2. Waferbonden
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2. Waferbonden 5nm ¾ und je einer Wasserstoffbrückenbindung (20 bis 40 kJ/mol [18]) pro Silanol-Gruppe eine Bondenergie von etwa 0,08 - 0,16 J/m ¾ erreicht wird [3]. Die experimentell ermittelten Bondenergien für raumtemperaturgebondete Waferpaare liegen im Bereich zwischen 0,1 und 0,15 J/m ¾ und bestätigen die theoretischen Werte damit gut. Während der Wärmebehandlung kommt es nun zu temperaturabhängigen Umwandlungsprozessen in der chemischen und physikalischen Struktur der Bondgrenzfläche. So nimmt ab einer Temperatur von etwa 100 bis 150 Æ C die Diffusion der Wassermoleküle entlang der Grenzfläche und in das Oxid hinein drastisch zu. Gelangt das Wasser in das Oxid bzw. dringt es bis zum reinen Silizium vor, findet eine Reaktion mit dem Silizum entsprechend der Reaktionsgleichung Ë · ¾À ¾ Ç µ ËÇ ¾ · ¾À ¾ (2.3) statt, bei der neben molekularem Wasserstoff neues Oxid gebildet wird. Durch die Abdiffusion der Grenzflächenwassermoleküle gelangen die Silanol-Gruppen der gegenüberliegenden Oxidoberflächen näher aneinander, bis sie schließlich miteinander reagieren (kondensieren) können und unter Abspaltung eines Wassermoleküls eine kovalente Siloxan- Verbindung (Si O Si) bilden (siehe Abb. 2.6 (b)) [19] Ë ÇÀ · ÇÀ Ë ´µ Ë Ç Ë · À ¾ Ç (2.4) Daraus resultierend steigt die Bondenergie an (siehe Abb. 2.7). Ab einer Temperatur von etwa 200 Æ C stoppt diese Zunahme, und es bildet sich ein Plateau nahezu konstanter Bondenergie (zwischen 1,0 und 1,2 J/m ¾ ) bis hin zu Temperaturen um 700 bis 800 Æ C. Bei etwa 800 Æ C hat die Viskosität des Siliziumoxids einen Punkt erreicht, der ein Fließen möglich macht, so daß die durch die Mikrorauhigkeit der Waferoberflächen bedingten ungebondeten Grenzflächenbereiche sogenannte Mikrolücken geschlossen werden können. Auf diese Weise kommt es zur Reaktion der noch verbliebenen Silanol-Gruppen, wodurch weitere Siloxan-Verbindungen gebildet werden und die Bondenergie erneut ansteigt (siehe dazu nochmals Abb. 2.7). Das Resultat dieser letzten Veränderung der Grenzfläche ist eine komplett geschlossene amorphe Oxidschicht, wie sie in Abbildung 2.6 (b) schematisch dargestellt ist. Bei genauerer Betrachtung der einzelnen Abläufe der Umwandlungs- und Umstrukturierungsprozesse werden jedoch Unterschiede in den verschiedenen Modellansätzen deutlich. Während das Modell von Tong et al. [41], der oben beschriebenen Darstellung folgend, bereits bei Temperaturen ab etwa 110 Æ C eine Umwandlung von Silanol-Gruppen in Siloxan-Gruppen postuliert, sieht das Modell von Stengl et al. [40] diesen Prozeß erst ab Temperaturen über 800 Æ C vor. Entsprechend unterscheiden sich auch die theoretisch berechneten maximalen Bindungsenergien in den verschiedenen Temperaturbereichen. 14
2.5. Grenzflächenblasen 3.5 3.5 3.0 hydrophil 3.0 Bondenergie [J/m 2 ] 2.5 2.0 1.5 1.0 hydrophob 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.5 0.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Temperatur der Wärmebehandlung [°C] Abbildung 2.7.: Steigerung der Bondenergie mit Zunahme der Temperatur der Wärmebehandlung für hydrophil und hydrophob gebondete Siliziumwaferpaare [2] 0.0 Beispielsweise gehen Stengl et al. im Bereich von 200 bis 800 Æ C von einer maximalen Bondenergie = 0,6 J/m ¾ aus. Im Modell von Tong et al. sind es = 1,67 J/m ¾ . Hydrophobes Waferbonden Im Falle eines hydrophob gebondeten Waferpaares sind die an der Bondgrenze ablaufenden Prozesse wegen der nahezu vollständig mit Wasserstoff abgesättigten Oberflächen nur durch die Van der Waals-Wechselwirkungen zwischen eben jenen Wasserstoffatomen und den oberflächennahen Siliziumatomlagen sowie der Desorption der Wasserstoffatome von den Oberflächen ab etwa 400 Æ C zu beschreiben. Die nach der Desorption frei beweglichen Wasserstoffmoleküle können nun in das Silizium eindiffundieren, entlang der Bondgrenzfläche aus dem Waferpaar ausdiffundieren oder aber an Nukleationskeimen vorzugsweise organischen Verunreinigungen, die durch das Bonden in der Grenzfläche mit eingeschlossen wurden Grenzflächenblasen bilden. Ab etwa 400 Æ C setzt auch eine deutliche Steigerung der Bondenergie ein (siehe Abb. 2.7), deren Ursache in der Formierung von Si Si-Bindungen aus den an der Grenzfläche ungesättigt gegenüberliegend verbleibenden Siliziumatomen liegt. Im Gegensatz zu hydrophil gebondeten Waferpaaren verbleibt in hydrophob gebondeten Waferpaaren im Bereich der Bondgrenze nur eine Korngrenze mit entsprechenden lokalen Verzerrungen. 