Анодно и директно заваряване на пластини за микроелектроника
Дълго време традиционните методи за създаване на различни функционални слоеве върху повърхността на полупроводникови пластини бяха процесите на епитаксия, отлагане на пари, отлагане и химическа модификация (например окисление). Обикновено дебелината на слоевете, създадени по този начин, е ограничена отгоре до няколко микрона. Развитието на микроелектрониката и свързаните с нея индустрии обаче изискваше намирането на начини за създаване на дебели слоеве (десетки и стотици микрони) от материали с различни свойства, вкл. слоеве с кристална структура върху аморфни филми. Примери за задачи, които изискват използването на такива методи, са производството на структури полупроводник върху диелектрик (силиций върху сапфир - SOS, силиций върху изолатор - SOI), както и създаването на остри p-n преходи за дискретни транзистори и диоди.
Имаше нужда и от триизмерна интеграция на различни устройства, създадени в рамките на напълно различни и често несъвместими технологични процеси. Пример за такава интеграция може да бъде свързването на MEMS (микроелектромеханични системи) и схема за обработка на електрически сигнали, която допълнително служи като капак, който предпазва MEMS от външната среда. В същото време най-обещаващият метод за интеграция е свързването на ниво плоча, което позволява минимизиране на дължината на проводниците, преходните капацитети и съпротивления, както и намаляване на разходите и ускоряване на производството, доколкото е възможно.
Всички тези задачи могат да бъдат решени чрез заваряване на плочи, когато се създава неразривен слой със или без междинен слой.връзка между две или повече полупроводникови пластини.
По време на своето развитие полупроводниковата индустрия е разработила много начини за свързване на пластини една с друга, включително свързване чрез полимери, стъклокерамични спойки, метали и сплави, както и директно без междинни материали Фигура 2. В този преглед ще бъдат разгледани само тези методи, които не включват използването на междинни слоеве. Те включват директно заваряване на силициеви пластини една към друга, както и анодно заваряване на силициеви пластини и стъкло.
И двата метода на заваряване могат да се използват за производството на MEMS, за тази индустрия изборът на метод се определя от изискванията за цена и производителност на крайните устройства. Директното заваряване се използва за производство на SOI структури и също е обещаващо за 3D интегриране с много висока плътност на оловото. Анодното заваряване се използва широко в приложения, които изискват оптична прозрачност и достъп на светлина до вътрешните части на крайния продукт - MOEMS (микро оптоелектромеханични системи), оптични устройства, микрофлуидични устройства.
От това какви методи за заваряване на плочи и материали ще бъдат избрани за създаване на крайни устройства, производителността, надеждността и цената на тези устройства ще зависят.
Анодно заваряване
Процесът се състои в свързване на пластини от силиций и стъкло една към друга. Той се използва широко за производството на MEMS (например акселерометърът CMA300 от VTI Technologies) и микрофлуидични устройства (различни медицински химически анализатори, лаборатории на чип, фиг. 3). Приложението му в областта на създаването на хетероструктури и триизмерна интеграция е ограничено от физични и химичнисвойства на използваните стъкла.
Параметри на процеса
Механизмът на заваряване се основава на химични реакции, протичащи между повърхностите на стъкло и силиций при повишени температури и под въздействието на електрическо поле. Основната част от тези реакции са електрохимични по природа и се причиняват от окисляването на силиций от кислородни йони O2- отделени от йони на алкални метали Na+, K+ чрез външно електрическо поле. Процесът е известен от 1969 г., като за по-подробно запознаване с него можете да се обърнете към източници на български [7] и английски език.
Процесът може да се проведе както при атмосферни условия, така и във вакуум или инертна атмосфера. Характерното време на процеса е няколко минути и се определя от температурата на процеса, електрическото напрежение и контактната площ на повърхността. Всяка двойка плочи се обработва индивидуално в заваръчната камера. Температурата на процеса се определя главно от разликата в коефициентите на топлинно разширение (TEC) на стъкло и силиций, което прави възможно минимизирането на термомеханичните напрежения, причинени от разликата в тези стойности [3, 8].
Изисквания към материалите
Класът на устройствата, които могат да бъдат създадени с помощта на анодно заваряване, както и експлоатационните характеристики на тези устройства се определят основно от физикохимичните свойства на стъклата, използвани в процеса. В по-малка степен процесът зависи от параметрите на силициевите пластини.
Грапавостта на повърхността на стъкло и силиций не трябва да надвишава 2 nm, а общата вариация на дебелината (TTV) трябва да бъде в рамките на 10 µm [9]. Ширината на неработната зона и за двата вида вложки трябва да бъде възможно най-малка. Тъй като стъклото е чуплив материал, от съществено значение е ръбът на плочата да бъде завършенлипсата на чипове и зъби.
За да се получи неразривно хомогенна механична връзка между силиций и стъкло, стъклото трябва да съдържа Na или K. По-малките количества от тези елементи ще доведат до увеличаване на времето на процеса, което ще се отрази негативно на производителността. Големите концентрации ще повлияят неблагоприятно на физичните и химичните свойства на стъклото.
Вторият най-важен критерий при избора на стъкло за анодно заваряване е КТР на стъклото в сравнение със силиция. Тъй като процесът се извършва при относително високи температури и крайните устройства работят в широк температурен диапазон, наличието на механични напрежения, причинени от разликата в CTE, може да повлияе неблагоприятно на работата на устройствата. При големи разлики в CTE могат да се наблюдават повреди, свързани с механично разрушаване на конструкции, както и неприемливи деформации на особено чувствителни елементи на устройства. Поради тези причини КТР на използваното стъкло трябва да бъде възможно най-близък до КТР на силиция ФИГ. 5.
Химическият състав на стъклото също е изключително важен, ако се изисква да се формира някаква топология в него чрез ецване. Трудностите, свързани с ецването на стъкло, са тези, които възпрепятстват широкото му използване в 3D интеграцията, тъй като изисква създаването на изводи с отвори в стъклото. Трудно е да се образуват плътни изводи от край до край в стъкло, тъй като скоростта на ецване в плазмата е ниска и течното ецване дава твърде голямо отклонение на размерите в равнинна посока [10]. Минималната ширина на олово в стъкло е стотици микрони и често се използва пясъкоструене или лазер за формирането им [11].
На тези критерии отговаря стъклото Borofloat 33, което се предлага в различни плочи.диаметър. Свойствата на този материал са изброени в таблица 1.