Связь по расчету. Технологии и оборудование для процессов временного и постоянного бондинга полупроводниковых пластин

Иван Мандрик, руководитель проектов, к.т.н., ГК «Диполь»

 

Илья Новожилов, руководитель направления Микроэлектроника, ГК «Диполь»

 

С развитием технологий 5G, искусственного интеллекта, Интернета вещей, беспилотного управления техникой и больших данных (BigData) все более заметным становится тренд на миниатюризацию и многофункциональность электронных устройств. Одной из перспективных технологий, позволяющих решить эту актуальную задачу, является бондинг полупроводниковых пластин (БПП), который все шире применяется в таких областях, как трехмерная (3D) интеграция, корпусирование, сверхтонкие электронные устройства и микро-электромеханические системы (МЭМС). В статье представлен обзор технологий бондинга полупроводниковых пластин, рассматриваются ключевые требования и параметры технологического процесса, а также применяемое оборудование.

 

Введение

С появлением новых сфер применения технологий БПП возникают очередныезадачи для развития этого направления. В интегральных схемах элементы расположены плотнее, чем в МЭМС-устройствах, что требуетусовершенствования технологий бондинга, применяемых в последних поколениях ИС и систем-на-кристалле. Например, технологию вертикальной 3D-интеграции, в рамках которой в пластинах формируются сквозные отверстия в кремнии (TSV), можно реализовать с применением металлического бондинга и создания электрических соединений между пластинами. В связи с этим, специалистысегодня уделяют повышенное внимание металлам (таким как медь), используемым при производстве ИС.

Технология БПП подразумевает соединение двух пластин (целых или ее частей) между собой, что достигается либо непосредственным соединением пластин (постоянный бондинг), либо соединением с использованием промежуточного материала (временный бондинг). Выбор одного из вариантов зависит от целей применения.

Постоянный бондинг основан на когезионной связи, которая образуется при сближении поверхностей двух пластин при определенных температуре и давлении. Технология постоянногобондинга зависит от таких параметров, как поверхностная энергия, шероховатость и морфология пластин. Промежуточный слой может быть адгезивом, полимером, припоем или металлом. Требования к шероховатости и морфологии поверхности для технологий бондинга с промежуточным слоем менее значительны в сравнении с постоянным бондингом.В любом случае пластины могут быть из одного и того же материала или из разных.

Требования к процессу БПП разнообразны, а возможности его реализации не всегда достаточны. В некоторых случаях обязательно наличиегерметичности, как, например, при герметизации или изготовлении устройств, где требуется создать области с вакуумом (датчиков давления, емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей), микрорезонаторов или устройств, непроницаемых в определенной среде. В других применениях нужно сформировать электрический контакт на границе соединения пластин или достичь устойчивости к воздействию жидких травителей для последующих этапов изготовления. Чистота пластин может ограничивать использование некоторых материалов, необходимых для БПП, а также достижениерасчетнойпрочности соединения для надежной работы устройства и устойчивости к влажности, тепловому расширению и другим воздействиям.

Полупроводниковые пластины и другиематериалы характеризуются температурным пределом, то есть максимальной температурой, которую они способны выдержать. Хороший пример – температурный предел КМОП-подложки (порядка 400–450°C), что является актуальным для ряда применений, например, в случае расположения МЭМС-устройств поверх пластины ИС (что обеспечивает такие преимущества, как низкую паразитную емкость, низкое энергопотребление и др.). Такое температурное ограничение может использоваться для выполнения БПП или повышения прочности соединения для последующего этапа отжига пластины.

Еще одним аспектом температурного предела является эффект теплового расширения материалов.Данный эффектне значителен при склеивании схожих материалов, как, например, при постоянном бондинге пластин кремния. Но температурный предел и свойства материалов важно учитывать при БППразных материалов или схожих, но с промежуточным слоем. Например, в случае анодногобондинга кремния с боросиликатным стеклом. Кремний и кварцевое стекло имеют разные коэффициенты теплового расширения (КТР) при комнатной температуре, однако их КТР совпадает при температурах 316 и 528°С соответственно. Таким образом, обладая информацией о температуре БПП и КТР материала, специалист может определить оптимальную температуру, чтобы минимизировать напряжение на границе соединения или свести к минимуму деформацию кристаллов на пластине.

Как упоминалось, БПП может осуществляться напрямую или с использованием промежуточного материала между ними. Классификация технологий БПП представлена на рисунке 1.

