Au-Sn electrodeposition for MEMS oriented wafer eutectic bonding

The scope of this study focusses on the parametrization and execution of an effective Au-Sn eutectic bonding process between wafers for the application in industrial MEMS hermetic sealing. A thorough study of the materials and intermediate process steps is performed and detailed, exposing our starting points from both a known literature and intellectual standpoint. Our first step concerned the deposition of Sn on industrial Au plated substrates of varying thickness. This was faced with an approach aimed to reliable reproducibility by exploring the effects produced by the variation of key parameters and the subsequent establishment of a “standard” empirical deposition procedure to be employed in following tests Issues encountered and solved brought us to better understand the stability properties of the electrolytes used and advisable preservation precautions for the same. Through extensive Cyclic Voltammetry, XRD, SEM, XRF and optic characterization our deposition process was standardized after having achieved a result deemed promising to be used in the bonding process. Bonding was then performed following literature and empirically viable guidelines A method to test the feasibility of the process proper and its dependence on temperature, pressure and treatment time was employed, substituting the traditional repeated analysis of the same sample over time with the simultaneous testing of samples produced under varying conditions. This allowed us both to find the optimal bonding conditions and process parameters to achieve literature ideal final composition and to observe intermediate points in the reactions by employing parameters which promoted a slower kinetic evolution of the system. The end result demonstrated the process feasibility under laboratory conditions, recording process parameters with output fitting theoretical literature understanding of the phenomenon.

Lo scopo che questo studio si prefigge è di ottenere un insieme di parametri utili ed affidabili per l'ottenimento di uno strato di bonding tra wafer tramite l'utilizzo del punto eutettico del diagramma intermetallico oro-stagno. L'intento applicativo di questa ricerca trova utilizzo nel campo della microelettronica in cui la chiusura ermetica dei circuiti integrati e le loro capacità di gestire il calore sono, di anno in anno, sfide sempre più ardue. l'approccio intellettuale parte dalla necessità assoluta di affidabilità e ripetibilità, scopo primo e ultimo dell'intero studio. Nelle pagine successive è raccolta un'approfondita ricerca bibliografica sui temi affrontati, utile premessa per noi in sede di pianificazione ed attuazione del lavoro stesso e per il lettore per inquadrare il processo mentale che ci ha condotto ad attuare varie scelte specifiche. La suddivisione dello stato dell'arte della conoscenza scientifica attualmente disponibile è tripartita: ad un'introduzione al concetto di elettrodeposizione, con il suo studio nel caso specifico della deposizione di stagno su un metallo nobile, segue lo studio del diagramma di fase dei due metalli in esame, per poi concludere con la teoria del bonding vero e proprio. Lo scopo ultimo di questa teoria è stato di inquadrare le nostre scelte, da una definizione dei parametri operativi delle varie fasi, alle interazioni dei componenti e materiali, fino a quantificare dei parametri ideali per poter definire un risultato come ideale o accettabile. A corollario è incluso un capitolo con delle brevi introduzioni ai metodi e gli strumenti di caratterizzazione utilizzati. A concludere, dopo la teoria e la pratica, seguono le nostre conclusioni e prospettive future per questo ambito di ricerca, un capitolo sui metodi di misura sperimentale ed il loro funzionamento ed infine doverosi ringraziamenti a chi ha contribuito a rendere possibile questo lavoro, in modo diretto, o in modo più ampio come fonti bibliografiche.