TEKNIK WAFER BONDING DAN ETSA SELEKTIF DALAM FABRIKASI WAFER SOI
TESIS MAGISTER
Oleh: YUDI DARMA 20298032
BIDANG KHUSUS FISIKA MATERIAL ELEKTRONIKA PROGRAM STUDI FISIKA PROGRAM PASCA SARJANA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2000
TEKNIK WAFER BONDING DAN ETSA SELEKTIF DALAM FABRIKASI WAFER SOI
ABSTRAK Telah dilakukan proses wafer bonding yang mendukung fabrikasi wafer SOI khususnya dalam metoda ELTRAN dan SMARTCUT. Dihasilkan kualitas wafer bonding yang baik (stress > 2x105 N/m 2) dengan menggunakan gaya elektrostatik melalui elektroda karbon yang memiliki beda potensial sekitar 24 V pada temperatur 1150°C. Disisi lain proses wafer bonding didukung oleh pembentukan cluster O-H yang dihasilkan dari pencelupan silikon dioksida dalam campuran asam H 202: H2SO4 (l: 1) yang dilanjutkan dengan pemanasan pada 1150°C(stress > 105 N/m 2). Disamping proses wafer bonding, proses thinning dan selective etching sangat mempengaruhi pembuatan wafer SOI. Pemilihan KOH 30 % untuk proses thinning pada suhu 80° C menghasilkan laju pengikisan sekitar 2.4 pm/menit dan campuran HF:H 202 (1:5) dipilih untuk etsa selektif si-berpori dan menghasilkan laju pengikisan 0.1388 pm/menit pada suhu ruang dan 0.27 pm/menit pada suhu 100 °C.
ABSTRACT Wafer bonding process have been done to support SOI wafer fabrication especially in ELTRAN and SMARTCUT methods. The good quality of wafer bonding was yield by using electrostatic forces (stress >2x10 5 N/m`') with carbon electrodes that uses electrical potential around 24 V at 1150°C. On the other hand wafer bonding process can be done by produce O-H clusters that can be made in H,O,:H 2SO 4 (1: 1) mixture and continuing with heating treatment at 1150 °C (stress > 105 N/m- ). Besides, thinning and selective etching are also important process in SOI fabrication. KOH 30% have been chosen to etch silicon layers and yield 2,4 pm/minute etching rate at 80 °C. HF:H202 (1:5) mixture have been used to selective etching in porous silicon and give 0.1388 gm/minute etching rate at room temparature and 0.27 pm/minute at 100° C.
iii
DAFTAR ISI
Hal Abstrak................................................................................................iii Kata Pengantar....................................................................................iv Daftar isi .............................................................................................vi Daftar Gambar...................................................................................viii Daftar Tabel.........................................................................................ix BAB I PENDAHULUAN.................................................................1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Teknologi SOI...................................................................4 2.2 Metode ELTRAN..............................................................7 2.3 Metode SMARTCUT........................................................9 2.4 Teknik Wafer Bonding. 2.4.1 Bonding dengan Bantuan gaya mekanik......... 10 2.4.2 Bonding dengan Bantuan gaya elektrostastik..I l 2.4.3.Bonding dengan Bantuan Campuran Asam..... 12 2.5 Thinning dan etsa selektif................................................. 15 BAB III EKSPERIMEN 3.1 Persiapan Wafer Bonding dalam Metoda ELTRAN........ 17 3.1.1 Proses Sintesis Silikon Berpori....................... 17 3.2.2.Penumbuhan Lapisan Epitaksi........................ 19 3.2.3.Oksidasi ...........................................................20 3.2 Proses wafer Bonding.........:.............................................20 3.4 Proses Thinning dan etsa.................................................. 23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Karakterisasi Bahan Sebelum Wafer Bonding 4.1.1 Hasil Sintesis Silikon Berpori......................... 24 4.1.2 Hasil Penumbuhan Lapisan Epitaksi Silikon..29 4.1.3 Karaktersasi Hasil Oksidasi............................ 31 4.2 Hasil Wafer Bonding ...................................................... 31 4.2.1 Uji Kekuatan Bonding Secara Kuantitatif..... 34 4.3 Hasil Thinning dan etsa selektif...................................... 37
vi
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan....................................................................41 5.2 Saran..............................................................................42 DAFTAR PUSTAKA..........................................................................43 Lampiran A Hasil uji kekuatan wafer bonding dalam grafik.................... 45
DAFTAR GAMBAR Hal Gambar 2.1. Sebuah MOSFET yang dibangun diatas substrate SOI.................................................................4 Gambar 2.2. Perbandingan kapasitansi parasitik bulk dan SOI......... 5 Gambar 2.3. Fabrikasi wafer SOI dengan Metoda ELTRAN............ 7 Gambar 2.4. Skema Metoda Smartcut.................. ............................. 9 Gambar 2.5. Skema wafer bonding dengan bantuan gaya luar F Pada suhu 700oC dan dialiri gas Oksigen.................. I l Gambar 2.6. wafer bonding dengan elektroda karbon...................... 12 Gambar 2.7. Skema wafer bonding pada suhu 1100oC dan dialiri Gas nitrogen setelah dicuci dengan H202:H2SO4...... 13 Gambar 2.8. Proses Wafer bonding pada temperatur ruang ............14 Gambar 2.9. Proses Wafer bonding pada temperatur 200oC........... 14 Gambar 2.10. Proses wafer bonding pada temperatur diatas 700oC..15 Gambar 2.11. Karakteristik etsa pada silikon berpori........................ 16 Gambar 3.1. Pembentukan Silikon berpori......................................17 Gambar 3.2. Eksperimen Si-Berpori................................................ 