Auswirkungen einer Plasmabehandlung auf die Eigenschaften des Niedertemperatur-Waferbondens monokristalliner Siliziumoberflächen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird diskutiert, welchen Einfluß ein Plasma auf die Eigenschaften monokristalliner Siliziumoberflächen unter dem Aspekt des direkten Waferbondens hat. Dabei konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Behandlung in einem Sauerstoffplasma. Im Vordergrund steht eine Charakterisierung unter " realen" Bedingungen - eben jene Bedingungen, die auch im industriellen Waferbondprozeß vorherrschen. Es wird gezeigt, daß das Plasma eine Modifikation der Oberfläche bzw. des Oberflächenoxids verursacht, in deren Folge es zu einer zeitlich begrenzten Aktivierung der Siliziumoberfläche kommt. Durch den Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre im Anschluß an die Plasmabehandlung finden auf der Waferoberfläche verschiedene Reaktionen statt, wobei sich vermehrt Wasser anlagert und oberflächengebundene Hydroxyl-Gruppen (Silanol-Gruppen) gebildet werden. Werden die so vorbehandelten Siliziumwafer gebondet und bei rund 300°C für etwa 2h wärmebehandelt, so lassen sich, verglichen mit einem standardmäßig gereinigten Silizium-Waferpaar, deutlich höhere Grenzflächenenergien erreichen. Dieses Phänomen beruht einerseits auf einer Steigerung der Anzahl der bindungsfähigen Oberflächenspezies und andererseits auf der Modifikation des Oberflächenoxids. Die Abdiffusion der Grenzflächenwassermoleküle wird stark begünstigt. Zudem kommt es durch verschiedene Prozesse zu einer Kontaktflächenanpassung der gebondeten Wafer. Die Bildung von Grenzflächenblasen läßt sich durch das Bonden vorstrukturierter Siliziumoberflächen vermeiden.

In this thesis it is discussed how a plasma treatment influences the behaviour of monocristalline silicon surfaces in terms of direct wafer bonding. The studies are concentrated on an oxygen-containing plasma exposure. Particularly, the characterisation under "real" conditions - those conditions which are given during industrial wafer bonding processes - are of interest. It is shown that a plasma causes a modification of the surface respectively the surface oxide leading to a time-limited activation of the wafer surface. Because of the contact to the surrounding atmosphere after the plasma treatment different reactions are taking place on the silicon surface. Water will be attached to the wafer and surface-bound hydroxyl-groups (silanol-groups) will be generated. After bonding such plasma-exposed silicon wafers and annealing them for about 2h at 300°C the bonding energy is remarkably higher than in case of usually cleaned silicon wafer pairs. On the one hand this phenomenon is based on an increase of bondable surface species and on the other hand it results from the modification of the surface oxide. The out-diffusion of the interfacial water molecules is strongly promoted. In addition there are different processes which finally conclude in a better surface adjustment of the bonded wafers. The formation of interfacial bubbles can be prevented by bonding patterned silicon surfaces.