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Die vertikale Stapelung integrierter Schaltkreise (IC), die so genannte 3-D-Integration, hat sich als bahnbrechende Lösung erwiesen, um die Grenzen der herkömmlichen kontinuierlichen Skalierung einzelner Komponenten zu überwinden. Die 3-D-Integration ermöglicht bessere Leistungen aufgrund kürzerer Verbindungen, geringerer Systemgrößen und verbesserter Systemheterogenität. Schaltungsebenen können separat hergestellt werden, was die Kombination inkompatibler Herstellungsverfahren in einem einzigen 3D-IC (z. B. Speicher und Logik) ermöglicht. Unter mehreren 3D-Integrationsverfahren hat sich das Wafer-to-Wafer-Hybrid-Bonden als Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Verbindungen mit hoher Dichte herauskristallisiert, die für die Feinaufteilung von 3D-System-on-Chip-Anwendungen erforderlich sind. Bei dieser Bondtechnologie werden beide Wafer mit einer dielektrischen Schicht mit eingebetteten Cu-Pads versehen. Das Waferpaar wird dann mit einem geringen vertikalen Abstand von einigen zehn Nanometern genau ausgerichtet. Der obere Wafer wird durch einen lokal begrenzten Bereich in seiner Mitte geschoben, um den ersten Kontakt zwischen den Wafern herzustellen. Die Verbindung wird dann aufgrund der Wechselwirkungskräfte zwischen den gegenüberliegenden Wafern in einem wellenförmigen Muster fortgesetzt.

Eine große Herausforderung bei diesem Verfahren ist die Erzielung eines ausreichend geringen Ausrichtungsfehlers zwischen den verbundenen Wafern, für den die derzeitigen und künftigen Anforderungen der Industrie äußerst streng sind. Es ist keine triviale Aufgabe, diese Anforderungen zu erfüllen, da die endgültige Ausrichtung von verschiedenen Parametern beeinflusst wird, von denen einige aufgelistet werden können: Wafer-Eigenschaften (Form, Eigenspannung, mechanische Eigenschaften), Wahl des dielektrischen Materials, Extrusion/Rezession der Cu-Pads, Design des Chucks, in dem die Wafer gehalten werden, Bondrezeptur, anfänglicher Abstand zwischen den Wafern, Größe der Punktkontaktkraft, Adhäsionskräfte zwischen den Dielektrika, Luftviskosität und Gravitationseffekte. In Anbetracht der zahlreichen Parameter und ihrer potenziellen Wechselwirkungen sind Optimierungsversuche, die sich ausschließlich auf experimentelle Ansätze stützen, aufgrund ihrer Langsamkeit und ihrer hohen Kosten nur begrenzt möglich. Daher ist es notwendig, zusätzliche Methoden auf der Grundlage von Simulationstechniken zu entwickeln.

Ziel dieses Dissertationsthemas ist es, das Verständnis sowohl der physikalischen Grundlagen der Ausbreitung von Klebstoffen als auch der Auswirkungen mechanischer Randbedingungen mit Hilfe von Modellierungs- und Simulationstechniken zu vertiefen. Um dies zu erreichen, wird eine physikalisch basierte mechanische Modellierungsumgebung (basierend auf der Finite-Elemente-Methode) entwickelt, um die Klebephänomene zu untersuchen. Die Modellierung wird zunächst mit vereinfachten 2-D-Modellen beginnen, die später zu vollständigen 3-D-Simulationen des Waferbondings erweitert werden. Soweit möglich, werden Bondwellenmessdaten zusammen mit experimentellen Informationen bereitgestellt, um die Simulationen zu kalibrieren. Die aus den Simulationen gewonnenen Erkenntnisse werden der Industrie und der akademischen Welt als Orientierungshilfe für die Wafervorbereitung und die Bondkonfigurationen dienen.