19 Gambar 3.3.1 Bonding kondisi pertama............................................ 20 Gambar 3.3.2 Bonding kondisi kedua...... .......................................... 21 Gambar 3.3.3 Bonding kondisi ketiga................................................ 21 Gambar 3.3.4 Bonding kondisi keempat............................................ 22 Gambar 3.3.5 Bonding kondisi kelima.............................................. 22 Gambar 3.4. Foto eksperimen wafer bonding .................................. 23 Gambar 4.1. Hasil XRD silikon berpori 30 menit........................... 25 Gambar 4.2. Foto SEM Si-Berpori........... ......... ............ .................. 26 Gambar 4.3. Perbandingan ekspansi kisi silikon berpori................ 27 Gambar 4.4. Foto SEM penampang Si-berpori secara utuh............ 27 Gambar 4.5. Foto SEM Penampang Si-Berpori bagian depan........ 28 Gambar 4.6 Foto SEM Penampang Si-Berpori bagian belakang...28 Gambar 4.7 Hasil XRD lapisan epitaksi diatas Si-Porous 30'.......29 Gambar 4.8 Hasil SEM lapisan tipis epitaksi silikon..................... 30 Gambar 4.9 Hasil SEM lapisan tebal epitaksi silikon.................... 31 Gambar 4.10 Foto SEM penampang wafer Bonding ...................... 33 Gambar 4.11 Skema pengujian kekuatan bonding ........................... 34 Gambar 4.12 Hasil superimpose uji kekuatan wafer bonding .......... 36 Gambar 4.13 Huburgan walctc etsa dan ketebalan Si yang terbuang........................................38
viii
DAFTAR TABEL Hal Tabel 2.1
Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3
Rata-rata etsa untuk Si berpori dan selektivitas Etsa antara Si berpori dan Si tak berpori dengan Etchant...................................................................16 Ketebalan Silikon dioksida hasil oksidasi kering Berdasarkan warm permukaan.............................. 31 Hasil uji kekuatan wafer bonding .......................... 335 Pengikisan silikon oleh KOH 30 % pada 80°C.....38
BAB.I PENDAHULUAN
Wafer silicon-on-insulator (SOI)
yang sekarang secara
komersial tersedia di Jepang, Amerika dan beberapa negara di Eropa dihasilkan dengan teknik penempelan wafer (wafer bonding) dilanjutkan dengan beberapa variasi teknik penipisan (thinning techniques). Dalam beberapa tahun teknik ini sudah dapat bersaing dengan wafer SOI yang dihasilkan dengan metoda implantasi ion yaitu yang lebih dikenal dengan technologi SIMOX (seperation-by-implantation of-oksigen). Kesuksesan ini ditunjukkan dengan di hasilkannya lapisan yang sangat tipis (ultrathin) SOI dengan ketebalan kurang dari I pm diatas lapisan insulatori l l .
Wafer bonding sudah dilakukan di industri-industri fabrikasi sensor tapi masih terus dilakukan pengembangan. Baru-baru ini wafer
bonding juga dilakukan sebagai salah satu langkah dalam produksi LEDs. Pengembangan teknik baru dalam wafer bonding terus dilakukan seperti halnya dalam pengembangan wafer yang melibatkan proses implantasi hidrogen yang biasa dikenal dengan istilah Smart-Cut. Metoda yang terakhir ini juga mengandalkan wafer bonding sebagai proses penting untuk membangun wafer SOI dan diharapkan metode ini dapat menjadi teknologi alternatifyang lebih menjanjikan'l' Peranan proses penipisan dan
selective eching juga sangat menentukan keberhasilan pembuatan wafer SOI. Beberapa teknik untuk proses penipisan ini telah dilakukan dan terus dikembangkan untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. Proses penipisan dan selective
I
ecthing i ni merupakan rangkaian proses yang tidak dapat dipisahkan dengan wafer bonding dalam fabrikasi wafer SOI, karena wafer hasil bonding masih perlu diolah den-an membuang lapisan-lapisan yang sudah tidak diperlukan la-i. Dalam penelitian ini telah dilakukan beberapa teknik bonding dan proses penipisan wafer serta selective etching sebagai bagian dari proses pembuatan wafer SOI. Dalam tulisan ini proses wafer bonding dan selective etching merupakan bagian dari urutan proses epitaxial layer transfer (ELTRAN) serta dibahas juga kemungkinan aplikasi wafer bonding dan selective etching dalam metode-metode fabrikasi SOI lainnya. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan suatu teknik wafer bonding yang baik dengan memanfaatkan fasilitas yang ada di lab.fismatel jurusan Fisika ITB dan melakukan optimasi terhadap metoda penipisan wafer serta selective etching sebagai bagian penting dalam pembuatan wafer SOI. Penelitian ini difokuskan kepada teknik wafer bonding dan selective etching terutama dalam proses fabrikasi wafer SOI dengan metode ELTRAN. Dalam penelitian ini akan diperlihatkan beberapa metoda wafer bonding disertai uji kekuatan masing-masing kondisi, dan dilanjutkan dengan proses penipisan dan selective etching yang juga dilengkapi data-data eksperimen. Sebelum dilakukan wafer bonding dan selective etching perlu dilakukan beberapa proses yang juga merupakan rangkaian proses awal dalam metoda ELTRAN diantaranya adalah oksidasi, sintesa silikon berpori dan penumbuhar epitaksi. Hasil-hasil
3 proses sebelum wafer bonding dan selective ething ini juga akan disampaikan dalam tulisan ini. Sistematika penulisan tesis ini adalah pembahasan teknologi SOI secara umum yang difokuskan pada metoda ELTRAN diikuti penjelasan mengenai fenomena yang terdapat dalam proses wafer bonding dan selective ecthing disertai dasar-dasar eksperimen pada bagian kedua setelah pendahuluan pada bagian pertama, keniudian dilanjutkan dengan proses eksperimen pada bagian ketiga. Pada bagian keempat dilakukan pembahasan yang berupa karakterisasi dan pengujian terhadap hasil eksperimen. Di bagian akhir dirumuskan beberapa kesimpulan dan saran.
