Novel nano scale reactive material systems for bonding with internal heat source
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Microsystems
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
In dem Projekt „nanoreaktiF“ wurde ein Ansatz zur Herstellung eines vertikalen und integrierten reaktiven Multilagensystems (v-iRMS) untersucht. Der dafür notwendige Prozessablauf, bestehend aus Nanoimprint-Lithografie (NIL), reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) und elektrochemischer Abscheidung (ECD), konnte erfolgreich auf SOI-Substraten entwickelt werden. Aufbauend auf einer numerischen Simulation wurde ein Master-Layout für die NIL ausgelegt und mittels Elektronenstrahllithografie gefertigt. Für die NIL wurden zwei unterschiedliche Maschinenkonzepte und Lacksysteme untersucht. Mit Hilfe des „Substrat-konform“ arbeitenden SmartNILTM-Systems von EVGroup (EVG) und des speziell dafür entwickelten NIL-Lacks EVG UV/E1 konnte das Masterlayout mit hoher lateraler Strukturgenauigkeit in den Lack transferiert und vervielfältigt werden. Die Übertragung der NIL-Lackmaske in das Silizium erfolgte in einem zweistufigen Ablauf. In einem ersten Teilschritt wurde ein Trockenätzprozess für die Nanostrukturierung von PECVD-SiO2 entwickelt, während in einem zweiten Schritt die Tiefenstrukturierung der Si-Device-Ebene des SOI-Substrates durchgeführt wurde. Hierbei konnte eine 5 µm dicke Si-Device-Ebene eines SOI-Substrates bei einer Bilayerperiode von δ = 200 nm bis zum Zwischenoxid (BOX) vollständig durchgeätzt werden. Dies entspricht einem Aspektverhältnis der freistehenden Si-Stege von 58 (:1) und der geätzten Gräben von 47 (:1). Zur Herstellung des Ni/Si-Systems wurde eine Prozessabfolge zur elektrochemischen Abscheidung von Nickel in den freigeätzten Si- Gräben entwickelt. Mit Hilfe von Versuchen in einer Hull-Zelle konnten Parameter für eine Ni-Abscheidung mit Korngrößen von ca. 100 nm bei sehr geringen Rauheiten ermittelt werden. Diese Parameter sind eine notwendige Voraussetzung für ein erfolgreiches Füllen der geätzten Si-Nanogräben mittels ECD. Die Ni-Abscheidung in den Grabenstrukturen konnte nach einem mehrstufigen Vorbehandlungsprozess auf Chip-Level gezeigt werden. Aufgrund des Zwischenoxides (BOX) wies die Ni-Abscheidung bei einem SOI-Substrat im Vergleich zu einem Siliziumsubstrat ein deutlich „kornartigeres“ Gefüge auf. Abschließend wurden Zündversuche auf den Teststrukturen der erzeugten Ni/Si-Systeme durchgeführt. Hierbei konnte allerdings mit Hilfe einer externen Energiezufuhr keine exotherme Reaktion in dem System erzeugt werden. Die Ursache hierfür könnte darin begründet liegen, dass kleinste technologische Abweichungen von dem Simulationsergebnis (Stöchiometrie, Bilayerperiode, defekt-freie Metallschicht) zu einer Verhinderung der exothermen Reaktion führen.
Publications
- Modelling the reaction behavior in reactive multilayer systems on substrates used for wafer bonding, Journal of applied physics 115 (2014), No. 24, Art. 244311, 8 pp.
R. Masser, J. Bräuer und T. Geßner
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4885457) - Filling of high aspect ratio (AR) nanometerscale trenches by electrochemical deposition of nickel, Smart Systems Integration Conference 2015 (SSI), Cork (Irland), 2017 Mar 8-9; Proceedings, pp 391-394, ISBN 978-3-95735-057-2
C. Hofmann, F. Kurth, M. Wiemer und K. Hiller
