2. Waferbonden

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2. Waferbonden Siliziumoberfläche ist dann, abgesehen von wenigen Siliziumfluorid-Bindungen (Si F), im wesentlichen mit Wasserstoff abgesättigt (siehe Abb. 2.1 (b)). Eine solche Oberfläche ist stark wasserabweisend (hydrophob). Durch geeignete chemische oder thermische Behandlungen ist es möglich, nahezu jede Oberfläche hydrophil oder hydrophob zu gestalten. Eine einfache Methode zur Unterscheidung hydrophiler und hydrophober Oberflächen bietet die Kontaktwinkelmessung eines Wassertropfens. Während der Wassertropfen auf einer hydrophilen Oberfläche einen sehr kleinen Kontaktwinkel ( 15 Æ ) bildet, ist er auf einer hydrophoben Oberfläche sehr groß ( 60 Æ ) [20, 21]. Abschließend sei noch erwähnt, daß es neben dem direkten Waferbonden noch andere Verbindungs- bzw. Kontaktierungstechnologien gibt, wie beispielsweise Kleben, Löten, eutektisches Bonden, Drahtbonden oder auch anodisches Bonden, welche jedoch bezüglich ihrer Voraussetzungen an die zu bondenden Materialien weit weniger empfindlich sind und nicht auf den Adhäsionskräften zwischen den Bondoberflächen selbst beruhen. Entsprechend den spezifischen technologischen Anforderungen lassen sich so die verschiedensten Materialien sowohl großflächig als auch im Mikrostrukturbereich verbinden [22, 23]. 2.2. Voraussetzungen für das Waferbonden Da die Reichweiten der beschriebenen atomaren Wechselwirkungskräfte sehr begrenzt sind, ist es nötig, die zu bondenden Wafer großflächig so dicht wie möglich in Kontakt zu bringen. Um dies zu erreichen, dürfen die polierten Oberflächen spezifische Grenzwerte bezüglich ihrer Durchbiegung, Welligkeit und Mikrorauhigkeit nicht überschreiten. Untersuchungen zum Bondverhalten von Siliziumwafern haben gezeigt, daß sich die Wafer während des spontanen Bondprozesses elastisch deformieren und sich dabei bis zu einem bestimmten Grad (abhängig von der Dicke der zu bondenden Wafer bis zu einigen m) entsprechend der gegebenen Oberflächenmorphologie anpassen [24]. Bei einer zu großen Inhomogenität der Oberflächenglätte verbleiben lokal ungebondete Bereiche, sogenannte Grenzflächenblasen, in der Grenzfläche. In theoretischen Berechnungen konnte eine Relation zwischen dem Abstand beider Wafer Ö (als Folge der Welligkeit der Oberflächen) und der daraus resultierenden lateralen Ausdehnung Ð des ungebondeten Bereiches bestimmt werden [25]. Unter den Voraussetzungen, beide Wafer hätten die gleiche Dicke und für Ð gelte Ð ¡ , sind die Wafer komplett gebondet, wenn die Ungleichung Ö Ð ¾ Õ ¿ ¡ ¼ ¡ ¿ (2.1) erfüllt ist, wobei ¼ ´½ ¾ µ, das Elastizitätsmodul, die Poisson-Zahl und die Oberflächenenergie ist (siehe dazu Abb. 2.2 (a)). Für den Fall, daß Ð ¡ ist, muß 6
2.2. Voraussetzungen für das Waferbonden Ö ½ ¡ × Ð ¡ ¼ (2.2) gelten, damit ein Verbleib von Grenzflächenblasen durch die Welligkeit verhindert wird (Abb. 2.2 (b)). Eine detailliertere Betrachtung der Grenzflächenblasen ist im Abschnitt 2.5 Grenzflächenblasen zu finden. Die in dieser Arbeit verwendeten Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 100 mm, einer Dicke von etwa 0,5 mm und einer Welligkeit im Bereich zwischen 1 bis 3 m genügen den erforderten Bedingungen an die Oberflächenglätte. r r d d l (a) Grenzflächenblasen l (b) Abbildung 2.2.: Schematische Darstellung der durch die Oberflächenwelligkeit verursachten Grenzflächenblasen für (a) Ð ¡ und (b) Ð ¡ [2] Neben der makroskopischen Ebenheit der Oberflächen ist jedoch auch eine mikroskopische Glattheit erforderlich. Abhängig vom Typ der Oberfläche und deren Vorbehandlung (reines Silizium, Oxid, Nitrid, chemomechanisches Polieren, chemische Reinigung usw.) ist ab einer mittleren Mikrorauhigkeit Ö Õ 0,5 nm (rms-Wert) prinzipiell ein spontanes Bonden möglich [26, 27]. Bei höheren Rauhigkeitswerten ist das Waferbonden nur in speziellen Fällen unter speziellen Randbedingungen beispielsweise erhöhtem Druck durchführbar, resultiert jedoch oftmals in deutlich geringeren Bindungsenergien des Bondverbandes. Eine ausführliche theoretische Betrachtung des Zusammenhangs zwischen Adhäsionskraft und Mikrorauhigkeit einer Oberfläche kann in einer Publikation von Gui [28] nachvollzogen werden. Die meisten handelsüblichen prime grade“ Siliziumwafer haben im Mittel eine ” Mikrorauhigkeit Ö Õ 0,3 nm und erfüllen damit die Anforderungen sehr gut. Ebenfalls von Wichtigkeit ist die Reinheit der Oberflächen. So verursacht beispielsweise ein zur Vereinfachung als Kugel angenommenes Partikel mit einem Durchmesser von nur 1 m auf der Oberfläche eines zu bondenden Wafers in der Grenzfläche eine etwa 1 cm große Blase, die nicht mehr durch elastische Deformationen der Wafer geschlossen werden kann. Unglücklicherweise treten in der Atmosphäre eine Vielzahl von Staubpartikeln mit weitaus größeren Abmessungen auf. In ähnlicher Weise wirken sich Oberflächenkratzer auf 7
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