 

Рис. 1. Классификация технологий бондинга пластин в микроэлектронике

 

Прямое сращивание пластин

Известно, что если два материала с чистыми и плоскими поверхностями плотно прижать друг к другу, то они склеятся и образуют связь на границе соединения без промежуточного материла. При прямом сращивании пластинпреобладают поверхностные силы малой дальности, основанные на слабых межатомных связях, таких как силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи, за счет которых происходит адгезия между двумя соприкасающимися поверхностями. Сила такой адгезии намного слабее ковалентной связи, поэтому для повышения прочности соединения применяют отжиг при высокой температуре. При прямом соединении кремния с кремнием высокая прочность соединения достигается при температуре выше 800°С. Такие высокие температуры нежелательны во многих применениях, особенно для металлизации и составных полупроводников. Однако, температура отжига может быть значительно снижена при использовании плазменной или химической активации поверхности пластины.

Помимо отжига и модификации поверхности к технологическому процессу предъявляются требования по таким параметрам, как энергия связи, чистота поверхности, шероховатость и плоскостность пластин.

Для влажной химической очистки полупроводниковых пластин в растворахинженерВ. Керн (компания RCA)разработал способ), заключающийся в двух последовательных операциях обработки пластин двумя водными растворами травления.Такжедля очистки пластин перед БПП применяют обработку в озоне, ультрафиолетовом излучении или плазме.

Шероховатость поверхности пластин также может быть уменьшена с помощью технологииХМП (химико-механическая полировка), которая позволяет довести поверхность пластины до требуемого уровня шероховатости.

Плоскостность поверхности пластины – еще один важный параметр при прямом сращивании. Для его оценки используют параметр общего изменения толщины (TTV), определяющий разность максимального и минимального значений измеренной толщины пластины.Если TTV низкий, БПП будет проведен даже если просто привести две отполированные пластины в тесный контакт при комнатной температуре. При большом TTVзазор между пластинами мешает их сращиванию, в результате чего образуются несвязанные области, препятствующие бондингу.

При активации поверхности пластин плазмой сращивание происходит под действием когезионной и адгезионной энергий твердых тел.Сначалаповерхности пластин очищаются ионным распылением и активируются пучком быстрых атомов аргона. Затем пластины прижимаются и помещаются в камеру со сверхвысоким вакуумом (порядка 10^–5–10^–6 Па).Далеек соприкасающимся пластинам применяется давление величиной несколько десятков мегапаскалей. Прочность соединения пластин, достигаемая при комнатной температуре, близка к объемной энергии разрушения соединяемых материалов.Таким образом, дальнейшая термическая обработка не требуется. БПП с активацией поверхности применяют для сращивания полупроводников, металлов и изоляторов, а также электронных и оптических устройств на основе полупроводников группыА³B⁵.

 

Анодное сращивание пластин

Анодное сращивание применяют для соединения стекла с высоким содержанием щелочных оксидов (например, боросиликатного стекла) к металлу или кремнию с помощью сильного электрического поля. Данная технология используется в микроэлектронике для изготовления сенсоров и корпусирования МЭМС‑устройств.

Соединение кремния с кремнием также возможно с помощью анодного сращивания при осаждении тонкого слоя боросиликатного стекла на поверхность пластин. Общая схема процесса сращивания без промежуточного слоя показана на рисунке 2.

В этом случае температура поддерживается в диапазоне 200–400°С, а электрическое напряжение – в диапазоне 200–1000 В. Технология анодного сращивания в сравнении с другими технологиями имеет такие преимущества, как низкая температура процесса и высокая прочность соединения (10–25 МПа). К пластинам предъявляются требования низкой дефектности, согласования КТР, а также химического состава. Однако анодное сращивание из-за риска загрязнения оборудования щелочными металлами несовместимо с КМОП-производством и допустимотолько для соединений стекла с металлами и полупроводниками.

 

Рис. 2. Процесс сращивания пластин без промежуточного слоя

 

Адгезионный бондинг полупроводниковых пластин

В процессе адгезионного БПП тонкий слой полимерного адгезива наносится на одну из двух сопрягаемых пластин с последующими этапами отверждения бондинганагревом или УФ-излучениемс небольшим усилием и низкотемпературным отжигом (рис. 3). Полимерный адгезив в процессе бондинга первоначально находится в жидкой, полужидкой или вязкоупругой фазе, затем переходит в низковязкую фазу в процессе отверждения, и, наконец, в твердую фазу, обеспечивая прочное и стабильное соединение.