BAB II TEORI DASAR
2.1. Teknologi SOl Keuntungan menggunakan isolasi dielekrik, telah menjadi alasan yang utama dari pengembangan berbagai jenis teknologi siliconon-insulator (SOI). Dalam kenyataannya, ide pertama dari insulated gate-fielt-effect transistor (IGFET) oleh Lilienfield (1926) juga merupakan devais SOI 121 . Banyak teknik yang sudah dikembangkan untuk mendapatkan struktur film SOI. Beberapa diantaranya menggunakan cara berdasarkan penumbuhan homoepitaxial dari silikon di atas silikon, metoda lain yang menjanjikan adalah den,-,an menggunakan ikatan wafer dimana SOI didapatkan dengan menipiskan wafer silikon yang terikat pada insulator dan substrat. SOI material dapat dibuat juga dengan menggunakan `ion beam synthesis' dari lapisan insulator tertanam yang biasa dikenal dengan SIMOX (Separation by Implanted Oxygen). Gambar 2.1 memperlihatkan struktur MOSFET yang dibangun diatas wafer SOI.
5 Banyak keuntungan yang didapat dengan menggunakan struktur SOI. Salah satu keistimewaan struktur SOI adalah rendahnya kapasitansi
sambungan _yang
mengganggu (`junction
parasitic
capacitance') yang dapat membuat sirkuit beroperasi pada kecepatan tinggi. Diperkirakan terdapat penambahan 20-40% kecepatan dengan menggunakan SOI karena berkurangnya kapasitansi parasitik. Hal ini sangat penting untuk devais channel pendek. Perbandingan kapasitansi parasitik antara bulk dan SOI MOSFET diperlihatkan pada gambar 2.2.
SOI juga tahan radiasi
yang tinggi dan mencegah latch-up
dengan menghilangkan sambungan antara sumur isolasi ( `isolation wells'). Isolasi terbentuk oleh lapisan pengisolasi di dalam SOI yang berfungsi mengurangi latch-up dan menyederhanakan proses pengisolasian devais yang satu dengan yang lainnya. Deiigan SOI,
sumur-sumur (wells) dan lapisan doped tertanam tidak diperlukan lagi sehingga ukuran sirkuit menjadi lebih kecil dibandingkan sirkuit bulk silikon. Jumlah langkah proses fabrikasi devais di atas wafer SOI dapat direduksi sampai 30%, dan luas sirkuit juga berkurang sampai 60% dibanding menggunakan bulk. Teknologi SOI dapat dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu film SOI tebal dan film tipis. Teknologi wafer film tebal umumnya menghasilkan silikon dengan tebal I [Lm atau lebih, sedangkan lapisan film tipis jarang mencapai sampai 0,5 gm. Jenis film tebal sangat sesuai untuk aplikasi berdaya tinggi (high power),analog, sensor dan smartpower dengan menggunakan teknologi bipolar atau bipolar-CMOS. Sementara itu teknologi film tipis SOI yang sangat cocok untuk aplikasi berdaya rendah (low power) dan kecepatan tinggi (high speed). Pada wafer SOI, dengan lapisan oksida yang tebalnya lebih kecil dari 0,5 pm dibawah lapisan silikon dengan tebal kurang dari 0,25 pm, gradien kemiringan subthreshold yang begitu curam dari transistor CMOS film tipis SOI memungkinkan tegangan ambang (voltage
threshold) menurun, juga kecepatan sirkuit dapat dipertahankan tanpa mengakibatkan kebocoran arus dan standby power. Keunggulan lain dibandingkan den-an sirkuit bulk adalah
junction dari devais fil m tipis SOI yang kecil, sehingga dapat menurunkan catu daya. dimana ini tidak ditunjukkan oleh sirkuit bulk. Oksida insulasi diset sebagai batas junction, dan juga kapasitansi deplesi hampir dapat dihilangkan . Dengan demikian, film tipis SOI sangat sesuai dengan operasi low voltage. Salah satu kebaikannya adalah kemampuan untuk menghasilkan performance yang layak pada tingkat
low voltage dan dengan konsumsi low power. Pada kenyataannya, aplikasi
film tipis SOI pada beberapa tahun terakhir ini dapat
menunjukkan
operasi sirkuit dibawah 2,2 Volt dan baru-baru ini
mencapai I Volt.
2.2. Metode ELTRAN Metode ELTRAN (epitarial layer transfered) adalah salah satu cara membangun wafer SOI dengan memanfaatkan teknik wafer
bonding dan teknik penipisan serta selective etching. Dari gambar 2.3 dapat diamati bahwa proses wafer bonding dan selective etching merupakan tahap akhir dari metoda ELTRAN.
8
Lapisan silikon berpori dibuat dengan metode elektrokimia galvanostatik, dilakukan dengan mencampur larutan HF (50%) dan ethanol absolut (CZ HS OH). Kemudian dilanjutkan proses penumbuhan epitaksi silikon di atas lapisan silikon berpori dilakukan dengan metode LPCVD (Low Presurre Chemical Vapor Deposition) yang disertai
annaeling pada temperatur 800 °C. Wafer yang sudah ditumbuhi lapisan epitaksi di atas silikon berpori ini kemudian dioksidasi dan dilakukan proses wafer bonding dengan wafer lain yang hanya dioksidasi (handle wafer), dimana diharapkan oksida siiikon masing-masing wafer akan menyatu satu sama lainnya. Thinning dilakukan untuk membuang lapisan wafer yang tidak diperlukan melalui dua cars yaitu cara kimia atau cara mekanik. Pengikisan atau etsa lapisan silikon berpori dilakukan secara selektif untuk menjamin pembuangan iapisan silikon berpori tanpa merusak lapisan epitaksi silikon, sehingga diharapkan dapat menghasilkan wafer SOI dengan kualitas baik. Penumbuhan lapisan epitaksi silikon di atas lapisan silikon berpori menghasilkan epitaksi silikon dengan derajat kristalitas yang cukup tinggi disebabkan rapat cacat stacking fault rendah dan kekasaran permukaan juga rendah. Silikon berpori itu sendiri berfungsi sebagai
buffer layer bagi penumbuhan dan juga sebagai etch stop yang meninggalkan lapisan epitaksi siiikon tanpa terkikis.
