Neuartige Mess- und Prüfverfahren zur Ermittlung der Bondfestigkeit von Full-Wafer-Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Woias
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5435588

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur Realisierung von Mehrlagenaufbauten und im Packaging kommen sowohl in der Mikrosystemtechnik als auch in der Nanostrukturtechnik hauptsächlich Full-Wafer-Bondverbindungen zum Einsatz. Die Qualität dieser für die Mikrosystemtechnik essentiell notwendigen Bondverbindungen ist ein entscheidender Parameter für die korrekte Funktion eines mit dieser Technik hergestellten Mikrosystems. Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren alle Testmethoden zur Bondfestigkeitscharakterisierung von zerstörender Natur. Das wesentliche Ergebnis dieses Projektes ist die Entwicklung eines produktionstauglichen, nach außen hin zerstörungsfreien Testverfahrens zur On-Wafer-Charakterisierung der Bondfestigkeit. Dies vermeidet zum einen das kostenintensive Weiterprozessieren von zu schwachen Waferverbünden, zum anderen verhindert die nach außen hin zerstörungsfreie Eigenschaft des Testverfahrens die Schaffung von Verunreinigungen in der produktionsüblichen Reinraumumgebung. Im Rahmen des Projektes „Zerstörungsfreie Teststrategien zur Qualifizierung von Full-Wafer-Bondverbindungen" wurde gezeigt, dass mit Hilfe einer kontrollierten Rissbildung im Bondinterface die Bondfestigkeit bestimmt werden kann. Das dazu notwendige theoretische Modell wurde hergeleitet und verifiziert. Anhand experimenteller Tests wurde die Tauglichkeit des Testverfahrens in der Praxis bestätigt und die Genauigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren durch Messunsicherheitsbudgets beschrieben. Als künftige Arbeit kann die Integration in laufende Herstellungsverfahren angesehen werden. Das hier entwickelte Verfahren zur Bondfestigkeitsuntersuchung ist das erste Verfahren, dass eine In-Line Überprüfung der Bondfestigkeit von Silizium-Direktbonds ermöglicht. Am Lehrstuhl für Konstruktion von Mikrosystemen werden mit Hilfe eines Silizium-Direktbondverfahrens Mikropumpen hergestellt. Die Mikropumpen sollen als Implantat Teil eines Mikrodosiersystems bzw. Teil eines künstlichen Schließmuskels werden. Eine zuverlässige Bondverbindung ist hier essentiell. Die Integration des Testverfahrens in das bestehende Maskenlayout ist eine notwendige Maßnahme, um die Bondfestigkeit im Herstellungsprozess laufend zu validieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Non-destructive strength characterization of wafer-bonded micromechanical components. Proc. Mikrosystemtechnik Kongress 2005, Freiburg, Germany, October 15-17, 2005, 455-458
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Non-Destructive Strength Characterization of Full-Wafer Bonds: A modified Blister Test Method enables a Controlled Crack Formation at the Bond Interface. 9th International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications, ECS Transactions Vol. 3 Issue 6, Cancun, Mexico, October 29 - November 03, 2006, 249-260
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Non-destructive strength characterization of full-wafer-bonds using a modified blister test method. Proc. IEEE MEMS 2006, Istanbul, Turkey, January 22-26, 2006, 338-341
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Non-Destructive Strength Characterization of Full-Wafer-Bonds. Proc. 2nd International Workshop on Wafer Bonding for MEMS Technologies, Halle/Saale, Germany, April 9-11, 2006, 85-86
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Silicon Microfabrication for Microfluidics. N. Kockmann (ed.). Micro Process Engineering, Fundamentals, Devices, Fabrication, and Applications, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, ISBN 3-527-31246-3, 2006, 321-351
  F. Goldschmidtböing, M. Engler, A. Doll
  
• Versatile low temperature wafer bonding and bond strength measurement by a blister test method. Microsystem Technologies Vol. 12 No. 5, 2006, 418-429
  A. Doll, M. Rabold, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Zerstörungsfreie Haftfestigkeitscharakterisierung von Full-Wafer-Bondverbindungen. Technisches Messen Vol. 73 No. 1, 2006, 43-50
  M. Rabold, A. Doll, M. Kröner, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Der verborgene Blistertest - eine neuartige zerstörungsfreie Testmethode zur Haftfestigkeitscharakterisierung von Full-Wafer-Bondverbindungen. Proc. Mikrosystemtechnik Kongress 2007, Dresden, Germany, October 15.-17., 2007, 841-844
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Mikropumpe mit integrierter Doslerkontrolle. Proc. Mikrosystemtechnik Kongress 2007, Dresden, Germany, October 15.-17., 2007, 947-950
  F. Goldschmidtböing, H. Witte, S. U. Schwarz, A. Geipel, A. Doll, M. Rabold, P. Woias
  
• Niedertemperatur Wafer Bonding - Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung. Proc. Mikrosystemtechnik Kongress 2007, Dresden, Germany, October 15.-17., 2007, 127-130
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• The modified Blister Test Method: Versatile test strategies for a Non-Destructive Strength-Characterization of Full-Wafer Bonds. Journal of The Electrochemical Society Vol. 154 No. 7, 2007, H647-H652
  M. Rabold, A. Doll, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Uncertainty of Measurement - an important issue for Bond Strength Characterization. Proc. Conference on 'Wafer Bonding for MEMS and Wafer Level Integration", Halle / Saale, Germany, December 9.-11. 2007, 73-74
  M. Rabold, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Low Temperature Wafer Bonding: Plasma Assisted Silicon Direct Bonding vs. Silicon-Gold Eutectic Bonding. 10th International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications, ECS Transactions Vol. 16 Issue 8, Honolulu, USA, October 12-17, 2008, 499-506
  M. Rabold, H. Küster, P. Woias, F. Goldschmidtböing
  
• The Concealed Blister Test: An Implementable Test Method for a Non-Destructive Strength-Characterization of Full-Wafer-Bonds. 10th International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications, ECS Transactions Vol. 16 Issue 8, Honolulu, USA, October 12-17, 2008, 465-472
  M. Rabold, D. Busch, S. Ramachandran, F. Goldschmidtböing, P. Woias
  
• Virtuelle Messgeräte. Technisches Messen Vol. 75 No. 5, 2008, 298-310
  R. Schmitt, F. Koerfer, O. Sawodny, J. Zimmermann, R. Krüger-Sehm, M. Xu, T. Dziomba, L. Koenders, G. Goch, A. Tausendfreund, S. Patzelt, S. Simon, L. Rockstroh, C. Bellon, A. Staude, P. Woias, F. Goldschmidtböing, M. Rabold
  
• Surface-Energy Characterization of Full-Wafer-Bonds using the Concealed Blister Test Method. Electrochemical and Solid-State Letters Vol. 12 No. 5, 2009, H176-H178
  M. Rabold, D. Busch, F. Goldschmidtböing, P. Woias