Одним из преимуществ использования адгезионного БПП является низкая температура процесса (не превышающая 250°С), что делает его применимым для изготовления 3D-MЭМС, фотонных ИС и КМОП ИС. Еще одним преимуществом является мягкость и деформируемость полимерного адгезива. Промежуточный слой адгезива легко растекается, позволяет избежать образование пустот, заполняет внешние частицы на поверхности пластины, устраняя дефекты, полученные в процессе ХМП. Толщина полимерного адгезива может варьироваться в широком диапазоне от нескольких нмдо единиц мкм.

 

Рис. 3. Процесс бондинга полупроводниковых пластин с промежуточным слоем

 

Промежуточный слой адгезива может быть использован для планаризации поверхности пластины и инкапсуляции топологических структур. Кроме того, адгезионный бондинг может применяться для совмещения и выравнивания пластин между собой. Однако точность выравнивания значительно снижается из-за прикладываемого давления при БПП. При плотном контакте и укладке пластин друг на друга промежуточный слой оказывается недостаточно жестким, чтобы уравновесить силы трения, что приводит к смещению выравнивания. Для устранения смещения на краю пластины формируются поверхностные структуры. Использование поперечно-сшитых полимеров в качестве адгезива улучшает точность совмещения, так как они не расплавляются в процессе бондинга.

При 3D-сборке ИСадгезивы на основе полимеров скрепляют полупроводниковую пластину с пластиной-носителем, которая не чувствительна к плоскостности и чистоте поверхности полупроводниковой пластины. Благодаря своей простоте, прочности и низкой стоимости такие адгезивы широко используются в процессе производства микроэлектроники и микро-электромеханических систем. Эти адгезивы включают в себя эпоксидные смолы, сухие пленки, бензоциклобутен (BCB), полиимид и УФ-отверждаемые составы.

 

Металлический бондинг пластин

В этой технологии в качестве связующего промежуточного слоя применяют металлы. Данный процесс применяется, когда от результата ждут высокие тепло- и электропроводимость (такое сочетание важно, например, для технологий FOWLP (fan-outwaferlevelpackage – корпусирования кристаллов на уровне пластины с использованием внутреннего монтажа) и TSV).

Металический БПП реализуется с помощью двухмеханизмов – с применением: а). эвтектического сплаваили диффузией атомов металла при одновременном воздействии нагрева; б). давления (термокомпрессионный бондинг – ТБ).

ТБ включает три основных этапа: подготовка поверхности пластины для удаления органики и оксидов, осаждение металлической пленки и бондинг при нагреве и давлении. Наиболее распространенными металлами, применяемыми в ТБ, являются золото (Au), алюминий (Al) и медь (Cu) (рис. 4а). Для улучшения адгезии осаждают тонкий адгезионный слой, способный также снизить температуру и давление. Например, для ТБ Au – Au перед осаждением золота на поверхности формируется диффузионный барьерный слой и пленка титана для улучшения адгезии. Температура и давление процесса составляют 300°С и 7 МПа соответственно. Для ТБ Al–Alдиапазон температур составляет 400–500°С, а для Cu – Cu– 250–400°С.

Технология ТБ применяется для герметизации МЭМС-устройств на уровне пластины, а также полезна для процессов 3D-интеграции из-за способности формировать электрический контакт. При этом основными недостатками ТБ являются высокая температура и прикладываемое давление – увеличение размера пластины может привести к ее повреждению в процессе бондинга.

 

Рис. 4. Металлический бондинг пластин: а – термокомпрессионный; б – эвтектический

 

Процесс эвтектического бондинга (ЭБ) основан на применении эвтектических сплавов, используемых в качестве промежуточного слоя для соединения двух пластин друг с другом посредством диффузионного механизма. Температура плавления сплава с эвтектическим распределением компонентов ниже температуры плавления каждого чистого компонента.

В настоящий момент для ЭБприменяетсяширокий спектр комбинаций материалов:Au – In, Au – Ge, Au – Sn, Au – Si, Al – Ge и Cu – Sn. Наиболее распространен сплав Au-Si(рис. 4б). Процесс ЭБ начинается при температурах, превышающих эвтектическую для сплава (> 363°С). Стандартныйдиапазон температур и давления в ЭБ составляет 410–450°С и 0,2–0,5 МПа, соответственно.

