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Abb. 1: Beim Aluminium-Waferbonden will man erreichen, dass zwei Alu-Beschichtungen durch Aufheizen und Zusammenpressen über die ursprüngliche Grenzfläche hinaus zusammenwachsen. Im konventionellen Verfahren sind wegen des stabilen Aluminiumoxids sehr hohe Drücke und Temperaturen notwendig.
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Andreas Hinterreiter - Physik im High-Tech-Waffeleisen
Aluminium to Aluminium Wafer Bonding - From Conventional Thermo-Compression to High Vacuum Surface Activated Bonding
oder
Physik im High-Tech-Waffeleisen: Aluminium-Waferbonden für bessere Mikrosensoren
Andreas Hinterreiter
angefertigt am ZONA, Zentrum für Oberflächen- und Nanoanalytik der JKU
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Aluminium und der Rost
Wieso packen wir unser Jausenbrot eigentlich in Aluminiumfolie, und nicht etwa in Eisenfolie? Die Antwort liegt auf der Hand: die beiden Metalle zeigen unterschiedliches Verhalten, wenn sie mit Luft bzw. Wasser in Kontakt kommen. Eisen bildet Eisenoxid, eine poröse, abblätternde Verbindung aus Eisen und Sauerstoff, die eine weitere Zersetzung des Metalls begünstigt – das Eisen rostet eben.
Auf Aluminium entsteht binnen kürzester Zeit ebenfalls eine Oxidschicht — Aluminiumoxid. Diese Schicht ist zwar nur einige wenige millionstel Millimeter dick, aber extrem stabil und für Sauerstoff und Wasser praktisch undurchdringlich. Das darunter liegende Metall wird so vor weiterer Korrosion geschützt. genaugenommen ist also die gängige Meinung "Aluminium rostet nicht" falsch, aber die Zersetzung durch Rosten ist gestoppt.
Waferbonden
Während diese Eigenschaft von Aluminium für viele Anwendungen höchst vorteilhaft ist, stellt sie beim sogenannten Waferbonden eine große Hürde dar: „Wafer“ ist das englische Wort für Waffel. Mit Waferbonden bezeichnet man das Verbinden zweier sehr glatter Scheiben ohne Klebstoff in einem Gerät, das wie ein überdimensioniertes High-Tech-Waffeleisen aussieht — nur durch Druck und Erhitzen. Am bekanntesten ist der Einsatz in der Massenerzeugung von Si-Si oder Si-SiO2 Schichten in der Halbleiterindustrie.
Das Verfahren wird aber auch erfolgreich zwischen Metallen eingesetzt, beispielsweise für die Produktion vieler elektromechanischer Mikrosensoren ("MEMS") in unseren Smartphones. Diese Sensoren benötigen genau definierte Umgebungen bei gleichzeitigem elektrischem Kontakt nach außen. Sie werden deshalb durch Waferbonden in kleine Metallpäckchen eingeschweißt, wofür Aluminium nicht zuletzt wegen seines relativ günstigen Preises bestens geeignet wäre. Allerdings verhindert das stabile Aluminiumoxid das Zusammenwachsen der Metallschichten der beiden Wafer, selbst bei extrem hohen Temperaturen (über 500°C) und unter starkem Druck während des Bond-Prozesses.
Der Durchbruch
In Zusammenarbeit mit der Frma EVG, dem Weltmarktführer im Bereich Waferbonding-Anlagen, habe ich deshalb daran geforscht, wie man das Oxid trotz seiner hohen Stabilität ohne giftige Chemikalien entfernen kann. Der Durchbruch, im wörtlichen Sinn, gelang mit Beschuss der Oberfläche mit Edelgasteilchen. Die einzelnen Atome in der Oxidschicht werden wie Billiardkugeln heraußgestoßen.
Die beiden frischen, sauberen Metallflächen können dann bereits bei typischen Sauna-Temperaturen und ohne allzu großen Kraftaufwand verbunden werden. Dazu dürfen sie aber zwischen der Reinigung und dem Bonden in der Waferbonding-Kammer nicht an Luft kommen. Sie werden deshalb von einem Roboter durch ein Hochvakuum von Station zu Station manövriert.
Abb. 2: Der neuartige Prozess findet in einem modularen Hochvakuum-Cluster statt. Die Wafer werden von einem Roboterarm herummanövriert und durchlaufen verschiedene Stationen, ohne dazwischen an Luft zu gelangen.
Hohe Qualität
Um zu überprüfen, wie gut die beiden Wafer durch diesen Prozess miteinander verbunden wurden, braucht man ein spezielles, sogenanntes akustisches Mikroskop, das mit Ultraschall statt Licht arbeitet. Es ist sehr sensibel auf kleinste Lufteinschlüsse an der Grenzschicht, weil dort Schall reflektiert wird. Solche Einschlüsse sind ein Zeichen für ein schlechtes Bond-Ergebnis und scheinen in den Ultraschallmikroskopie-Bildern als weiße Flecken auf. Die Ultraschallbilder der mit meinem verbesserten Bond-Prozess hergestellten Wafer-bonds zeigen, dass nicht nur die nötige Temperatur drastisch gesenkt werden konnte, sondern auch praktisch alle diese Lufteinschlüsse verhindert wurden (s. Abb. 3).
Die neue Technik wird bereits in den nächsten Jahren die Produktion günstigerer Sensoren ermöglichen – und sich somit unmittelbar auf kommende Smartphone-Generationen auswirken! Auch in modernen Airbags finden solche Mikrosensoren Anwendung.
Abb. 3: Ultraschallmikroskopie-Bilder eines konventionell gebondeten Waferpaars (links) und eines mit dem neuen Prozess gebondeten Waferpaars (rechts). Trotz der viel geringereren Temperatur funktioniert die Verbindung der beiden Alu-Schichten sogar besser und es sind deutlich weniger Lufteinschlüsse sichtbar.