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Das mikroskopische Wunder ohne Interposer: Wie gelingt durch Direktbonden die perfekte Verschmelzung von Wafern?
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie hat die Anwendung der Silizium-Direktbonding-Technologie im Bereich der Halbleiterfertigung allmählich Aufmerksamkeit erregt. Direct Bonding, auch Fusion Bonding genannt, beschreibt einen Wafer-Bonding-Prozess, der keinen Interposer erfordert. Der Prozess basiert auf chemischen Bindungen zwischen Materialoberflächen, was zu einer hocheffizienten Bindung führt. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist die Sauberkeit, Ebenheit und Glätte der Waferoberfläche, denn alles, was die Anforderungen nicht erfüllt, kann während des Bondprozesses Defekte bilden und dadurch die Qualität des Produkts beeinträchtigen.
„Erst nach ausreichender Reinigung kann die Waferoberfläche optimale Bondergebnisse erzielen.“
Die Schritte des direkten Waferbondens können in Wafervorbehandlung, Vorbonden bei Raumtemperatur und Hochtemperaturglühen unterteilt werden. Obwohl die Direktklebetechnologie fast alle Materialien abdeckt, ist Silizium bis heute das ausgereifteste Anwendungsmaterial. Daher wird dieser Prozess oft als Silizium-Direktbonden oder Silizium-Fusionsbonden bezeichnet. Viele Anwendungen, einschließlich der Herstellung von Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafern, Sensoren und Aktoren, basieren auf dieser Technologie.
Technischer Hintergrund
Direktbindungen von Silizium basieren auf intermolekularen Wechselwirkungen, einschließlich Van-der-Waals-Kräften, Wasserstoffbrückenbindungen und starken kovalenten Bindungen. Frühe Direktklebeverfahren erforderten Hochtemperaturvorgänge, aber mit der Diversifizierung der Anwendungsmaterialien besteht ein wachsender Bedarf an Niedertemperaturverarbeitungen. Forscher arbeiten gemeinsam daran, eine stabile direkte Verbindung unter 450 °C zu erreichen, die nicht nur den Anforderungen des Herstellungsprozesses gerecht wird, sondern auch Probleme vermeidet, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen verschiedenen Materialien verursacht werden.
„Eine Reduzierung der während des Prozesses erforderlichen Temperaturen kann die Materialverträglichkeit erheblich verbessern und die Entwicklung weiterer Anwendungen erleichtern.“
Historischer Rückblick
Bereits 1734 entdeckte Desaguliers die Adhäsionswirkung glatter Oberflächen und betonte den Einfluss der Oberflächenglätte auf die Reibung. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie erschien 1986 ein vorläufiger Bericht über das direkte Silizium-Bonding, und diese Technologie begann sich in der Branche durchzusetzen.
Traditionelle Direktverklebung
Direktklebungsverfahren konzentrieren sich meist auf die Verarbeitung von Siliziummaterialien, die je nach chemischer Struktur der Oberfläche in hydrophile und hydrophobe Bindungen unterteilt werden können. Der Kontaktwinkel hydrophiler Oberflächen beträgt weniger als 5°, während der Kontaktwinkel hydrophober Oberflächen größer als 90° ist. Diese Eigenschaft macht Siliziummaterialien flexibler und anpassungsfähiger für verschiedene Anwendungen.
Verklebung von hydrophilen Siliziumwafern
Wafer-Vorverarbeitung
Vor dem Bonden muss die Waferoberfläche sauber gehalten werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen den Bondeffekt beeinträchtigen. Zu den wichtigsten Reinigungsverfahren gehören die Trockenreinigung (z. B. Plasmabehandlung oder UV/Ozon-Reinigung) und nasschemische Reinigungsverfahren. Ein weit verbreitetes Standardreinigungsverfahren ist die SC-Reinigungsmethode von RCA.
Vorverklebung bei normaler Temperatur
Sobald die Wafer-Oberflächenbehandlung abgeschlossen ist und den Standards entspricht, werden die Wafer ausgerichtet und das Bonden kann beginnen. Wassermoleküle in der Gasphase initiieren bei Kontakt eine chemische Reaktion, bilden Silanol (Si-OH) und polymerisieren und bilden anschließend eine Struktur mit ausreichender Bindungsstärke.
Hochtemperaturglühen
Mit fortschreitendem Glühprozess erhöht sich die Bindungsstärke mit zunehmender Temperatur. Durch die Bereitstellung ausreichender Wärme kann mehr Silanol reagieren und stabile Si-O-Si-Bindungen bilden.
Verklebung von hydrophoben Siliziumwafern
Wafer-Vorverarbeitung
Um eine hydrophobe Oberfläche zu erzeugen, muss die Filmschicht entfernt werden, was durch Plasmabehandlung oder fluorhaltige Ätzlösungen erreicht wird. Wichtig ist, dass eine Rehydrophilisierung verhindert wird, um die Hydrophobie aufrechtzuerhalten.
Hochtemperaturglühen
In einer Hochtemperaturumgebung beginnen sich bei der Desorption von Wasserstoff und Fluor kovalente Si-Si-Bindungen im Siliziumkristall zu bilden. Dieser Prozess kann bei 700 °C abgeschlossen werden, wodurch letztendlich die gleiche Bindungsfestigkeit wie beim Siliziumkörper erreicht wird.
Forschungsrichtung des Niedertemperatur-Direktbondens
Da die Nachfrage nach Niedertemperaturverarbeitung weiter steigt, erforschen Forscher verschiedene Methoden, um die erforderliche Glühtemperatur zu senken. Die Schwierigkeit bei diesem Prozess liegt hauptsächlich in der Entfernung von Wasser und dessen Einfluss auf die gebildeten Silizium-Sauerstoff-Bindungen. Forscher arbeiten an einer Vielzahl von Oberflächenbehandlungstechnologien, darunter Plasmaaktivierung und chemisch-mechanisches Polieren, und streben danach, ideale Bindungseffekte unter niedrigen Temperaturbedingungen zu erzielen.
„Diese Technologie hat ihr breites Anwendungspotenzial bei der Herstellung von Multi-Wafer-Mikrostrukturen wie Mikropumpen, Mikroventilen und Beschleunigern gezeigt.“
In der Zukunft könnte die weitere Entwicklung der Direktbonding-Technologie die Landschaft der Halbleiterfertigung verändern. Welche Überraschungen wird uns diese Technologie angesichts des tiefgreifenden Verständnisses der Materialwissenschaften und der Einführung neuer Technologien bringen?