Равномерность формируемого соединения продолжает расти с увеличением давления. Однако при слишком высоком контактном давлении прочность и доля бездефектных изделийв процессе операции может снизиться. Это связано с выдавливанием металла за границу соприкосновения пластин. Применение процесса литографии для формирования областей для ЭБ позволяет увеличить разрешение технологического процесса. Аналогично ТБ в технологии ЭБ формируется электропроводящее соединение, подходящее для интеграции электронных компонентов.

Недостатками ЭБ является неравномерность формируемого соединения, сложный процесс бондинга, связанный с высокими требованиямик контролю значений температуры и ее равномерности по всей пластине. Высокая температура ограничивает возможности применения ЭБ.

 

Дебондинг полупроводниковых пластин

Дебондинг (разделение) полупроводниковых пластин зависит от материаловадгезива и носителя и механизма дебондинга, параметры которого определяются особенностями технологического процесса. Например, при сборке электронного устройства по FOWPL-технологии применяются два носителя. В данном случае адгезионные материалы в процессе дебондинга должны обеспечивать поэтапное отделение каждого носителя от пластин без повреждений с требуемыми температурами.

В настоящее время для коммерчески доступных адгезионных материалов распространены четыре технологии дебондинга: термический, химический, механический и лазерный (табл. 1). В процессах термического и химического дебондинга обычно наносится один адгезив на пластину или носитель. При механическом и лазерномдебондинге требуются сопутствующий промежуточный слой для облегчения отклеивания полупроводниковой пластины. Основные технологии дебондинга представлены на рисунке 5.

 

Рис. 5. Технологии дебондинга полупроводниковых пластин

 

В термическом дебондинге применяются материалы, обладающие низкой температурой плавления или стеклования, такие как воск или термопластичные полимеры. В процессе нагрева они становятся пластичными, позволяя отклеить пластины с небольшой тангенциальной силой. Однако низкая термическая стабильность материалов ограничивает возможность применения последующих высокотемпературных процессов, например, таких как плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD). Кроме того, прикладываемая сила создает напряжение, способное повредитькак ультратонкую, так и большего диаметра пластину. Процесс термического дебондинга имеет низкую стоимость, является зрелой технологией и применяется для пластин относительно небольшого диаметра (до 200 мм) и толщины (до 100 мкм).

Химический дебондинг, заключается в освобождении полупроводниковой пластины путем ее погружения в растворитель для удаления адгезива. Для ускорения растворения адгезива дополнительно к процессам перемешивания, ультразвуковой обработки или нагрева используют перфорированные носители, увеличивая таким образом площадь контакта между адгезивом и растворителем. Химический дебондинг не оставляет следов на пластине, однако требует большого количества растворителя. Кроме того, возможная деформация пластины и использование перфорированных носителей увеличивают затраты, что препятствует широкому распространению процессу химического дебондинга.

В процессе механического дебондингапромежуточный слойнанесится на полупроводниковую пластину, аадгезив – на носитель. Далее пластина монтируется на рамку с пленкой. Под носитель с одной стороны помещается специальное лезвие для начала механического разделения пластин. Важно отметить, что этот процесс требует большой осторожности. В противном случае чрезмерное усилие может привести к поломке пластины. Возможные последствия от механических усилий нельзя игнорировать, особенно если речь идет о больших и ультратонких пластинах.

Лазерный дебондинг обладает такими преимуществами, как высокая эффективность использования энергии, низкий уровень повреждения пластины и гибкость в работе. В лазерномдебондинге применяют промежуточный слой, обладающий высокой поглощающей способностью в определенном диапазоне длин волн. В качестве носителя используется жесткий материал (например, стекло, сапфир или карбид кремния), через который может пройти лазерный луч. Это необходимо для того, чтобы большая часть энергии фотонов могла воздействовать на промежуточный слой. Использование лазерного излучения позволяет отделить пластину без дополнительного усилия и с большой скоростью. Лазерный дебондинг имеет самую большую скорость процесса, превышающую 30 пластин в час. Кроме того, совершенствование процессов дебондинга выдвигает новые требования к применяемым материалам, такие как повышенная термическая стабильность и химическая стойкость, что делает методы механического и химического разделения потенциально устаревшими.

 

От теории – к практике

В условиях санкционного давления особенно повышается роль компаний, способных предоставить российским производителям наибольшее количеством доступных технологических решений, возможности которых могло бы сравниться или превзойти оборудование, ушедшее с российского рынка микроэлектроники.

