SB_13.554B_LP

2004
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Sicherung der Ausbeute
und Zuverlässigkeit
industriell gefertigter
direkt wafergebondeter
mikromechanischer
Sensoren

Sicherung der Ausbeute und
Zuverlässigkeit industriell
gefertigter direkt wafergebondeter
mikromechanischer
Sensoren
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.554 B
DVS-Nr.: 10.037
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-
Institut für Zuverlässigkeit und
Mikrointegration
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.554 B / DVS-Nr.: 10.037 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 68
Bestell-Nr.: 170177
ISBN: 978-3-96870-067-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Zusammenfassung
Inhalt
1 Zusammenfassung 3
2 Einleitung 4
3 Entwicklung von Waferbondverfahren bei niederen Temperaturen 5
3.1 Herstellung der Teststrukturen 5
3.2 Auswahl geeigneter Aktivierungsvarianten 6
3.3 Ergebnisse nach dem Tempern: 7
3.4 Ergebnisse nach dem Tempern und Trennschleifen: 7
3.5 Bewertung der Bondverbindungen am IZM 8
3.6 Schlussfolgerungen 10
4 Charakterisierung der mechanischen Grenzflächeneigenschaften 10
4.1 Mikro-Chevron-Test 10
4.1.1 Finite Elemente Simulation 11
4.1.2 Testdurchführung 14
4.1.3 Ergebnisse 16
4.2 Bondrahmen 17
5 Einfluss von Strukturierungsprozessen 19
5.1 Probenherstellung 19
5.2 Beschreibung des Spannungszustandes an Kerbspitzen 21
5.3 Festigkeitsmessungen 22
5.3.1 Einfluss der Auslagerungstemperatur 24
5.3.2 Einfluss des Ätzwinkels bei einer einseitigen Strukturierung 24
6 Weitere Arbeiten 27
6.1 Neue Materialien 27
6.2 Herstellung elektrischer Durchkontaktierungen mittels Silizium Direkt Bonden bei
niederen Temperaturen 28
7 Veröffentlichungen 29
8 Literatur 30
Anhang A 31
Fraunhofer IWM
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Einleitung
2 Einleitung
Das Forschungsvorhaben ist auf die Entwicklung von innovativen Konzepten gerichtet, die fertigungsbegleitend
zur Sicherung und Erhöhung der Marktfähigkeit von industriell eingesetzten wafergebondeten Mikrosystemen
beitragen.
Das Vorhaben konzentriert sich des weiteren auf die Entwicklung von neuen Bondtechnologien im besonderen
im Niedertemperaturbereich sowie der mechanischen Bewertung der Festigkeit und Lebensdauer der
wafergebondeten Komponenten. Das durchgeführte Projekt umfasst folgende wissenschaftlich-technische
Ziel:
1. Entwicklung eines geeigneten, beim direkten Waferbonden einsetzbaren und in die industrielle Produktion
integrierbaren Prüfverfahrens mit deutlich verbesserter Genauigkeit und Aussagefähigkeit auf
der Basis des Mikro-Chevron-Tests, geeignet für die Technologiebewertung und Qualitätssicherung bei
der Fertigung mikromechanischer Bauteile
2. Entwicklung von verallgemeinerbaren Bewertungskriterien für den Einfluss von Strukturierungsprozessen
(Ätzprozess, Ätzstruktur, Wechselwirkung mit der Plasmaaktivierung, Maskenversatz und Waferjustage)
auf die Belastbarkeit der Bondverbindung in Wechselwirkung mit der Prozessführung beim
Si-Si-Bonden,
3. Entwicklung eines geeigneten betrieblich anwendbaren Mess- und Bewertungsverfahrens für die Zuverlässigkeit
und Lebensdauer belasteter direkt wafergebondeter Bauteile, Bestimmung von Zuverlässigkeitskennwerten
und –daten für relevante Bondverfahren
4. Entwicklung eines werkstoffmechanisch begründeten Konzepts für die Qualitätssicherung beim Si-Si-
Waferbonden
5. Integration neuer Oberflächenmaterialien in den Waferbondprozess
6. Optimierung und Weiterentwicklung des Niedertemperatur-Silizium-Direktbondens in Bezug auf technologische
Parameter (Prozessfenster) für eine hohe Ausbeute, Zuverlässigkeit und Prozesskompatibilität
zur bestehenden Siliziumtechnologie
Fraunhofer IWM
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Entwicklung von Waferbondverfahren bei niederen Temperaturen
