- pyrrolidon als organisches Lösungsmittel gegeben, und zu dem Inhalt des Reaktionsbehälters wurde 2,3,3',4'-Biphenyltetra­ carbonsäuredianhydrid (1,01 Mol pro Mol des Diamins) in einem Stickstoffstrom zugegeben. Das resultierende Gemisch wurde bei einer Temperatur von bis zu 60°C über 5 Stunden reagieren gelassen, unter Erhalt einer hellbraunen transparenten viskosen Lösung einer Polyamidsäure (11 Gew.-%) zur Bildung eines amorphen wärmeschmelzverklebbaren Polyimids (X).
Bezugsbeispiel 2
Ein Ausgangsformgebungsmaterial [hergestellt unter den folgen­ den Bedingungen: 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredian­ hydrid/p-Phenylendiamin, Polyamidsäurekonzentration: 18 Gew.-%, N,N-Dimethylacetamid als organisches Lösungsmittel, zunächst bei 50°C und dann bei 25°C gehalten] für ein Substrat-Poly­ imid (Y) und ein Ausgangsformgebungsmaterial [hergestellt unter den folgenden Bedingungen: Molverhältnis von 2,3,3',4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid/1,3-Bis­ (4-aminophenoxy)-benzol: 1002 : 1000, Polyamidsäure-Konzen­ tration: 22 Gew.-%, N,N-Dimethylacetamid als organisches Lösungsmittel, Zugabe von Triphenylphosphat in einer Menge von 0,1% auf Basis der Monomeren, gehalten bei 25°C] für ein wärmeschmelzverklebbares Polyimid (X) wurden auf eine Metall­ unterlage gegossen, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Filmherstellung, die mit einer Düse zum Extrudieren von drei Schichten ausgestattet war. Das gegossene Material wurde bei 140°C getrocknet, abgelöst und bei einer Temperatur von 200 bis 310°C getrocknet, um einen dreischichtigen extrudierten Polyimid-Film mit einer Dicke von 33 µm (Aufbau der Dicke: 4 µm/25 µm/4 µm) zu erhalten.
Zusätzlich zu dem obigen Film wurde ein Polyimid-Film aus der Lösung der Polyamidsäure zur Bildung des Polyimids (X) in gleicher Weise wie oben erwähnt hergestellt. Der Kristallini­ tätsindex des Polyimid-Films wurde mittels Röntgenstrahlbeugung (Röntgenweitwinkelmessung) nach der Rowland-Methode bestimmt und zu 0% gefunden. Der Polyimid-Film hatte eine Glasüber­ gangstemperatur (Tg) von 250°C und einen ηinh-Wert [0,5 g/dl in N-Methyl-2-pyrrolidon (30°C)] von 0,75.
Beispiel 1
Der in Bezugsbeispiel 2 erhaltene 33 µm dicke dreischichtige wärmeschmelzverklebbare Polyimid-Film wurde sandwichartig zwischen zwei kommerziell erhältlichen Silicium-Wafern mit einem Durchmesser von ca 10 cm (4 Inch) angeordnet (1 Wafer (n-Typ) mit einem Flächen-Index von [110], einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 6 Ω cm, einer Dicke von 300 ± 10 µm und zwei Hauptspiegelflächen; der andere Wafer (n-Typ) mit einem Flächen-Index von [110], einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 6 Ω cm, einer Dicke von 300 ± 10 µm und zwei Hauptspiegelflächen), im Vakuum entgast, auf 300°C erhitzt und bei 300°C unter einem Druck von 50 kg/cm2 30 s lang gehalten. Die zwei Silicium-Wafer wurden so mit dem Polyimid zusammengefügt. Der so erhaltene gebondete Wafer zeigte keine Verformung.
Der Wafer wurde einer Überprüfung auf Fehlstellen unterworfen, unter Verwendung eines Ultraschallwellenbildprüfgeräts (herge­ stellt von Hitachi Ltd.), und es wurde keine durch die Fehl­ stellenprüfung detektierbare Fehlstelle beobachtet. Der Wafer zeigte eine befriedigende Ablösefestigkeit von 800 kgf/cm2 bei Messung der Ablösefestigkeit nach dem Sebastian-Verfahren.