Одним из таких игроков с экспертными компетенциями выступает группа компаний «Диполь», специалисты которой готовы подобрать решение оптимальное по техническим и экономическим параметрам.

 

ГК «Диполь» предлагает полноценные решения как для временного, так и постоянного бондинга/дебондинга. Решение для временного бондинга включает необходимые адгезионные материалы (жидкий воск, клей и др.) и линейку оборудования для бондинга/дебондинга полупроводниковых пластин для широкого спектра применений, включая МЭМC, 3D-интеграция, корпусирование на уровне пластины (FOWLP), а также для электронных устройств на монокристаллах Si, SiC, GaN и GaAs.

Оборудование обеспечивает бондинг в условиях низкого и высокого вакуума и температуры, высокого давления. Благодаря модульному исполнению, оборудование может быть адаптировано для научно-исследовательской лаборатории, мелкого или крупносерийного производства. В таблицах 2 и 3 представлены доступные модели установок для временного и постоянного бондинга и дебондинга.

 

Рис. 6. Установка для временного сращивания SBN-12

 

Рис. 7. Установка для дебондинга SDN-08

 

Отдельно следует выделить линейку установок для предварительного совмещения и прямого сращивания полупроводниковых пластин диаметром 100–300 мм (рис. 8, табл. 3). Данное оборудование поддерживает процессы анодного, термокомпрессионного, fusion (Si-Si) и плазменно-стимулированного сращивания.

 

Рис. 8. Установка для прямого сращивания SPB-08

 

В контексте вышесказанного также важно отметить, что ГК «Диполь» ориентирована на комплексное технологическое партнерство. В том числе оказывает поставки расходных материалов собственной разработки и включает в свой состав подразделение сервисной поддержки.

 

Таблица 1. Сравнение различных технологий дебондинга

	Технологии дебондинга
Параметры	Термический	Химический	Механический	Лазерный
Температура процесса	Высокая	Комнатная	Комнатная	Комнатная
Нагрузка	Низкая	Средняя	Средняя	Низкая
Стоимость	Низкая	Средняя	Низкая	Высокая
Скорость	Средняя	Низкая	Средняя	Быстрая

 

Таблица 2. Оборудование для временного бондинга

Параметры	Модель установки
	SBN-08	ABT-08	SBN-12		ABT-12
Тип бондинга	Временный
Автоматизация	Полуавтоматическая	Автоматическая	Полуавтоматическая		Автоматическая
Количество камер	3		1		По запросу
Диаметр пластин, мм	50…200		200…300
Способ выравнивания	Механический	Pre-aligner	Механический	Механический
Точность совмещения (макс.), мкм	500	100	50
Сила сращивания (макс.), кН	1		60
Вакуум, мбар	0,1				7,6·10–2
Температура процесса (макс.), °C	250		350
Применение	Si, GaN, SiC, GaAs	Si, GaN, SiC, GaAs	FOWLP, TSV		FOWLP, TSV

 

Таблица 3. Оборудование для дебондинга

Параметры	Модель установки
	SDN-08	ADC-08	SLN-12	ALC-12
Тип дебондинга	Термический		Лазерный
Автоматизация	Полуавтоматическая	Автоматическая	Полуавтоматическая	Автоматическая
Количество камер	2		1	По запросу
Диаметр пластин, мм	50…200		50…300
Способ выравнивания	Механический	Оптический	Механический	Оптический
Температура процесса (макс.), °C	350		–
Применение	Si, GaN, SiC, GaAs	Si, GaN, SiC, GaAs	FOWLP, TSV, 2.5D/3D	FOWLP, TSV, 2.5D/3D

 

Таблица 4. Оборудование для прямого сращивания

Модель установки	Параметры
	Автоматизация	Количество камер	Диаметр пластин, мм	Способ выравнивания	Точность совмещения (макс.), мкм	Сила сращивания (макс.), кН	Вакуум, мбар	Температура процесса (макс.), °C	Применение
SPB-08	Полуавтоматический	1	100…300	Цифровой	±2	100	7,6·10–5	550 (опция 650)	МЭМС, память, КНИ, датчики

 

Автоматическая установка временного бондинга ABT-08 (таблица 1)

 

Автоматическая установка лазерного дебондингаALC-12 (таблица 3)

 

Полуавтоматическая установкалазерного дебондингаSLN-12 (таблица 3)

 

Автоматическая установка временного бондингаABT-12(таблица 1)