Neue Bondtechnologien für Wafer-Level Packaging und 3D-Heterointegration

14. Mai 2021

Als Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) modernisierte das Leibniz IHP in den vergangenen drei Jahren einen Teil seiner Forschungsinfrastruktur. Sebastian Schulze forscht im Bereich Al-Al Bonding und arbeitet in Frankfurt (Oder) an einem der neuen Hightech-Geräte – einem Hochvakuumbonder, der beispielsweise hilft, die hohen Temperaturen beim Bonden zu reduzieren und so die Bauelemente zu schonen.

© IHP GmbH
Sebastian Schulze.
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Sebastian Schulze mit den Kollegen Patrick Krüger und Thomas Voß (v.l.n.r.) vor dem Hochvakuumbonder im IHP Nanolab.

Herr Schulze, woran arbeiten Sie gerade?

Ich arbeite am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik und befasse mich zurzeit mit der Optimierung von physikalischen und chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahren zur Metallabscheidung und der Lösung von Technologieproblemen im Leitbahn- und Kontaktsystem. Durch die FMD und die damit einhergehende Modernisierung der Forschungsinfrastruktur des IHP hat sich mein Arbeitsfeld um das Thema Aluminium zu Aluminium (Al-Al) Waferbonden erweitert. Seit 2018 beschäftige ich mich mit dem Al-Al-Thermokompressionsbonden, der Präparation der dafür benötigten Wafer sowie der Nachbearbeitung und strebe in diesem Thema auch eine Promotion an. Zurzeit verbringe ich sehr viel Zeit im Labor und bin mit der Prozessentwicklung an einem neuen Waferbonder beschäftigt. 

Was bedeutet »Waferbonden« und wofür wird das eingesetzt?

Beim Waferbonden geht es darum, zwei Wafer dauerhaft miteinander zu verbinden und einen niedrigen Kontaktwiderstand ander Al-Al-Grenzfläche zu gewährleisten. Bisher war die Oxidbildung auf den Al- Oberflächen eine der Haupteinschränkungen, um zuverlässige elektrische Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand zu realisieren. Erfolgreiches Bonden war nur bei einer sehr hohen Temperatur (> 400 °C) möglich. Der Hochvakuumbonder, an dem ich gerade arbeite, umgeht genau dieses Problem.

Wofür sind die neuen technischen Möglichkeiten in Ihrem Forschungsbereich wichtig? 

Eine neuartige Oberflächenbehandlung auf Basis einer Plasmareinigung zusammen mit der Bearbeitung der Wafer unter Ultrahochvakuum ermöglicht ein oxidfreies Al-Al-Waferbonden.
Dadurch können die Temperaturen beim Bonden auf ca. 150 °C enorm reduziert werden.
Dies schont die Bauelemente und vermindert thermomechanische Verspannungen beim Bonden.

Eine weitere Besonderheit: eine optische Justierung mit einer sehr hohen Genauigkeit von unter 1 μm ermöglicht eine Herstellung von elektrisch- leitfähigen Al-Verbindungen mit ultrafeinen Abmessungen zwischen den Substraten. Mithilfe dieser neuen Bondtechnologie ergeben sich zukunftsweisende Möglichkeiten im Bereich Wafer-Level Packaging und der 3D-Heterointegration, bei der unterschiedliche Halbleitertechnologien vereinigt werden können, um so eine höhere Funktionalität und Leistung zu erhalten.

 

Sebastian Schulze ist 1985 in Burg geboren, studierte Physikalische Technik an der Technischen Hochschule Wildau und schloss das Studium 2009 mit einem Ingenieurs-Diplom ab. Anschließend arbeitete er am IHP im Bereich der Materialcharakterisierung und beschäftigte sich mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenanalyse. Nach einem Auslandsaufenthalt 2011 in Vancouver, Kanada kehrte er 2012 zurück zum IHP und sein Arbeitsschwerpunkt verlagerte sich hin zur Prozessentwicklung. Berufsbegleitend erlangte er 2017 den M.Sc. in Nanotechnologie an der Universität Kaiserslautern. Neben seiner wissenschaftlichen Tätigkeit am IHP ist Sebastian Schulze ein leidenschaftlicher Triathlet und bereitet sich aktuell auf ein Rennen auf der Ironman-Distanz vor.