9 2.3. Metode SMARTCUT Metode Smartcut ini juga salah satu cara untuk membangun wafer SOI dengan memanfaatkan teknik wafer bonding. Pada gambar 2.4 berikut akan diperlihatkan pemanfaatan teknik wafer bonding sebagai bagian dari metode Smartcut.
10
Pada metoda Smartcut, wafer silikon diimplantasikan ion-ion hidrogen dengan dosis tinggi sekitar l.5x10"cm'I' I , i on-ion hidrogen dapat digantikan dengan gas lain yang inert. Sementara wafer silikon yang lain dioksidasi, clan kemudian wafer pertama yang sudah diimplantasikan ion hidrogen ditempelkan dengan wafer kedua melalui proses wafer bonding. Setelah kedua wafer menyatu dilakukan perlakuan panas untuk membuang lapisan hidrogen yang tertanam yang menghasilkan wafer SOI dengan lapisan silikon tipis diatas lapisan insulator.
2.4.
Teknik Wafer Bonding Proses wafer bonding merupakan proses penempelen oksida
silikon yang terdapat pada permukaan masinb masing wafer sehinggga kedua wafer menyatu. Kedua wafer yang akan dibonding harus memiliki permukaan yang flat clan halus serta bersih dari kotoran atau molekul gas yang inert.
Wafer bonding dapat dilakukan den-an beberapa cara yang dibagi berdasarkan perangkat serta metode yang digunakan. Beberapa teknik wafer bonding tersebut adalah sebagai berikut 131
2.4.1
Bonding dengan bantuan gaya mekanik Dua wafer silikon yang sudah dioksidasi ditekan bersama
dengan gaya yang cukup clan kemudian dioksidasi kembali dalam ruang yang dilingkupi oksigen pada suhu 700° C. Bonding dengan kondisi ini diyakini akan terjadi sebagai hasil pertukaran dari gas-gas oksigen diantara kedua wafer dengan gas-gas oksigen pada lapisan Si02.
11
Pertukaran ini diperkirakan dapat menghasilkan suatu bagian vakum yang memaksa kedua wafer untuk melekat melalui penempelan reaksi kimia. Proses ini diyakini menghasilkan proses polimerisasi ikatan
silanol menjadi bentuk jaringan siloxane. Proses ini secara skematik diperlihatkan pada gambar 2.5.
2.4.2.
Bonding dengan gaya elektrostatik Teknik
wafer bonding juga
dapar
menggunakan gaya
elektrostatik sebagai pengganti gaya mekanik dari luar. Metoda ini menggunakan karbon sebagai elektroda, dan elektroda karbon mengapit kedua wafer yang hendak dibonding dengan diberi beda potensial. Rangkaian sistem ini kemudian dipanaskan dalam tungku dengan temperatur 1100-1 150° C. Skema metode ini diperlihatkan pada gambar 2.6.
12 Bonding dengan metoda elektrostatik memiliki keuntungan yaitu tidak menimbulkan cacat kristal pada wafer yang akan dibonding.
Wafer yang dibonding juga bebas dari dislokasi karena gaya yang ada adalah gaya elektrostatik yang dibangkitkan antara permukaan oksida, bukan gaya eksternal. Gaya elektrostatik yang di bangkitkan selama proses
bonding menimbulkan medan listrik yang sangat besar
menyebabkan adanya gerakan spesies muatan H+ dan OH - dalam Si0 2 menuju ke permukaan lapisan oksida yang dihasilkan dari adanya ikatan Si-OH dan Si-H yang terbentuk selama penumbuhan oksida. Spesies muatan H + dan OH" inilah yang berperan dalam proses bonding.
2.4.3.
Bonding dengan bantuan campuran asam Teknik wafer bonding yang lain adalah suatu wafer silikon
yang dioksidasi ditempelkan dengan wafer silikon yang lain tanpa dioksidasi terlebih dahulu. Kedua wafer ini sebelum ditempelkan pada temperatur ruang dibersihkan terlebih dahulu dengan campuran H,O z-
H2SO4. Perlakuan dengan menggunakan asam ini bertujuan untuk membentuk group O-H diatas permukaan wafer. Setelah dikeringkan, kedua permukaan wafer di tempelkan pada temperatur ruang dalam ruangan yang bersih. Kontak adesif-diri akan terbentuk dan tidak diperlukan tekanan atau gaya untuk menempelkan wafer ini. Hasil bonding dalam suhu ruang ini kemudian dipanaskan pada suhu 1100° C dalam gas nitrogen selama beberapa jam. Gambar 2.7 memperlihatkan proses ini.
Pencelupan wafer yang akan dibonding dalam larutan asam dilakukan untuk menghasilkan permukaan yang hydropholic dimana larutan ini mengandung gugus OH. Campuran larutan H ZOZ dan H2SO4 dapat digunakan untuk mendapatkan permukaan yang hydropholic. 2H202 + H2 SO4 --- 10
H 2 S +2 H,O + 3 02
(2.1)
Proses wafer bonding menggambarkan proses ikatan kimia pada temperatur yang berbedaI'l. Permukaan silikon yang telah dihidrasi,
cluster molekul air berada pada permukaan wafer yang dioksidasi. Ketika dua permukaan wafer disentuhkan pada temperatur ruang maka terbentuk ikatan hidrogen melalui air yang diadsorbsi pada permukaan lapisan oksida.
