Wafer bonding is important in microelectromechanical systems (MEMS) manufacturing, enabling wafer-level encapsulation and packaging. In this project, different pre-treatments of the polycrystalline silicon surface for eutectic gold-silicon (AuSi) bonding were studied with respect to the resulting bond strength. Native oxides or other surface layers can decrease the interaction between Au and Si, leading to weaker bonds. Different etching methods were investigated to remove native oxide. Spectroscopic ellipsometry (SE), water contact angle measurements and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to analyze the surfaces. SE measurements showed that the oxide layer grew 5 Å the first 4 hours after HF etch, rinse and dry, but then grew less than this during the following 6 weeks. The measured oxide growth was similar for wafers with other pre-treatments. Through contact angle measurements, it was demonstrated that the different etching methods resulted in different outermost surface layers. None of the contact angles were changed much over several weeks, indicating subsequent oxide growth occurred below a stable outermost layer. For wafer bonding, wafers with bond frame structures were used. After wafer bonding, the bond frames were analyzed with infrared (IR) microscopy and the bonds were shear tested for bond strength. The shorter the exposure time to ambient air atmosphere before bond, the stronger the bond in general. Furthermore, the wafers stored in nitrogen atmosphere exhibited higher bond strengths than the wafers stored in air for the same amount of time, confirming that the growing oxide was the reason for the decreased bond quality during wafer storage. HF (wet/vapor) etched wafers in general had slightly stronger bonds than the other wafers and the wafers etched with HF vapor had the highest average bond strength of all. The IR images showed that white areas in the bond frames were related to decreased bond strength, and that wafers that had longer storage time on average had more white in the bond frames. As a conclusion, to achieve as strong bonds as possible, the waiting time between wafer pre-treatments and bonding should be minimized, and in the waiting time it is beneficial to store the wafers in nitrogen atmosphere. In this study most wafers stored 2 weeks in nitrogen had good bond quality and even wafers stored 3 days in air had acceptable bond strengths. However, using HF to etch away the oxide before bond is preferable compared to the other etching methods, not only to have larger average bond strength, but also to have less bond strength decrease during waiting time before bond. / I tillverkning av mikroelektromekaniska system (MEMS) är skivbondning viktigt för inkapsling och förpackning av mikrosystem på skivnivå. I detta projekt studerades olika förbehandlingar av polykristallina kiselytan, inför eutektisk AuSi-bondning, med avseende på resulterande bondstyrka. Nativoxid eller andra ytskikt kan minska interaktionen mellan guld (Au) och kisel (Si), vilket leder till svagare bond. Flera olika etsmetoder undersöktes för att ta bort nativoxid. Spektroskopisk ellipsometri (SE), mätningar av vattenkontaktvinkel och Fouriertransform infraröd spektroskopi (FTIR), användes för att analysera ytorna. Resultaten från SE-mätningarna visade att oxiden växte 5 Å under de 4 första timmarna efter HF-ets, skölj och tork, men växte sedan mindre än detta under de följande 6 veckorna. Den uppmätta oxidtillväxten var liknande för skivorna med andra förbehandlingar. Kontaktvinklarna var olika för olika förbehandlingsmetoder, vilket visar att de hade olika yttersta ytskikt. Ingen av kontaktvinklarna ändrades mycket under flera veckor, vilket indikerar att den följande oxidtillväxten skedde under ett stabilt yttersta lager. För skivbondning andvändes skivor med bondramar längs chip-kanterna. Dessa bondramar var gjorda av polykristallint Si respektive Au på skivorna som skulle bondas. Efter bondning analyserades bondramarna med infraröd (IR) mikroskopi och skjuvtester gjordes för att bestämma bondstyrkan. Ju kortare tid skivorna exponerades till omgivande luft, desto starkare bond i allmänhet. Dessutom uppvisade skivorna som lagrats i kväveatmosfär högre bondstyrkor än de skivor som lagrats i luft, vilket bekräftar att den växande oxiden var orsaken till den minskade bondkvaliteten under skivlagring. HF-etsade skivor (HF- dipp och HF-ånga) hade något starkare bond än de andra skivorna och de skivor som etsats med HF-ånga hade allra högst genomsnittlig bondstyrka. IR-bilderna visade att vita områden i bondramarna var relaterat till minskad bondstyrka och att skivor som hade längre lagringstid i genomsnitt hade mer vitt i bondramarna. Slutsatsen är att för att uppnå så hög bondstyrka som möjligt ska tiden mellan förbehandlingar och bond minmeras, och under väntetiden är det till fördel att skivorna förvaras i kväveatmosfär. I den här studien hade skivor som förvarats 2 veckor i kväve bra bondkvalitet och även skivor som stått 3 dagar i luft hade godtagbara bondstyrkor. Att använda HF för att etsa bort oxid är dock bättre än att använda någon av de andra etsmetoderna, inte bara för att få högre genomsnittliga bondstyrkor, utan också för att få mindre minskning av bondstyrkan under väntetiden inför bondning.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-321483 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Boström, Gabriel |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2022:676 |
Page generated in 0.0031 seconds