2. Waferbonden

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2. Waferbonden können, sind hauptsächlich Lufteinschlüsse, die während des Ausbreitens der Bondwelle gebildet wurden. Derartige Einschlüsse können durch einen leichten Druck auf die Oberfläche des Waferpaares an dessen Rand und schließlich aus dem Waferpaar herausgepreßt werden. Lassen sich die Blasen nicht aus der Grenzfläche treiben, sind diese in der Regel auf eingeschlossene Partikel oder topographische Oberflächenstrukturen zurückzuführen (siehe 2.2 Voraussetzungen für das Waferbonden). Während der Wärmebehandlung formierte Blasen haben ihren Ursprung in Grenzflächengasen. Abbildung 2.8 zeigt am Beispiel zweier IR-Transmissions-Bilder eines gebondeten und wärmebehandelten Waferpaares die typischen Ausmaße der zu beobachtenden Grenzflächenblasen. (a) (b) Abbildung 2.8.: IR-Transmissions-Bilder eines (a) raumtemperaturgebondeten und (b) bei 400 Æ Cwärmebehandelten Siliziumwaferpaares (100 mm Durchmesser), dunklere kreisförmige Strukturen zeigen ungebondete Bereiche der Grenzfläche Grenzflächenblasen In einem thermodynamischen Modell zur Erklärung der Bildung und des Wachstums von Grenzflächenblasen wurde vorgeschlagen, daß im wesentlichen von den Oberflächen stammende, frei bewegliche gasförmige Kohlenwasserstoffmoleküle, die selbst in extrem sauberen Reinigungsprozeduren nicht verhindert werden können, als Nukleationskeime in Frage kommen [29, 44]. Überschreitet der durch eine lokale Molekülansammlung entstehende Gasdruck einen kritischen Wert, können die Adhäsionskräfte zwischen den gebondeten Wafern überwunden werden, und die Formierung einer Blase beginnt. Aus diesen Betrachtungen heraus läßt sich ein kritischer Radius für die Bildung einer Blase berechnen. Im weiteren Verlauf setzt ein Wachstum der Blase durch Anlagerungen von Wasserstoffmolekülen, welche als Reaktionsprodukte der chemischen Umwandlungsprozesse an der Grenzfläche entstanden (typischerweise zwischen 100 und 800 Æ C), ein. Bei hohen Blasendichten können zusätzlich Ostwald-Reifungsprozesse eine Rolle spielen. In den meisten Fällen führt eine Wärmebehandlung bei 1000 Æ C zur kompletten Auflösung der Grenzflächenblasen. Massenspektrometrische Untersuchungen der in strukturiert gebondeten Waferpaaren eingeschlossenen Gase haben gezeigt, daß bis zu Temperaturen von 700 Æ C sowohl in hydro- 16
2.6. Anwendungen philen als auch in hydrophoben Waferpaaren neben untergeordneten Mengen an Wasser, Kohlenwasserstoffverbindungen und Stickstoff hauptsächlich Wasserstoff zu finden ist [45]. Im Fall hydrophil gebondeter Waferpaare entsteht der Wasserstoff durch eine chemische Reaktion zwischen Wasser und dem Silizium-Basismaterial entsprechend Gleichung (2.3), wobei das notwendige Wasser auch bei Temperaturen bis zu 700 Æ C als Folge der Reaktion zweier Silanolgruppen zu einer Siloxangruppe freigesetzt wird (siehe auch 2.4 Theoretische Modelle). In hydrophob gebondeten Waferpaaren verbleibt bei der Ausbildung kovalenter Siliziumbindungen zwischen den wasserstoffgesättigten Oberflächen ebenfalls Wasserstoff Ë À · À Ë µ Ë Ë · À ¾ (2.5) 2.6. Anwendungen Prinzipiell lassen sich nach dem beschriebenen Modell nahezu alle Materialien in verschiedenen Kombinationen atomar verbinden. In der Realität ist das Waferbonden gegenwärtig jedoch nur für ausgewählte Stoffe und in den meisten Fällen auch nur für Verbindungen von Materialien gleichen Typs möglich. Schwierigkeiten liegen dabei vor allem in der Herstellung extrem reiner und glatter Oberflächen. Zudem ist der Temperaturbereich für eine Wärmebehandlung durch die teilweise stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der verschiedenen Materialien oftmals eingeschränkt. Daher überrascht es nicht, daß, abgesehen von einzelnen Ausnahmen, die Waferbond-Technologie hauptsächlich in der auf Siliziumbasis arbeitenden Halbleiterelektronik und Mikrosystemtechnik eingesetzt wird [2,3,4]. Generell läßt sich das Waferbonden überall dort einsetzten, wo eine atomare Verbindung zweier Oberflächen ohne den Nachteil einer an der Grenzfläche verbleibenden Kleberschicht erwünscht ist, wie eben beispielsweise in der Mikrosystemtechnik. Auch lassen sich Klebeverbindungen oftmals nicht beliebig aufheizen. Hinzu kommt der Vorteil, Hohlraumstrukturen in den gebondeten Waferpaaren auf atomarer Ebene vakuumdicht einschließen zu können, was beispielsweise für die Produktion von Druck- und Beschleunigungssensoren von besonderem Interesse ist. Im Zuge der nutzungsspezifischen Gestaltung der Bauelemente in der Mikrosystemtechnik, vorzugsweise durch photolithographische Prozesse, befinden sich nicht selten einzelne Schichten oder ganze Schichtsysteme, wie etwa thermisch gewachsene Oxide oder CVD-abgeschiedene Oxide, Nitride und Oxinitride, auf den zu bondenden Waferoberflächen. Da eine Ablösung dieser Schichten für die Waferbondtechnologie oftmals mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden ist, wurden verschiedene chemomechanische Polierprozesse (chemomechanical polishing - CMP) entwickelt bzw. verbessert, so daß auch eine atomare Verbindung derartiger Schichten bzw. Schichtsysteme möglich wurde [38, 47]. Den derzeit bedeutendsten Anwendungsbereich stellt wohl die Produktion von SOI-Wafern (silicon on insulator - SOI) dar [46]. Werden oxidierte Siliziumwafer gebondet und wärmebehandelt, erhält man einen Halbleiterverbund, der durch eine isolierende Oxidschicht getrennt ist. Nachdem einer der beteiligten Wafer auf wenige m abgedünnt wurde (mittels 17
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