$2000{\AA}-SiO_2/Si(100)$ and $560{\AA}-Si_3N_4/Si(100)$ wafers, which are 10 cm in diameter, were directly bonded using a rapid thermal annealing method. We fixed the anneal time of 30 second and varied the anneal temperatures from 600 to $1200^{\circ}C$. The bond strength of bonded wafer pairs at given anneal temperature were evaluated by a razor blade crack opening method and a four-point bonding method, respectively. The results clearly slow that the four-point bending method is more suitable for evaluating the small bond strength of 80~430 mJ/$\m^2$ compared to the razor blade crack opening method, which shows no anneal temperature dependence in small bond strength.
A direct wafer bonding process necessary for GaAs-on-insulator (GOI) fabrication with high thermal annealing temperatures was studied by using PECVD oxides between gallium arsenide and silicon wafers. In order to apply some uniform pressure on initially-bonded wafer pairs, a graphite sample holder was used for wafer bonding. Also, a tool for measuring the tensile forces was fabricated to measure the wafer bonding strengths of both initially-bonded and thermally-annealed samples. GaAs/$SiO_2$/Si wafers with 0.5-$\mu$m-thick PECVD oxides were annealed from $100^{\circ}C\;to\;600^{\circ}C$. Maximum bonding strengths of about 84 N were obtained in the annealing temperature range of $400{\sim}500^{\circ}C$. The bonded wafers were not separated up to $600^{\circ}C$. As a result, the GOI wafers with high annealing temperatures were demonstrated for the first time.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.29
no.5
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pp.563-571
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2012
In 3D integration package using TSV technology, bonding is the core technology for stacking and interconnecting the chips or wafers. During bonding process, however, warpage and high stress are introduced, and will lead to the misalignment problem between two chips being bonded and failure of the chips. In this paper, a finite element approach is used to predict the warpages and stresses during the bonding process. In particular, in-plane deformation which directly affects the bonding misalignment is closely analyzed. Three types of bonding technology, which are Sn-Ag solder bonding, Cu-Cu direct bonding and SiO2 direct bonding, are compared. Numerical analysis indicates that warpage and stress are accumulated and become larger for each bonding step. In-plane deformation is much larger than out-of-plane deformation during bonding process. Cu-Cu bonding shows the largest warpage, while SiO2 direct bonding shows the smallest warpage. For stress, Sn-Ag solder bonding shows the largest stress, while Cu-Cu bonding shows the smallest. The stress is mainly concentrated at the interface between the via hole and silicon chip or via hole and bonding area. Misalignment induced during Cu-Cu and Sn-Ag solder bonding is equal to or larger than the size of via diameter, therefore should be reduced by lowering bonding temperature and proper selection of package materials.
We investigated the possibility of direct bonding of the Si ∥SiO$_2$/Si$_3$N$_4$∥Si wafers for Oxide-Nitride-Oxide(ONO) gate oxide applications. 10cm-diameter 2000$\AA$-thick thermal oxide/Si(100) and 500$\AA$-Si$_3$N$_4$LPCVD/Si (100) wafers were prepared, and wet cleaned to activate the surface as hydrophilic and hydrophobic states, respectively. Cleaned wafers were premated wish facing the mirror planes by a specially designed aligner in class-100 clean room immediately. Premated wafer pairs were annealed by an electric furnace at the temperatures of 400, 600, 800, 1000, and 120$0^{\circ}C$ for 2hours, respectively. Direct bonded wafer pairs were characterized the bond area with a infrared(IR) analyzer, and measured the bonding interface energy by a razor blade crack opening method. We confirmed that the bond interface energy became 2,344mJ/$\m^2$ when annealing temperature reached 100$0^{\circ}C$, which were comparable with the interface energy of homeogenous wafer pairs of Si/Si.
Kim, H.S.;Kim, D.J.;Kim, D.C.;Ko, Y.H.;Kim, K.J.;An, S.M.;Han, W.S.
Electronics and Telecommunications Trends
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v.36
no.3
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pp.23-33
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2021
Two main technologies of III-V/Si laser diode for optical communication, direct epitaxial growth, and wafer bonding were studied. Until now, the wafer bonding has been vigorously studied and seems promising for the ideal III-V/Si laser. However, the wafer bonding process is still complicated and has a limit of mass production. The development of a concise and innovative integration method for silicon photonics is urgent. In the future, the demand for high-speed data processing and energy saving, as well as ultra-high density integration, will increase. Therefore, the study for the hetero-junction, which is that the III-V compound semiconductor is directly grown on Si semiconductor can overcome the current limitations and may be the goal for the ideal III-V/Si laser diode.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.27
no.1
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pp.17-24
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2020
As an interconnect scaling faces a technical bottleneck, the device stacking technologies have been developed for miniaturization, low cost and high performance. To manufacture a stacked device structure, a vertical interconnect becomes a key process to enable signal and power integrities. Most bonding materials used in stacked structures are currently solder or Cu pillar with Sn cap, but copper is emerging as the most important bonding material due to fine-pitch patternability and high electrical performance. Copper bonding has advantages such as CMOS compatible process, high electrical and thermal conductivities, and excellent mechanical integrity, but it has major disadvantages of high bonding temperature, quick oxidation, and planarization requirement. There are many copper bonding processes such as dielectric bonding, copper direct bonding, copper-oxide hybrid bonding, copper-polymer hybrid bonding, etc.. As copper bonding evolves, copper-oxide hybrid bonding is considered as the most promising bonding process for vertically stacked device structure. This paper reviews current research trends of copper bonding focusing on the key process of Cu-SiO2 hybrid bonding.
This paper describes the characteristics of Si Hall sensors fabricated on a SOI(Si-on-insulator} structure, in which the SOI structure was forrmed by SDB(Si-wafer direct bonding) technology. The Hall voltage and the sensitivity of implemented Si Hall devices show good linearity with respect to the applied magnetic flux density and supplied current. The product sensitivity of the SDB SOI Hall device is average $600V/A{\cdot}T$. In the temperature range of 25 to $300^{\circ}C$, the shifts of TCO(Temperature Coefficient of the Offset Voltage) and TCS(Temperature Coefficient of the product Sensitivity) are less than ${\pm}6.7{\times}10^{-3}/^{\circ}C$ and ${\pm}8.2{\times}10^{-4}/^{\circ}C$, respectively. From these results, Si Hall sensors using the SOI structure presented here are very suitable for high-temperature operation.
This paper describes on an advanced technology of 3C-SiC/Si(100) wafer direct bonding using PECVD oxide to intermediate layer for SiCOI(SiC-on-Insulator) structure because it has an attractive characteristics such as a lower thermal stress, deposition temperature, more quick deposition rate and higher bonding strength than common used poly-Si and thermal oxide. The PECVD oxide was characterized by ATR-FTIR. The bonding strength with variation of HF pre treatment condition was measured by tensile strength measurement system. After etch-back using TMAH solution, roughness of 3CSiC surface crystallinity and bonded interface was measured and analyzed by AFM, XRD, and SEM respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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