Beispiel 2
Ein Silicium-Wafer mit einem Durchmesser von ca. 10 cm (4 Inch) (n-Typ), einem Flächen-Index von [110], einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 6 Ω cm, einer Dicke von 300 ± 10 µm und zwei Hauptspiegelflächen wurde mit dem in Bezugsbeispiel 1 erhaltenen Polyamidsäure-Lack einseitig beschichtet und wärmebehandelt (maximale Temperatur 320°C), um ein Polyimid (X)/Silicium-Wafer-Laminat mit einer Polyimid- Schichtdicke von 20 µm zu erhalten. Ein zweiter Silicium-Wafer (n-Typ) mit einem Flächen-Index von [110], einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 6 Ω cm, einer Dicke von 300 ± 10 µm und zwei Hauptspiegelflächen wurde über dem Poly­ imid (X)/Silicium-Wafer-Laminat angeordnet, wobei eine Ober­ fläche des zweiten Wafers mit dem Polyimid-Film in Berührung gebracht wurde. Die übereinander angeordneten Lagen wurden auf 300°C erhitzt, und es wurde ein Druck von 50 kg/cm2 über 30 s angewandt. Der so erhaltene gebondete Wafer zeigte keine Ver­ formung. Der Wafer wurde einer Überprüfung auf Fehlstellen mit­ tels Ultraschallwellen unterworfen, und es wurde keine durch die Fehlstellenprüfung detektierbare Fehlstelle beobachtet. Der Wafer zeigte eine befriedigende Ablösefestigkeit von 950 kgf/cm2 bei Messung der Ablösefestigkeit nach dem Sebastian-Verfahren.
Beispiel 3 und Beispiel 4
Der in Bezugsbeispiel 2 erhaltene, als Polyimid zu verwendende dreischichtige wärmeschmelzverklebbare Polyimid-Film (33 µm dick) wurde sandwichartig zwischen zwei kommerziell erhältliche Silicium-Wafer (p-Typ) mit einem Durchmesser von ca. 15 cm (6 Inch), einem Flächen-Index von [110], einer Dicke von 525 ± 25 µm und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1 bis 10 Ω cm angeordnet, im Vakuum entgast, auf 300°C erhitzt und bei 300°C unter einem Druck von 0,2 kg/cm2 (Beispiel 3) bzw. 1,0 kg/cm2 (Beispiel 4) 30 s lang gehalten, wodurch die zwei Silicium-Wafer mit dem Polyimid zusammengefügt wurden. Die so erhaltenen gebondeten Wafer zeigten keine Verformung. Die Wafer wurde einer Überprüfung auf Fehlstellen mittels Ultra­ schallwellen unterworfen, und es wurde keine durch die Fehl­ stellenprüfung detektierbare Fehlstelle beobachtet. Die Wafer zeigten eine befriedigende Ablösefestigkeit.
Beispiel 5
Eine Seite des in Beispiel 1 erhaltenen gebondeten Wafers (Silicium-Wafer mit einem Flächen-Index von [110]) wurde mit einem 200-mesh-Schleifkörper geschliffen und durch mechanisch­ chemisches Polieren bis zum Erhalt einer Spiegelfläche poliert. Das Polieren verursachte keine Probleme wie Ablösen oder Split­ tern. Der gedünnte Wafer hatte eine Dicke von 20 µm. Ein Teil der nichtpolierten Seite des so erhaltenen gebondeten Wafers wurde maskiert, strukturiert und mit einer wäßrigen Lösung von Kaliumhydroxid anisotrop geätzt, gefolgt von Abtragen des als Bindemittel verwendeten Polyimid-Films/Schicht, um ein Substrat für einen Drucksensor zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird ein Polyimid als Bindemittel verwendet, und das Polyimid und die Wafer werden fest miteinander verbun­ den. Als Folge hiervon kann ein gebondeter Wafer erhalten wer­ den, der frei von Fehlstellen ist und Gleichmäßigkeit zeigt.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Polyimid als Bindemittel ver­ wendet, und das Polyimid und die Wafer werden unter relativ milden Bedingungen miteinander verbunden, derart, daß sie eine befriedigende Ablösefestigkeit aufweisen. Als Folge hiervon kann ein gebondeter Wafer erzeugt werden, der frei von Fehl­ stellen ist und Gleichmäßigkeit zeigt.
Erfindungsgemäß wird ein Polyimid als Bindemittel verwendet, und es kann ein Substrat erhalten werden, bei dem das Polyimid und die Wafer fest miteinander verbunden sind und mit dem eine Reduzierung der Fehlstellen sowie Gleichmäßigkeit erhalten werden kann.