Pada temperatur diatas 200 °C, air yang diadsorbsi dipisahkan dari kelompok SiOH dan membentuk cluster water tetramer, seperti pada gambar 2.9
15
Sedangkan pada temperatur yang lebih tinggi dari 700 ° C, cluster water lenyap dan meninggalkan ikatan Si-O-Si
2.5. Thinning dan Etsa Selektif Thinning (Penipisan) merupakan proses menghilangkan lapisan
silikon yang berada di atas lapisan silikon berpori. Proses penipisan dapat dilakukan dengan grinding secara mekanik dengan mengikis atau mengasah lapisan silikon, dengan demikian lapisan silikon berpori dapat dietsa. Proses penipisan juga dapat dilakukan dengan menggunakan cairan kimia yang dapat melarutkan lapisan silikon yang tidak diperlukan. Pemilihan cairan atau zat kimia ini harus dilakukan secara cermat agar bahan yang ingin kita buang saja . yang terkikis sedangkan bahan lain tidak rusak. Dalam proses etsa faktor rata-rata etsa yang layak pada Si berpori dan selektivitas yang cukup tinggi merupakan faktor yang sangat penting. Ada tiga jenis metoda etsa yang menggunakan larutan HF dengan berbagai macam penghantar (agent) yang berfungsi sebzgai pengoksidasi.
Berbeda dengan kedua etchant
larutan 49% HF : 30% H, 02,
dengan perbandingan volume 1 : 5 dapat mengetsa 10 gm ketebalan Si berpori dalam waktu 100 menit, dengan selektivitas etsa yang cukup tinggi 105 dan meninggalkan lapisan eptaksi silikon tanpa menurunkan ketebalan dari lapisan epitaksi.
BAB III EKSPERIMEN 3.1. Persiapan Wafer Bonding dalam Metoda ELTRAN Seperti yang terlihat dalam skema metoda ELTRAN maka sebelum dilakukan proses wafer bonding terlebih dahulu diawali dengan sintesa silikon berpori, penumbuhan lapisan epitaksi serta oksidasi.
3.1.1. Proses Sintesis Silikon Berpori Metode
yang
digunakan
adalah
metode
elektrokimia
galvanostatik yang menggunakan sumber arus tetap. Komponen pembangun sel elektrokimia terdiri atas bejana tempat elektrolit, larutan elektrolit , dan dua elektroda seperti pada gambar 3.1. Larutan elektrolit yang digunakan ialah larutan HF nonaqua, yaitu campuran HF dengan etanol (C,H S OH) absolut. Konfigurasi elektroda yang digunakan mirip dengan yang dipakai Jung dkkl'l'
18
Dengan konfigurasi ini arus mengafr secara lateral melalui wafer (dari bagian atas ke bagian bawah). Proses pembentukan silikon berpori tidak serentak mulai dari seluruh permukaan elektroda silikon. Pembentukan sifkon berpori terjadi pada kedua sisi elektroda silikon yang tercelup dalam larutan elektrolit. Secara rinci peralatan clan bahan yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Peralatan: •
Beaker plastik polipropilen 250 ml
•
Penjepit buava-buaya
•
Lempeng platina (elekroda Pt)
•
Magnetik stirrer
•
Sumber arus tetap 1000 mA
•
Stirring bar
?.Bahan: •
irarutan C,H;OH (etanol)
•
Larutan HF
•
Bahan-bahan kimia untuk pencucian wafer
•
Wafer silikon tipe N (100), 0,1-0,9 Qcm, tebalnya 380 pm Sebelum proses elektrokimia diiakukan semua alat clan bahan
yang akan digunakan dibersihkan terlebih dahulu dengan metoda standar untuk masing-masing komponen clan bahan. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan larutan elektrolit campuran HF ;0% clan etanol absolut dengan perbandingan 1:1. Pe:nuuatan pouros silikor, ini dilakukan dengan mengalitkan arus sebesar 46 mA atau dengan rapat arus 46 mAlcm'. Proses pemuuatan
19
pouros
i ni
dilakukan
den- an
waktu
30
menit.
Setelah
proses
elektrokimia ini selesai, sampel direndam dalam aquadest dan pada saat perendaman sampel dapat diamati secara langsung adanya gelembunggeiembung udara yang keluar dari sampel. Gambar 3.2 memperlihatkan foto eksperimen.
3.2.2. Penumbuhan Lapisan Epitaksi Penumbuhan lapisan epitaksi ini dilakukan diatas porous silikon yang sudah ada. Proses penumbuhan lapisar epitaksi dilakukan dengan reaktor LPCVD (low Pressure chemical vapor depotition). Proses penumbuhan lapisan epitaksi ini dilakukan secara bervariasi menurut waktu. Penumbuhan lapisan epitaksi yang tipis dilakukan dengan LPCVD selama 8 menit dengan suhu reaktor 600 °C, sedangkan untuk penumbuhan epi yang tebal dilakukan selama 35 menit dengan suhu reaktor 700°C.
20
3.2.3. Oksidasi Proses oksidasi dilakukan dengan cara oksidasi kering pada suhu 1000 ° C dan flow gas Oksigen sebesar 90 sccm dengan waktu yang bervariasi untuk mendapatkan ketebalan oksida yang bervariasi pula. Silikon dioksida ini ditumbuhkan diatas lapisan epitaksi untuk devais wafer dan diatas silikon biasa untuk handle wafer. Untuk membentuk oksida yang lebih tebal diperlukan waktu yang lebih lama.
3.2. Proses Wafer Bonding Proses wafer bonding dilakukan dengan beberapa metoda yang meggunakan beberapa kondisi yang berbeda. Dalam penelitian ini dilakukan lima variasi wafer bonding yang disesuaikan dengan kondisi lab.Fismatel Jurusan Fisika ITB dengan tetap mempertimbangkan fungsi dan kegunaan proses ini. Lima variasi wafer bonding tersebut adalah sebagai berikut: 1.
