Direct wafer bonding for MEMS and microelectronics

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-08-18
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89, [34]
Series
VTT publications, 609
Abstract
Direct wafer bonding is a method for fabricating advanced substrates for microelectromechanical systems (MEMS) and integrated circuits (IC). The most typical example of such an advanced substrate is the silicon-on-insulator (SOI) wafer. SOI wafers offer many advantages over conventional silicon wafers. In IC technology, the switching speed of circuits fabricated on SOI is increased by 20-50% compared to circuits fabricated on a bulk Si wafer. The required operation voltage is lower in ICs on SOI than in ICs on a bulk silicon wafer, which decreases power consumption and chip heating. In the MEMS industry, the buried oxide layer works as a good sacrificial layer during release etching of diaphragms, beams etc. and offers an excellent etch stop layer for silicon etching. Direct wafer bonding can also be used in the fabrication of more complex structures than SOI. The wafers to be bonded can be of different materials, can contain patterns, and may have multiple layers or ready-made devices. This thesis reports on studies of direct wafer bonding and its use in various applications. Different bonding processes used in microelectronics are briefly described. The main focus of this thesis is on the plasma activation-based low temperature bonding process, and on the control of bond strength by surface preparation. A novel method for bond strength measurement is introduced. This method, based on buried oxide etching, is presented and compared with other methods used in evaluating bond quality. This thesis also contains results on research of different applications requiring direct wafer bonding. Heterogeneous integration, pre-processed SOI fabrication, and wafer scale packaging are the main application topics.

Puolijohdekiekkojen suoraliittäminen on menetelmä valmistaa kehittyneitä alustoja mikroelektromekaanisille systeemeille (MEMS) ja integroiduille piireille. Yleisin tämänlainen kehittyneempi alusta on SOI-kiekko, jossa kantajakiekon ja varsinaisen komponenttipiikerroksen välissä on eristävä oksidikerros. Verrattuna tavallisiin piikiekkoihin SOI-kiekot tarjoavat useita parannuksia. Integroitujen piirien tapauksessa kytkentänopeus on SOI:lla 20-50 % nopeampi, käyttöjännite matalampi ja energian kulutus pienempi. MEMS-teknologiassa haudattu oksidi toimii uhrautuvana kerroksena kalvojen ja palkkien vapautusetsauksessa ja myös pysäytyskerroksena piin syövyttämisessä. Suoraliittämistä voidaan käyttää myös monimutkaisempien rakenteiden kuin SOI-kiekkojen valmistamiseen. Liitettävät kiekot voivat olla eri materiaaleista, kuvioituja tai sisältää valmiita komponentteja. Tässä väitöskirjassa keskitytään pääasiassa korkean ja matalan lämpötilan suoraliittämiseen sekä liitoslujuuden kontrollointiin pintoja karhentamalla. Kirjassa esitellään lyhyesti myös muut kiekkoliitostekniikat. Väitöskirjassa raportoidaan myös uusi menetelmä mitata liitoslujuus kahden kiekon välillä. Menetelmä perustuu haudatun oksidin märkäsyövyttämiseen ja sitä verrataan myös muihin raportoituihin liitoslujuuden mittausmenetelmiin. Tämä väitöskirja sisältää myös tuloksia suoraliittämisen käyttämisestä muutamiin erilaisiin sovellutuksiin, kuten kiekkotason paketointiin, heterogeeniseen integrointiin ja esiprosessoitujen SOI-kiekkojen valmistukseen.
Description
Keywords
direct water bonding, MEMS, microelectronics, microelectromechanical systems, SOI, silicon-on-insulator, integrated circuits, bond strength measurement, heterogeneous integration, pre-processed SOI fabrication, water-scale packaging, plasma activation, direct wafer bonding, MEMS, microelectronics, microelectromechanical systems, SOI, silicon-on-insulator, integrated circuits, bond strength measurement, heterogeneous integration, pre-processed SOI fabrication, wafer-scale packaging, plasma activation
Other note
Parts
  • T. Suni, K. Henttinen, I. Suni, and J. Mäkinen. Effects of plasma activation on hydrophilic bonding of Si and SiO<sub>2</sub>. Journal of The Electrochemical Society, Vol. 149, No. 6, (2002), pp. G348-G351. [article1.pdf] © 2002 The Electrochemical Society. By permission.
  • T. Suni, K. Henttinen, A. Lipsanen, J. Dekker, H. Luoto, and M. Kulawski. Wafer scale packaging of MEMS by using plasma-activated wafer bonding. Journal of The Electrochemical Society, Vol. 153, No. 1, (2006), pp. G78-G82. [article2.pdf] © 2006 The Electrochemical Society. By permission.
  • T. Suni, K. Henttinen, J. Dekker, H. Luoto, M. Kulawski, J. Mäkinen, and R. Mutikainen. Silicon-on-insulator wafers with buried cavities. Journal of The Electrochemical Society, Vol. 153, No. 4, (2006), pp. G299-G303. [article3.pdf] © 2006 The Electrochemical Society. By permission.
  • T. Suni, J. Kiihamäki, K. Henttinen, I. Suni, and J. Mäkinen. Characterization of bonded interface by HF etching method. In: Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology and Applications VII, edited by C. Hunt, H. Baumgart, S. Bengtsson, and T. Abe, The Electrochemical Society, pp. 70-75, 2003. [article4.pdf] © 2003 The Electrochemical Society. By permission.
  • K. Henttinen, T. Suni, A. Nurmela, M. Kulawski, and I. Suni. Mechanical delamination for the materials integration. In: Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology and Applications VII, edited by C. Hunt, H. Baumgart, S. Bengtsson, and T. Abe, The Electrochemical Society, pp. 359-367, 2003. [article5.pdf] © 2003 The Electrochemical Society. By permission.
  • K. Henttinen, T. Suni, A. Nurmela, H. Luoto, I. Suni, V.-M. Airaksinen, S. Karirinne, M. Cai, and S. S. Lau. Transfer of thin Si layers by cold and thermal ion-cutting. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 14, (2003), pp. 299-303. [article6.pdf] © 2003 Springer Science+Business Media. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-007190