Claims (15)

1. Gebondeter Wafer, umfassend mindestens zwei Wafer-Lagen und ein Bindemittel, welches die Wafer-Lagen miteinander verbindet, wobei das Bindemittel eine amorphe wärme­ schmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)-Schicht allein oder ein wärmeschmelzverklebbares aromatisches Polyimid- Material umfaßt, welches eine Substrat-Polyimid-(Y)- Schicht und eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromati­ sche Polyimid-(X)-Schicht auf jeder Seite der Substrat- Polyimid-(Y)-Schicht aufweist.
2. Gebondeter Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer Silicium-Wafer sind.
3. Gebondeter Wafer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wafer zuvor hergestellte Schaltungs­ anordnungen aufweisen.
4. Gebondeter Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer zuvor gebildete Vertiefungen oder Stufen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche auf­ weisen und daß das Bindemittel ein amorphes wärmeschmelz­ verklebbares aromatisches Polyimid (X) ist, welches durch Aufbringen einer Lösung einer Polyamidsäure, Erhitzen und Unterwerfen der Beschichtung einer Lösungsmittelentfernung und Imidisierung erhalten wird.
5. Gebondeter Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeschmelzverklebbare aromati­ sche Polyimid-Material eine aromatische Polyimid-Schicht ist, welche aus 2,3,3',4'-Biphenyltetracarbonsäure, dem Dianhydrid der Säure oder einem Ester der Säure und 1,3-Bis-(4-aminophenoxy)-benzol erhalten wird.
6. Gebondeter Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablösefestigkeit mindestens 100 kgf/cm2 beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung eines gebondeten Wafers, welches die Schritte aufweist:
Sandwichartiges Anordnen einer amorphen wärmeschmelzver­ klebbaren aromatischen Polyimid-(X)-Schicht allein oder eines wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Polyimid-Mate­ rials, welches eine Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht und eine amorphe wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-(X)- Schicht auf jeder Seite der Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht aufweist, als Bindemittel zwischen wenigstens zwei Wafer- Lagen; und
Miteinanderverbinden der Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromati­ schen Polyimids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Polyimids eintritt, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-Film aus einer Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht und einer amorphen wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Polyimid-(X)-Schicht auf jeder Seite der Substrat-Polyimid-(Y)-Schicht herge­ stellt wird, unter Anwendung eines Verfahrens zur Filmher­ stellung durch Dreischicht-Extrusionsgießen unter Verwen­ dung einer Kombination von einem Extruder mit einer Düse für Dreischichtextrusion und einer Vorrichtung zur Her­ stellung eines Films durch Lösungsgießen.
9. Verfahren zur Herstellung eines gebondeten Wafers, umfassend die Schritte:
Beschichten einer Seite eines ersten Wafers mit einer Lösung einer Polyamidsäure zur Bildung eines amorphen wärmeschmelzverklebbaren aromatischen Polyimids (X) als Bindemittel,
Erhitzen der aufgebrachten Lösung zum Zweck der Entfernung des Lösungsmittels und Herbeiführen der Imidisierung, um eine wärmeschmelzverklebbare aromatische Polyimid-Schicht zu erhalten,
Anordnen eines zweiten Wafers über dem ersten Wafer und
Miteinanderverbinden dieser Wafer-Lagen bei einer Temperatur im Bereich von der Glasübergangstemperatur des aromatischen Polyimids (X) bis zu der Temperatur, bei der ein Abbau des Polyimids eintritt, und unter einem Druck von 0,1 bis 100 kg/cm2.
10. Substrat, welches dadurch hergestellt wird, daß eine Ober­ fläche des gebondeten Wafers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 wenigstens einem der folgenden Prozesse, nämlich Schleifen, Polieren oder Ätzen, unterworfen wird.
11. Substrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gebondete Wafer, der durch Zusammenfügen von Wafern erhal­ ten wurde, die zuvor hergestellte Schaltungsanordnungen aufweisen, einer Bearbeitung unterzogen wird.
12. Substrat nach Anspruch 10, welches dadurch hergestellt wird, daß die Dicke und Größe des Substrats reduziert wird, wobei das Substrat mit Schaltungsanordnungen versehen ist.
13. Substrat, welches dadurch hergestellt wird, daß eine Ober­ fläche des gebondeten Wafers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 um einen vorbestimmten Betrag abgetragen wird, so daß der Wafer eine SOI-Struktur aufweist.
14. Substrat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der gebondete Wafer, der durch Zusammenfügen von Wafern erhal­ ten wurde, die zuvor hergestellte Schaltungsanordnungen aufweisen, einer Bearbeitung unterzogen wird.
15. Substrat nach Anspruch 13, welches dadurch hergestellt wird, daß die Dicke und Größe des Substrats reduziert wird, wobei das Substrat mit Schaltungsanordnungen versehen ist.
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