3 Entwicklung von Waferbondverfahren bei niederen Temperaturen
3.1 Herstellung der Teststrukturen
Für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften wurde eine Testmaske für einen 6´´-Wafer entworfen
welche sowohl Mikro-Chevron-Proben (MC) und Bondrahmenstrukturen enthält. Mit Hilfe der MC-Proben ist
eine Bestimmung der Bruchzähigkeit oder Grenzflächenenergie der gebondeten Grenzfläche möglich. Mit
den Bondrahmenstrukturen läst sich die Sägeausbeute und die Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Testproben-
und Bondrahmengröße ermitteln. Die entworfenen Probenstrukturen wiesen Kantenabmaße auf,
die in der Größenordnung typischer mikromechanischer Bauteile liegen. Um verschiedenen Probengrößen
auf einem 6´´ Wafer zu integrieren, wurde die Maske in vier Quadranten aufgeteilt. Der Waferverbund
wurde nach dem Bonden dann zunächst geviertelt und anschließend wurden die Viertel entsprechen der
vorhanden Probengröße vereinzelt. Die Größe der Probengröße betrug 5,0 x 5,0 mm 2 , 3,0 x 3,0 mm 2 , 2,5 x
2,5 mm 2 bzw. 1,5 x 1,5 mm 2 . Die Abbildung 1 zeigt beispielhaft eine Infrarottransmissionsaufnahmen der
Grenzfläche eines gebondeten Waferpaares mit den Teststrukturen.
Abbildung 1:
Infrarotaufnahme der
Grenzfläche eines gebondeten
Testwafer mit unterschiedlichen
Bei der Fertigung der Testwafer mussten die Wafer von beiden Seiten strukturiert werden. In die Wafervorderseite
wurden die Bondrahmen und die Chevronstrukturen als erhöhte Strukturen geätzt. Von der
Waferückseite wurde in jedes Chip ein Belüftungsloch eingebracht, um während der Bondtemperung einen
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Entwicklung von Waferbondverfahren bei niederen Temperaturen
Druckausgleich für die eingeschlossene Atmosphäre zu schaffen. Die notwendigen technologischen Schritte
sind nachfolgend dargestellt.
• Erzeugung der Markensysteme durch Si-Ätzen 1µm
• Herstellung der Maskierung der Ätzgebiete
• Si-Trockenätzen zur Herstellung der Strukturen 10µm
• Erneute Maskierung mit Oxid und Nitrid
• Herstellung der Belüftungslöcher von der Rückseite mittels KOH-Ätzen
• Maskierung entfernen
• Anodisches Bonden
• Vereinzeln erst in Quadranten und dann in Chips
Abbildung 2 zeigt die erzeugten Teststrukturen im gebondeten Zustand. Es kann eingeschätzt werden, dass
die Bondungen erfolgreich durchgeführt werden konnten. Die Wafer wurden nach dem Vereinzeln an dem
Projektpartner FhG IWM zur Charakterisierung bereitgestellt.
Abbildung 2:
Strukturen zum Test des
Silizium Direkt Bondens
Links: Belüftungslöcher von
der Waferrückseite aus
betrachtet
Rechts: Unterschiedlich
breite Bondrahmenstrukturen
von der wafervorderseite
betrachtet
3.2 Auswahl geeigneter Aktivierungsvarianten
Spezifische Anforderungen an die Bondtechnologie sind die Herstellung der Bondverbindung mit blanken Siliziumsubstraten
bzw. auch das Bonden über isolierende Zwischenschichten am Bondinterface (vorzugsweise
thermisches Oxid und/oder LPCVD-Nitrid bzw. auch PE-Oxide und PE-Nitride). Die Bondvorbehandlung
muss gewährleisten, dass bestimmte Metallschichten, die als Metallisierungs- und Leitbahnebenen eingesetzt
werden nicht zerstört werden. Ein typisches Material hierfür ist Aluminium, welches bei der Vorbehandlung
nicht zerstört oder angegriffen werden sollte. Für den Einsatz im Projekt wurden eine Reihe von
nasschemischer und plasmachemischer Vorbehandlungen sowie deren Kombinationen untersucht und die
Oberflächenenergiedichten über die Spaltmethode bestimmt. Die einzelnen Vorbehandlungsarten und deren
chemische Zusammensetzung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Für die Wahl der geeignetsten Vorbehandlung
wurden auch Kombinationen der genannten Vorbehandlungen bewertet.
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