2. Waferbonden

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2. Waferbonden die Qualität der Fügegrenzfläche aus. Auch diese vergleichsweise hohen Stufenstrukturen können nicht durch die Verbiegung der Wafer geschlossen werden. Aber auch eine Kontamination der Oberfläche auf molekularer Ebene, wie etwa durch angelagerte Kohlenwasserstoff- oder Metallverbindungen, sollte verhindert werden. Zwar haben derartige Oberflächenverschmutzungen nur einen geringen Einfluß auf das spontane Bondverhalten der Wafer (Bondwellengeschwindigkeit kann sich reduzieren - siehe 2.3 Waferbondprozeß), aber sie verändern die Eigenschaften der Bondgrenzfläche während der Wärmebehandlung teilweise erheblich. So führen organische Kontaminationen beispielsweise zur Reduzierung der maximal erreichbaren Bondenergie und können ausgezeichnete Nukleationskeime für Grenzflächenblasen bilden [29], während sich metallische Verunreinigungen auf die elektrischen Eigenschaften der Grenzschicht auswirken. In Abbildung 2.3 wird schematisch dargestellt, wie man sich eine ungereinigte hydrophile Siliziumoberfläche vorzustellen hat. nicht-polare organische Komponenten Wasser OH OH Luft OH adsorbierte Gase polare organische Komponenten Oxid ionische Komponenten Siliziumwafer Abbildung 2.3.: Schematische Darstellung einer ungereinigten hydrophilen Siliziumoberfläche [3] In jedem Fall ist eine chemische Reinigung der Oberflächen vor dem Bondprozeß erforderlich, um die beschriebenen Verunreinigungen zu minimieren. Gleichzeitig können durch eine gezielte chemische Behandlung die Oberflächenspezies dahingehend verändert werden, daß eine zusätzliche Aktivierung oder Passivierung (entsprechend hydrophil oder hydrophob) stattfindet. Dabei darf es jedoch zu keiner wesentlichen Erhöhung der Mikrorauhigkeit kommen. Klar ist, daß zur Vermeidung einer erneuten Kontamination auch die Arbeitsutensilien und die chemischen Reinigungslösungen, ja selbst das Wasser zum Spülen sowohl auf die Partikelbelastung als auch auf die Fremdionenkonzentrationen bezogen, von höchster Reinheit sein müssen. 8
2.3. Waferbondprozeß Die hier aufgeführten, für ein erfolgreiches Waferbonden notwendigen Bedingungen lassen sich am besten in einer Reinraumumgebung erreichen. So ist es nicht verwunderlich, daß heutzutage nahezu die gesamte industrielle Waferbondtechnologie in Reinräumen zu finden ist. 2.3. Waferbondprozeß In nahezu allen Varianten des Waferbondens wird vor dem eigentlichen Bondprozeß eine Reinigung, in speziellen Fällen gefolgt von einer zusätzlichen chemischen oder physikalischen Aktivierung bzw. Passivierung der Oberfläche, durchgeführt. So haben sich im Laufe der letzten Jahre, je nach den Anforderungen, entsprechende ” Reinigungsrezepte“ etabliert. Am weitesten verbreitet ist wohl die naßchemische RCA-Reinigung [30]. Diese aus zwei Teilschritten bestehende Reinigung wird heute in den meisten Silizium-Waferbondprozessen als Standard-Reinigungsmethode angesehen. In einer auf etwa 80 Æ C erhitzten Lösung aus NH OH, H ¾ O ¾ und H ¾ O in einem Verhältnis von 1 : 1 : 5 RCA 1 genannt werden die zu bondenden Wafer für etwa 10 min gereinigt. Auf diese Weise werden organische Verunreinigungen von der Oberfläche gelöst. Die zweite Lösung RCA 2 genannt aus HCl, H ¾ O ¾ und H ¾ O im Verhältnis 1 : 1 : 6 bestehend, bewirkt nach etwa 5 bis 10 min bei 70 Æ C eine Reduzierung der Metall- und Alkali-Verunreinigungen. Gleichzeitig bilden sich auf der Siliziumoberfläche eine Vielzahl von Si OH-Gruppen, was zu einer starken Hydrophilisierung führt [30]. Vor, zwischen und nach den Reinigungsschritten werden die Wafer in entgastem und deionisiertem Wasser (DI-Wasser, Leitwert etwa 18 MÅ¡cm, TOC 10 ppb, Teilchenfilter 0,5 m) mehrmals gespült. Die so gereinigten Wafer können nun hydrophil gebondet werden. Zu beachten ist jedoch, daß der Bondprozeß möglichst schnell im Anschluß an die Reinigung durchgeführt werden muß, da sofort eine erneute Kontamination der in einem DI-Wasserbad oder einer Reinraum-Waferbox lagernden Wafer einsetzt. Dabei wird die Neuverunreinigung durch die aktivierte Oberfläche sogar noch begünstigt. In weiterführenden Untersuchungen konnte die durch organische Oberflächenkontaminationen hervorgerufene Bildung von Grenzflächenblasen in den gebondeten Waferpaaren durch eine nachträgliche Behandlung der hydrophilen Wafer in einer etwa 1 %-igen kochenden H IO -Lösung (oder HIO ¡2H ¾ O-Lösung) reduziert werden [31]. Werden die hydrophilen Wafer kurzzeitig in ein Bad mit einer etwa 1 bis 5 %-igen wässrigen HF-Lösung (HF-Dip) gegeben, kann das natürliche Oxid von der Oberfläche abgeätzt werden. Als Resultat verbleibt eine extrem hydrophobe, mit Wasserstoffatomen abgesättigte reine Siliziumoberfläche. Auch hier sollte der Bondprozeß möglichst schnell nach der Reinigung erfolgen, da speziell bei hydrophoben Oberflächen sofort eine relativ starke Neukontamination mit organischen Komponenten aus der Umgebungsatmosphäre einsetzt, die, wie bereits beschrieben, zur Bildung von Grenzflächenblasen sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischen Bereich in den gebondeten Waferpaaren führt. Im Fall der vorliegenden Arbeit wurden die Siliziumwafer in Anlehnung an die oben beschriebene Prozedur gereinigt. Speziell in der RCA 2-Reinigung wurde die Lösung in einem Verhältnis der genannten Chemikalien von 1 : 1 : 5 angesetzt und die Temperatur 9
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