Electrodeposition of tin on gold and nickel/gold substrate for wafer bonding application

The entire study has been conducted at Politecnico di Milano, in the laboratories and facilities of the SEE Lab-Surface & Electrochemical Engineering Labs. The aim of this master thesis was to obtain and develop the Solid-Liquid Interdiffusion Bonding process through the eutectic Au-Sn solder alloy, starting from the electrodeposition of the tin layer, and to investigate the role of the nickel interlayer between gold and tin. Such process is a fundamental step in the industrial hermetic sealing of micro-components, especially for its application in the Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) area. Firstly, an introduction that collects some of the previous works on this subject is presented as a state of the art. The literature background serves not only as a starting point, but also as a guideline for the execution of a correct procedure and as a reference for the obtained results. This collection contains the description of the principal wafer bonding processes, a review in the electrodeposition of tin and of the favorable conditions to form the gold-tin eutectic alloy and finally an overview of the bonding layer structures and on the phenomena that regulates the interaction between the nickel metal and the solder intermetallics. As a first step, the characterization and optimization of the tin methanesulfonate solution have been carried out, through cyclic and linear sweep voltammetry test. By considering the role of the additives in the solution, and with deposition efficiency test, an initial suitable solution was found. As a second step, the tin layer characterization was performed in order to find the optimal conditions to deposit tin on gold (or nickel/gold) substrate. By knowing the growing rate of this layer, surface morphologies and cross section compositional analysis have been conducted to define the best deposition parameters to obtain the desired layer structure. After these two important steps, the final part will be all about the SLID bonding test. In this work an experimental setup was invented to ease the process in the laboratory as well as to provide a convenient way to control and monitor the bonding process itself. The bonded wafers were investigated with the SEM-EDS to reveal the phases that had formed. The analysis was aimed to check the effect of the heat treatment on the specimens and the change of the applied pressure. Also the investigation on the effect of the Ni interlayer was carried out in the test described before.

L’intero lavoro è stato condotto al Politecnico di Milano, presso i laboratori del SEE Lab-Surface & Electrochemical Engineering Labs nel campus di via Mancinelli. Lo scopo di questa tesi è quello di ottenere e mettere a punto il processo di Solid-Liquid Interdiffusion Bonding svolto attraverso l’uso della lega saldante Au-Sn alla composizione eutettica, partendo dalla elettrodeposizione di uno strato di stagno, e di investigare il ruolo dello strato di nichel interposto tra oro e stagno. Tale processo è un passaggio fondamentale nella sigillatura ermetica di microcomponenti a livello industriale, specialmente per la sua applicazione nell’ambito dei Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS). In primo luogo, un’introduzione che raccoglie alcune delle opere precedenti riguardanti questo argomento sarà presentata come stato dell’arte. Questo serve non solo come punto di partenza, ma anche come guida per l’esecuzione di una procedura corretta e come riferimento per i risultati ottenuti. Questa raccolta contiene la descrizione dei principali processi di wafer bonding, una revisione della elettrodeposizione di stagno e delle condizioni favorevoli alla formazione di lega oro-stagno eutettica e infine una panoramica sulle strutture a strato di un bonding e sui fenomeni che regolano l’interazione tra il nichel e gli intermetallici della lega di saldatura. Come primo passo, sono state svolte la caratterizzazione e l’ottimizzazione della soluzione di stagno metansolfonato, tramite voltammetria ciclica e voltammetria a scansione lineare. Considerando i ruoli degli additivi in soluzione, e con test di efficienza di deposizione, è stata trovata una prima idonea soluzione Come secondo passo, la caratterizzazione dello strato di stagno è stata compiuta per poter trovare le condizioni ottimali con cui depositare stagno su substrato di oro (o stagno su nichel su oro). Conoscendo il tasso di crescita di questo strato, sono state rilevate le morfologie superficiali dei depositi ed è stata eseguita una analisi composizionale in sezione per definire i migliori parametri di deposizione per ottenere la struttura a strati desiderata. Dopo questi due step importanti, la parte finale è dedicata unicamente allo SLID bonding. In questo lavoro è stato inventato un apparato sperimentale per facilitare il processo in laboratorio ed anche per provvedere un modo conveniente di monitorare e controllare il bonding. VI I due wafer, una volta uniti, sono stati analizzati con la spettroscopia ad elettroni diffusi del SEM per rilevare le fasi che si sono formate. L’analisi è stata eseguita con lo scopo di valutare l’effetto del trattamento termico sui campioni e l’effetto del cambio di pressione applicata, mantenendo la temperatura e il tempo di processo fissati. Inoltre, è stata eseguita l’indagine sul ruolo dello strato interposto di Ni nel test descritto precedentemente.