2.5. Grenzflächenblasen Wie bereits im Vorfeld beschrieben, können bei unzureichender Reinheit der zu bondenden Oberflächen Blasen an der Grenzfläche des Waferpaares auftreten. Dabei muß zwischen den sofort nach dem Bonden beobachtbaren Blasen und den im Laufe der Wärmebehandlung bzw. in einer längeren Lagerung entstandenen Blasen unterschieden werden. Blasen, deren Lage in der Grenzfläche durch einen Druck auf die entsprechende Position verändert werden 15
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5nm ¾ und je einer Wasserstoffbrückenbindung (20 bis 40 kJ/mol [18]) pro Silanol-Gruppe<br />
eine Bondenergie von etwa 0,08 - 0,16 J/m ¾ erreicht wird [3]. Die experimentell ermittelten<br />
Bondenergien für raumtemperaturgebondete Waferpaare liegen im Bereich zwischen 0,1<br />
und 0,15 J/m ¾ und bestätigen die theoretischen Werte damit gut.<br />
Während der Wärmebehandlung kommt es nun zu temperaturabhängigen Umwandlungsprozessen<br />
in der chemischen und physikalischen Struktur der Bondgrenzfläche. So nimmt<br />
ab einer Temperatur von etwa 100 bis 150 Æ C die Diffusion der Wassermoleküle entlang<br />
der Grenzfläche und in das Oxid hinein drastisch zu. Gelangt das Wasser in das Oxid bzw.<br />
dringt es bis zum reinen Silizium vor, findet eine Reaktion mit dem Silizum entsprechend<br />
der Reaktionsgleichung<br />
Ë · ¾À ¾ Ç µ ËÇ ¾ · ¾À ¾ (<strong>2.</strong>3)<br />
statt, bei der neben molekularem Wasserstoff neues Oxid gebildet wird. Durch die<br />
Abdiffusion der Grenzflächenwassermoleküle gelangen die Silanol-Gruppen der gegenüberliegenden<br />
Oxidoberflächen näher aneinander, bis sie schließlich miteinander reagieren<br />
(kondensieren) können und unter Abspaltung eines Wassermoleküls eine kovalente Siloxan-<br />
Verbindung (Si O Si) bilden (siehe Abb. <strong>2.</strong>6 (b)) [19]<br />
Ë ÇÀ · ÇÀ Ë ´µ Ë Ç Ë · À ¾ Ç (<strong>2.</strong>4)<br />
Daraus resultierend steigt die Bondenergie an (siehe Abb. <strong>2.</strong>7). Ab einer Temperatur<br />
von etwa 200 Æ C stoppt diese Zunahme, und es bildet sich ein Plateau nahezu konstanter<br />
Bondenergie (zwischen 1,0 und 1,2 J/m ¾ ) bis hin zu Temperaturen um 700 bis 800 Æ C.<br />
Bei etwa 800 Æ C hat die Viskosität des Siliziumoxids einen Punkt erreicht, der ein Fließen<br />
möglich macht, so daß die durch die Mikrorauhigkeit der Waferoberflächen bedingten<br />
ungebondeten Grenzflächenbereiche sogenannte Mikrolücken geschlossen werden<br />
können. Auf diese Weise kommt es zur Reaktion der noch verbliebenen Silanol-Gruppen,<br />
wodurch weitere Siloxan-Verbindungen gebildet werden und die Bondenergie erneut<br />
ansteigt (siehe dazu nochmals Abb. <strong>2.</strong>7). Das Resultat dieser letzten Veränderung der<br />
Grenzfläche ist eine komplett geschlossene amorphe Oxidschicht, wie sie in Abbildung <strong>2.</strong>6<br />
(b) schematisch dargestellt ist.<br />
Bei genauerer Betrachtung der einzelnen Abläufe der Umwandlungs- und Umstrukturierungsprozesse<br />
werden jedoch Unterschiede in den verschiedenen Modellansätzen<br />
deutlich. Während das Modell von Tong et al. [41], der oben beschriebenen Darstellung<br />
folgend, bereits bei Temperaturen ab etwa 110 Æ C eine Umwandlung von Silanol-Gruppen<br />
in Siloxan-Gruppen postuliert, sieht das Modell von Stengl et al. [40] diesen Prozeß erst<br />
ab Temperaturen über 800 Æ C vor. Entsprechend unterscheiden sich auch die theoretisch<br />
berechneten maximalen Bindungsenergien in den verschiedenen Temperaturbereichen.<br />
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