2. Waferbonden

2. Waferbonden
die Wafer eine oberflächenspezifische Reinigungsprozedur durchlaufen haben, werden sie in
Kontakt gebracht. Durch Adhäsionskräfte zusammengehalten, ist für eine Trennung des so
gebondeten Waferpaares eine Energie von bis zu 0,2 J/m ¾ nötig [16]. In einer nachfolgenden
Wärmebehandlung unter definierten Bedingungen kommt es zu einer Umbildung der
Bondgrenzfläche, bei der sich kovalente Bindungen ausbilden. Entsprechend der Dauer
der Wärmebehandlung und der Höhe der Temperatur werden dabei Bindungsenergien
von bis zu 2,5 J/m ¾ erreicht [16]. Die orientierungsabhängige Bindungsenergie des reinen
Siliziumkristalls beträgt vergleichsweise etwa 2,5 J/m ¾ (maximal in 100-Richtung) [17].
Schließlich erhält man, abhängig von den ursprünglichen Oberflächeneigenschaften und den
Randbedingungen während der Wärmebehandlung, ein Waferpaar mit einer spezifischen
Grenzschicht, das auf Grund seiner hohen Bondenergie einer weiteren mechanischen
Präparation zugeführt werden kann.
Die Verbindung zweier extrem glatter und sauberer Siliziumwafer beruht auf den
Adhäsionskräften, hervorgerufen durch atomare Wechselwirkungen der an der Oberfläche
befindlichen Spezies sowie den oberflächennahen Atomlagen des Festkörperkristalls.
Dabei setzen sich die Adhäsionskräfte, je nach den Eigenschaften der Oberfläche und den
Umgebungsbedingungen, zu einem unterschiedlichen Grad aus Van der Waals-Wechselwirkungskräften,
elektrostatischen Coulomb-Wechselwirkungskräften und kapillaren
Wechselwirkungskräften zusammen [2]. Beim Waferbonden wird im allgemeinen davon
ausgegangen, daß die Van der Waals-Wechselwirkung die treibende Kraft ist.
Van der Waals-Wechselwirkungen beschreiben die Kräfte, welche von polarisierten
bzw. polarisierbaren Atomen oder Molekülen auf ihre nächste Umgebung ausgeübt werden.
Der Ursprung dieser Wechselwirkungskräfte liegt in den elektrischen Dipolen der Atome
bzw. Moleküle, die je nach ihrer Anordnung anziehend oder abstoßend wirken können.
Zwischen folgenden Wechselwirkungen muß dabei unterschieden werden:
¯ Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen zwei polaren Atomen bzw. Molekülen,
¯ Dipol-induzierten Wechselwirkungen zwischen einem polaren und einem nichtpolaren
Atom bzw. Molekül und
¯ dispersen Wechselwirkungen zwischen zwei nicht-polaren Atomen bzw. Molekülen.
In allen drei Fällen nehmen die Wechselwirkungskräfte Ï mit dem Abstand der beteiligten
Partner entsprechend Ö ab. Betrachtet man jedoch die Van der Waals-Wechselwirkungen
zwischen zwei Oberflächen, so müssen die Einflüsse der umgebenden Atome bzw. Moleküle
mit berücksichtigt werden, wodurch sich die Reichweite der Kräfte wesentlich erhöht. Die
Proportionalität zum Abstand beträgt nunmehr Ï » Ö ¿ [2].
Eine spezielle Form der Van der Waals-Wechselwirkung stellt die vergleichsweise starke
Wasserstoffbrückenbindung“ dar, bei der ein Wasserstoffatom eines polaren Moleküls mit
”
einem elektronegativen Atom eines benachbarten oder desselben Moleküls wechselwirkt.
Das wohl bekannteste Beispiel für die Wasserstoffbrückenbindung ist im Wasser selbst realisiert.
Infolge des stark negativ polarisierten Sauerstoffatoms erhalten die Wasserstoffatome
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