Divais wafer dan handle wafer masing masing memi!iki ketebalan oksida yang sama yaitu 0,175 um, ditempelkan dengan memberikan gaya luar. Waktu proses 4 x 60 menit pada temperatur 1150 ° C dengan aliran gas 02 30 sccm.
22
4.
Devais wafer memiliki ketebalan oksida 0,225 pm dan handle wafer tidak dioksidasi. Proses dilakukan selama 4 x 60 menit dengan temperatur 1150 °C tanpa dialiri gas apapun. Sebelum dipanaskan kedua wafer dicelupkan ke dalam campuran H Z OZ : H2SO4 (1:1) selama 15 jam clan dikeringkan dengan N Z .
5.
Devais wafer memiliki ketebalan oksida 0,3 pm clan handle wafer memiliki ketebalan oksida 0,275 pm. Proses dilakukan selama 4 x 60 menit dengan temperatur 1150 °C tanpa dialiri gas apapun. Sebelum dipanaskan kedua wafer dicelupkan ke dalam campuran H,O, : H,SO 4 (1:1) selama 15 menit dan dikeringkan dengan N Z . Pada proses ini digunakan gaya elektrostatik dengan bantuan elektroda karbon yangmemiliki beda potensial 8-12 V.
23
Foto eksperimen wafer bonding seperti terlihat pada gambar 3.4 berikut.
Gambar 3.4 foto eksperimen wafer bonding
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil dan Karakterisasi Bahan Sebelum Wafer Bonding Sebelum meninjau hasil wafer bonding terlebih dahulu akan dibahas hasil-hasil proses yang dilakukan dalam penyiapan bahan yang akan di bonding. Tahap-tahap yang akan ditinjau adalah hasil sintesa silikon berpori, has; penumbuhan epitaksi diatas silikon berpori dan hasil oksidasi baik untuk device wafer maupun untuk handle wafer.
4.1.1. Hasi l Sintesis Silikon Berpori Untuk mengetahui hasil dan kualitas sintesis silikon berpori dilakukan karakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-X (XRD) dan Scanning Electron Micrscopy (SEM). Dari dua karakterisasi ini cukup untuk menganalisa silikon berpori yang akan digunakan sebagai
buffer layer bagi penumbuhan lapisan epitaksi silikon.
Karakterisasi Difraksi Sinar-X (XRD) Karakterisasi awal yang dilakukan pada sintesis silikon berpori adalah difraksi sinar-X (XRD). Karakterisasi ini dilakukan untuk memperoleh data yang digunakan untuk menentukan ekspansi kisi setelah silikonberpori terbentuk. Ekspansi kisi dapat diketahui melalui persamaan
Eks =
dps
dks
d X100%
(4.1)
25
dp, adalah panjang kisi silikon berpori dan dk, adalah panjang kisi kristal siikon. Ekspansi kisi silikon berpori yang masih diperbolehkan sekitar 0,3% - 0,4 %. Pada nilai tersebut silikon berpori masih memiliki sifat monokristal dari silikon kristal. Pola XRD untuk silikon berpori dengan waktu sintesis 30 menit terjadi pada sudut 20 = 69,55 ° dengan intensitas (cps) = 81228,92 masih memiliki sifat kristal tunggal dengan puncak yang tunggal pada bidang (400) dengan ekspansi kisi sekitar 0,31%.
Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) Dari hasil SEM pada gambar 4.2 terlihat silikon kristal dengan waktu sintesis 30 menit sudah membentuk pori. Pembentukan pori relatif lebih rata dan seragam dibandingkan dengan waktu sintesis lainnya. Pada waktu sintesis 20 menit belum terlihat adanya pori dan
26
dengan
waktu sintesis
45
menit
permukaan si-berpori sudah
menunjukkan gejala yang rusak yaitu ukuran pori yang sangat besar dan dalam. Hal ini dapat dijelaskan dengan bantuan gambar 4.3 yang mamaparkan konstanta ekspansi kisi silikon berpori sintesis yang berbeda.
untuk waktu
Waktu sintesis silikon berpori 30 menit dapat digunakan untuk menghasilkan silikon berpori sebagai buffer layer bagi penumbuhan lapisan epitaksi silikon disamping sebagai etch stop dengan sifat monokristalnya. Ukuran pori yang terbentuk bervariasi yaitu dengan diameter berkisar antara 1,01 pm - 10 gm dengan kedalaman pori 20gm. Lapisan Silikon berpori terbentuk di kedua sisi wafer baik pada bagian depan (lapisan yang dipolis) maupun pada bagian belakang. Gambar berikut memperlihatkan penampang wafer silikon berpori dengan foto SEM.
Dari foto SEM Terlihat ketebalan porous silikon yang terbentuk pada bagian depan wafer sekitar 50 gm dengan kedalaman pori mencapai 21 gm, sedangkan pada bagian belakang terbentuk lapisan porous silikon setebal 44 gm dengan kedalaman pori maksimal sekitar 35 gm.
29
4.1.2
Hasil Penumbuhan Lapisan Epitaksi Silikon Lapisan epitaksi yang ditumbuhkan diatas silikon berpori 30
menit dianalisa menggunakan X-ray difraction dan foto mikro SEM, berikut diperlihatkan hasil yang didapat.
30
Hasil XRD lapisan tipis dan lapisan tebal epitaksi silikon terlihat pada gambar 4.7. Pola XRD untuk lapisan tipis epitaksi silikon terjadi pada sudut sudut 20 = 69,55 ° dengan intensitas (cps) = 113640,03 masih memiliki sifat kristal tunggal dengan parameter kisi 5,42 A, orientasi bidang (400) dan FWHM 0,22 ° . Sedangkan pola XRD untuk lapisan tebal epitaksi silikon terjadi pada sudut sudut 20 = 69,55 ° dengan intensitas (cps) = 138803,31 masih memiliki sifat kristal tunggal dengan parameter kisi 5,42 A, orientasi bidang (400) dan FWHM 0,26 ° .
Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) Hasil
SEM pada gambar 4.8 menunjukkan lapisan tipis
epitaksi. Gambar 4.9 menunjukkan lapisan tebal epitaksi silikon yang memiliki
ukuran
butir
van-, hampir sama, menyebar diseluruh
permukaan dengan ukuran butir sekitar 739 nm, dan ketebalan lapisan epitaksi silikon 2,01 pm.
4.2 Hasil Wafer Bonding Dalam penelitian ini telah dilakukan proses wafer bonding dengan 5 kondisi yang merupakan kombinasi dari proses-proses dasar yang telah ada. Variasi perlakuan terhadap proses bonding ini dilakukar
32
untuk mengatasi kualitas hasil wafer bonding sebelumnya. Ada beberapa fenomena yang ditemukan saat melakukan wafer bonding dengan faSliitaSyang terSedia di iab. Fismatei jurusan Flslka !TB diantaranya: 1.
Bonding yang dilakukan dengan temperatur dibawah 1100 °C memiliki kekuatan yang sangat rendah dan cenderung untuk tidak berhasil menyatukan kedua wafer.
2.
Proses bonding yang berlangsung kurang dari 120 menit belum pernah berhasil untuk beberapa variasi kondisi.
3.
Proses yang berlangsung selama 3 jam masih memiliki tingkat kekuatan yang rendah, terbukti setelah dilakukan pemanasan ulang pada suhu 1100 °C wafer yang sudah menempel kembali terpisah.
4.
Pelaksanaan bonding tanpa pemberian gaya baik gaya mekanik maupun gaya elektrostatik belum menunjukkan hasil yang baik dan cenderung gagal.
5.
Proses bonding yang berada dalam naungan gas Nitrogen belum berhasil membentuk ikatan yang kuat dan cenderung untuk tidak menempel. Dari fenomena diatas maka dilakukan penyesuaian metode
proses bonding seperti yang dijelaskan pada bagian sebelumnya. Beberapa I:ondisi tetap yang dipilih untuk proses wafer bonding adalah temperatur proses dipertahankan pada 1150 °C, waktu proses dipilih 4 jam clan dengan tidak menggunakan aliran gas nitrogen. Ke lima kondisi yang dilakukan seperti yang di jelaskan pada bagian eksperimen masing masing dilakukan 2 kali dengan langkahlangkah varg persis sama dan menunjukkan hasil yang relatif lebih
33
bagus dibandingkan variasi lain yang tidak dibahas, hal ini terbukti dengan kekuatan bonding yang dihasilkan. Berikut ini diperlihatkan hasil foto SEM beberapa penampang hasil wafer bonding.
34
Hasil dari kelima metode bonding ini telah diuji secara kualitatif yaitu den-an cara menjatuhkan dari ketinggian 1,5 meter sebanyak 3 kali untuk masing-masing hasil bonding.
4.2.1 Uji Kekuatan Bonding secara kuantitatif Hasil dari kelima teknik ini diuji kembali kualitas kekuatan penempelannya. Metode yang digunakan adalah dengan pemberian beban kepada masing masing penampang kontak. Hal ini akan dapat memberikan gambaran tentang seberapa kuat bidang kontak penempelan tersebut dapat menahan beban atau gaya. Ukuran gaya maksimum yang masih dapat diterima batas penempelan
bahan sangat berarti untuk proses mekanik selanjutnya,
karena akan dapat menentukan gaya optimum saat proses dilakukan. Metoda pengujian ini divisulisasikan pada gambar 4.11 berikut.
35
Pengujian dilakukan dengan pemberian beban secara bertahap untuk masing-masing hasil bonding. Ukuran beban yang digunakan sangat bervariasi yaitu mulai dari 20 mg sampai pada 500g. Perhitungan dilakukan dengan membandingkan gaya gravitasi yang bekerja pada bahan hasil bonding dengan luas bidang kontak penempelan. Masing-masing teknik bonding diwakili oleh 3 sampel kecuali teknik ke 3 yang hanya diwakili 2 sampel yang dihasilkan dari dua kali proses dengan langkah-langkah yang persis sama. Hasil pengujian seperti berikut.
Tabel 4.2 Hasil uji kekuatan wafer bonding (g=9,8 m/S Z)
Teknik bonding
Luas bid.kontak
Beban max.
Gaya/sat. luas
Metode 1
3,60x10-' m2
5,88x10"' kg
1,60x10' N/m`
2,41x10-5 m2
6,84x10 -3 kg
2,78x10 3 N/m 2
3,67 x10-5 m 2
2,88x10 -3 kg
6,98x10 2 N/m 2
2,40x 10 -' m`
1,78x10 -' kg
7,26x 10 2 N /m 2
2,44 x10-5 m 2
5,88x10 -3 kg
2,26x10 2 N/m 2
4,36 x10 -5 m'-
gagal
gagal
2,16x10- ' m2
>0,5008 kg
>2,27x10 5 N1 m2
2,40 x10 -5 m2
>0,5008 kg
>2.04xl05N/m 2
2,63x 10- m
320,8x 10'' kg
1,20x 10 N/m
Metode 2
Metode 3
Metode 4
Metode 5
2,65 X 1 0-1 m2 3,54 X10,5 m2
200,8x
>0,5008 kg
> 1,39x 105 N/m2
3,76x10 -' m`
>0,5008 kg
>1,32x10' N/m 2
2,32x10-5 tn2
450,8x10 -3 kg
1,91x10 5 N/m 2
4,13 X10-1
>0,5008 kg
> 1,19x 10 5 N/m 2
m2
1 0-3
kg
7,43x 104 N/m 2
36
Jika data diatas ditayangkan dalam bentuk grafik maka akan diperoleh gambar sebagai berikut:
37
Darn hasil perhitungan diatas secara kasar dapat disimpulkan bahwa teknik bonding pada metoda 1 clan 2 relatif lemah jika dibandingkan dengan teknik 3,4 clan 5. Teknik 3 clan 5 adalah teknik yang sama-sama menggunakan gaya elektrostatik dimana metoda 3 menggunakan beda potensial 24,5 V tanpa dicelupkan ke cairan asam sebelum proses sedangkan metoda 5 hanya menggunakan beda potensial 8-12 volt namun sebelumnya dicelupkan kedalam cairan asam selama 15 menit. Metoda 4 beriangsung dengan hanya salah satu wafer yang dioksidasi yaitu devais wafer, sedangkan handle wafer merupakan wafer silikon biasa. Hasil metode 4 relatif baik dibandingkan metode 1 clan 2 clan mempunyai kekuatan yang bersaing dengan metode 3 clan 5. Pada metode ini gaya luar yang bekerja berupa gaya mekanik clan wafer sebelum dibonding direndam dengan larutan asam selama 15 jam.
