2. Waferbonden

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2. Waferbonden des Reinigungsbades um 10 Æ C auf etwa 80 Æ C erhöht. Für die Reinigungen stand eine Naßbank (wet bench) in einem Reinraum der Klasse 1 (etwa 1 Partikel 0,5 m pro Kubikfuß 0,028 m ¿ Reinraumluft [32]) zur Verfügung. In einigen Fällen, hauptsächlich beim Niedertemperatur-Waferbonden, wird an die Reinigung eine spezielle Oberflächenbehandlung angeschlossen, mit der ein spezifischer Oberflächenzustand erreicht werden soll, um auf diese Weise einen Einfluß auf die Eigenschaften des Waferpaares zu nehmen. So werden neben verschiedenen Plasmaaktivierungen, etwa im Sauerstoffplasma [20], auch naßchemische Modifikationen der Oberflächen wie im Fall einer Behandlung der Wafer in einer hydrolysierten Lösung aus Tetramethoxysilan (TMOS) bzw. Tetraethoxysilan (TEOS) [33] oder beim Anlagern von ultradünnen Polymerfilmen (designed monolayers) bzw. organischen Molekülen an die zu bondenden Oberflächen [34] durchgeführt, wodurch sich die Bondenergie der Waferpaare schon in einer Wärmebehandlung bei Temperaturen unter 500 Æ C teilweise deutlich erhöhen läßt. Oder es werden spezielle Schichten, wie etwa ein Siliziumglas, auf der Waferoberfläche aufgebracht, welche eine Verbindung verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise Silizium mit Galiumarsenid, ermöglichen [35]. Nach der Reinigung und spezifischen Oberflächenbehandlung der Siliziumwafer können diese nun gebondet werden. Dazu werden die beteiligten Wafer in einem Waferbonder, auch Mikroreinraum genannt [2, 36, 37], entsprechend Abbildung 2.4 so eingebaut, daß der untere Wafer, mit der zu bondenden Oberfläche nach oben zeigend, am Waferrand auf mehreren Teflon-Stiften aufliegt, während der obere Wafer, mit der zu bondenden Seite nach unten zeigend, auf Teflon-Abstandshaltern (Spacer) liegt, die beide Wafer etwa 1 mm voneinander trennen. Durch einen auf die Trennungsspalte justierten DI-Wasserstrahl sollen bei geringer Rotation der Wafer in einem letzten Spülvorgang eventuell erneut auf die Oberfläche gelangte Partikel weggespült werden. Zusätzlich baut sich auf diese Art und Weise durch Kapillarkräfte ein Wasserfilm zwischen beiden Wafern auf, der eine weitere Kontamination mit Partikeln verhindern soll. Nachdem die Spülung beendet ist, wird das endgültige Mikroreinraum-System durch eine die Wafer abdeckende Haube etabliert. Im folgenden Trocknungsschritt (spindrying) soll das zwischen und auf den Oberflächen befindliche Wasser durch eine schnelle Rotation der Wafer unter zusätzlicher Einstrahlung von Infrarot-Licht abgeschleudert und verdunstet werden. Obgleich sich die Wafer im Infrarot-Licht bis auf etwa 80 Æ C aufheizen können, findet der eigentliche Bondprozeß bei Raumtemperatur statt. Wie schon für die Reinigungsprozeduren haben sich auch hier verschiedene Rezepte der Spülung und Trocknung hinsichlich ihrer Dauer, Rotationsgeschwindigkeit und IR- Lampenintensität entwickelt. Als Standard wird oftmals eine DI-Wasserspülung von 3 min und eine Trocknung von 5 min bei etwa 3000 Umdrehungen/min angegeben. Für den Erfolg eines hydrophilen Bondprozesses ist es entscheidend, die optimale Menge an Wasser auf der Waferoberfläche zu haben (gewöhnlich wenige Monolagen). Zuviel Wasser kann zu großflächigen Wassereinschlüssen in der Bondgrenzfläche führen, wodurch die Wafer im schlechtesten Fall wieder entbonden können. Nun beginnt der eigentliche Bondprozeß. Noch in der Mikroreinraum-Atmosphäre werden 10
2.3. Waferbondprozeß oberer Wafer Bondflächen unterer Wafer Teflon-Abstandshalter DI-Wasserstrahl Spülung ~25 U/min IR-Licht Abdeckhaube Trocknung ~3000 U/min Bondgrenze gebondetes Waferpaar Abbildung 2.4.: Schematische Darstellung des Waferbondprozesses im Mikroreinraum [2] die Abstandshalter zwischen den Wafern herausgedreht, so daß der obere Wafer auf den unteren fällt. In den meisten Fällen kann nun, auf Grund eines zwischen den Wafern verbliebenen Luftpolsters, ein Schwimmen“ des oberen Wafers beobachtet werden. Erst ein ” initialer Druck, durch eine Teflon-Zange in der Mitte des Waferpaares ausgelöst, resultiert in der spontanen Ausbreitung der Bondwelle, wobei ein fester Verbund das gebondete Waferpaar entsteht. Unter günstigen Bedingungen kann die Ausbreitung der Bondwelle durch den im Abschnitt 4.2.1 Mikroskopie im Kapitel 4 Charakterisierungsmethoden beschriebenen IR-Transmissions-Kameraaufbau verfolgt werden. Üblicherweise erfolgt die Ausbreitung jedoch sehr schnell (etwa 10 - 30 mm/s) [38, 40]. Abbildung 2.5 zeigt in drei IR-Transmissions-Bildern die Ausbreitung der Bondwelle in einem Siliziumwaferpaar. Unter bestimmten Randbedingungen, etwa bei speziellen Oberflächenbehandlungen, in denen ein erneuter Kontakt der Oberfläche zum Wasser nicht erwünscht ist, wird der 11
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