4.3 Hasil Thinning clan etsa selektif
Thinning lapisan silikon Penipisan lapisan silikon yang tidak diperlukan lagi dilakukan dengan merendam wafer dalam larutan KOH 30 % pada suhu 80°C. Hasil pengamatan seperti tercantum pada tabel 4.3. Dari tabel dapat diperkirakan laju etsa lapisan silikon sekitar 2,4 pm/menit
Grafik
hubungan antara waktu etsa dengan ketebalan wafer yang terkikis diberikan pada gambar 4.12. Dengan proses etsa ini diharapkan dapat menggantikan proses pengamaan secara mekanik
Tabel 4.3 pengikisan silikon oleh KOH 30% pada 80 °C No
Waktu (menit)
Si terbuang pm
1
1
I,5
2
2
7
3
4
15
4
9
20
5
10
24
6
20
55
7
30
82
8
40
1 36
9
50
1 74
10
60
1 92
39
Selective Ething untuk Silikon Berpori Silikon berpori memiliki struktur fisik dan kimia yang berbeda dengan lapisan kristal silikon maupun dengan lapisan epitaksi silikon. Perbedaan ini yang dimanfaatkan dalam fabrikasi wafer SOI khususnya metoda Eltran. Dari
sekian
banyak cairan
etchant dipilih
campuran
HF(50%):H202(30%) dengan perbandingan I : 5. Pemilihan ini didasari oleh selectivitas yang tinggi antara lapisan silikon berpori dengan lapisan silikan lainnya. Dengan pemilihan cairan ini proses pengikisan lapisan silikon berpori dapat berlangsung tanpa kekhawatiran rusaknya lapisan silikon epitaksi . Etsa selektif pada suhu ruang memberikan basil sebagai berikut: I.
Pengamatan dilakukar dengan inembedakan warna wafer tiap I x 60 menit.
2.
Pada 60 menit pertama dan kedua wafer masih berwama hitam pertanda pengikisan belum mencapai lapisan epitaksi.
3.
Pada akhir 60 menit ketiga mulai tampak lapisan yang mengkilat namun belum rata, sekitar 65 % Was permukaan.
4.
Pada akhir 60 menit ke 4 semua permukaan wafer berwarna terang dan cenderung mengkilat.
5.
Setelah ditinggal selama 2 x 24 jam dalam campuran HF dan H202 terlihat kondisi
wafer masih sama dengan hasil rendaman pada
4x60 menit. Dari data ini dapat diambil kesimpulan bahwa selama 4x60 menit lapisan silikon berpori sudah habis terkikis dan dapat dihitung laju
40 pengikisan campuran HF dan
HI-02
terhadap silikon berpori sebesar
0.1388 gm/menit. Namun untuk lapisan silikon lainnya selama 30 jam belum menunjukkan reaksi pengikisan. Hasil pengamatan terhadap etsa selektif dengan campuran HF dan H202 pada suhu 100 °C menunjukkan laju pengikisan berlangsung 2 kali lebih cepat. Hal ini disimpulkan karena pada akhir 60 menit kedua semua lapisan silikon berpori tampak sudah hilang. Dan jika dihitung laju pengikisan pada suhu 100 ° C adalah sekitar 0,27 pm/menit.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpuian Dari hasil dan pembahasan yang telah diuraikan, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut 1.
Proses
wafer
bonding
dengan
menggunakan
gaya
elektrostatik melalui elektroda karbon dengan memberikan beda potensial dapat menghasilkan penempelan wafer dengan kekuatan yang relatif lebih baik yaitu dengan stress rata-rata diatas 2 x10 5 N1m2 2.
Gaya elektrostatik yang dihasilkan elektroda karbon yang diberi
beda
potensial
dapat
dikompensasi
melalui
perendaman bahan silikon dioksida pada larutan asam selama beberapa jam 3.
Kondisi ruangan yang bersih (bebas debu dan molekulmolekul gas lain terutama yang inert) disaat penggabungan wafer
divais
dan
handle
wafer sangat
menentukan
keberhasilan dan kekuatan wafer bonding. 4.
Semakin tinggi stres (gaya persatuan luas ) hasil bonding maka akan semakin leluasa dalam mengo!ah wafer secara mekanik.
5.
Pengikisan lapisan silikon dengan
KOH 30% dapat
menjadi alternatif pengganti mechanical grinding.
41
42 6.
Larutan HF dan HZOZ dengan perbandingan 1 : 5 dapat mengikis lapisan silikon berpori dengan laju sekitar 0,1388pm/menit pads suhu ruang dan 0,27 pm/menit pada
5.2. Saran Perlu dilakukan optimasi lanjut terhadap pemilihan parameterparameter wafer bonding untuk mendapatkan metoda proses yang lebih baku dengan memperhatikan validitas data yang dipunyai secara statistik
