Связывание, активируемое плазмой - Plasma-activated bonding

Связывание, активируемое плазмой производная, направленная на нижнюю обработку температуры для прямое соединение с участием гидрофильный поверхности. Основными требованиями к снижению температур прямого склеивания являются использование материалов, плавящихся при низких температурах и с различными коэффициенты теплового расширения (CTE).[1]

Поверхность активация перед склеиванием имеет типичное преимущество, заключающееся в том, что не требуется промежуточный слой и достаточно высокая энергия склеивания достигается после отжиг при температуре ниже 400 ° C.

Обзор

Снижение температуры основано на увеличении прочности сцепления с использованием плазменная активация на чистом вафля поверхности. Далее увеличение вызвано увеличением количества групп Si-OH, удалением загрязняющие вещества на поверхности пластины усиление вязкого течения поверхностного слоя и усиление диффузионность воды и газа, захваченных на границе раздела.[2] На основе давление внешней среды, два основных поля активации поверхности с использованием плазма установлены для предварительной обработки пластин для снижения температур во время отжига.[3] Чтобы установить максимальную поверхностную энергию при низких температурах (<100 ° C), необходимо оптимизировать многочисленные параметры плазменной активации и отжига в зависимости от материала связки.[4]Связывание, активируемое плазмой, основано на рабочем давлении, которое подразделяется на:

Связывание, активируемое плазмой атмосферного давления (AP-PAB)

Этот метод заключается в зажигании плазмы без использования среды с низким давлением, поэтому нет дорогостоящего оборудования для вакуум поколение необходимо.[1]

Связывание, активируемое плазмой атмосферного давления, дает возможность зажигать плазму в определенных локальных областях или по всей поверхности подложки. Между двумя электродами плазменный газ воспламеняется переменным напряжением.[3]

Пары пластин проходят следующий процесс:

  1. Очистка RCA
  2. Активация поверхности при атмосферном давлении
    • Продолжительность лечения ~ 40 с.
    • Технологические газы, используемые для кремния
      • Синтетический воздух (80 об .-% N2 + 20 об .-% O2)
      • Кислород (O2)
    • Технологические газы, используемые для стекла или LiTaO3
      • Ar / H2 (90 об.% Ar + 10 об.% H2)
      • Влажный кислород (O2dH2O)
  3. Полоскание в деионизированной воде
    • Продолжительность процедуры 10 минут
    • Снижение концентрации частиц
  4. Предварительное приклеивание при комнатной температуре
  5. Отжиг (от комнатной температуры до 400 ° C)

Оптимальная газовая смесь для плазменной обработки зависит от температуры отжига. Кроме того, обработка плазмой подходит для предотвращения дефектов соединения во время процедуры отжига.[5]

При использовании стекло, исходя из высокой шероховатости поверхности, a химико-механическая планаризация (ХМП) шаг после ополаскивания необходим для улучшения качества склеивания. В прочность сцепления характеризуется вязкость разрушения определяется по микро-шевронные тесты. Связки пластин, активируемых плазмой, могут достигать вязкости разрушения, сравнимой с сыпучие материалы.[3]

Диэлектрический барьерный разряд (DBD)

Схема диэлектрического барьерного разряда[1]

Использование диэлектрический барьерный разряд обеспечивает стабильную плазму при атмосферное давление. Избежать искры, а диэлектрик должен быть закреплен на одном или обоих электроды. Форма электрода аналогична геометрии подложки, используемой для покрытия всей поверхности. Принцип AP-активации с одним диэлектрическим барьером показан на рисунке «Схема диэлектрического барьерного разряда».[1]

Активационное оборудование состоит из заземленный чак выступая в качестве носителя пластин и оксид индия и олова (ITO) стеклянный электрод с покрытием. Кроме того, стеклянная подложка используется в качестве диэлектрического барьера, а разряд питается от генератора коронного разряда.[2]

Связывание, активируемое плазмой низкого давления (LP-PAB)

Связывание, активируемое плазмой низкого давления, работает в условиях высокого вакуума (0,1 - 100 Па) с непрерывным потоком газа. Для этой процедуры необходимы:

  • Вакуум
  • Технологические газы
  • Электрическое поле высокой частоты (ВЧ) между двумя электродами

Поверхность, подверженная воздействию плазмы, активируется ионной бомбардировкой и химическими реакциями через радикалы. Электроны из атмосфера двигаться к ВЧ электроду во время его положительного Напряжение. Наиболее устоявшаяся частота ВЧ-электрода - 13,56 МГц.

Далее электроны не могут покинуть электрод в пределах положительной полуволны приложенного напряжения, поэтому отрицательный электрод заряжается до 1000 В (напряжение смещения ).[2] Зазор между электродом и зажимным патроном заполнен плазменным газом. Движущиеся электроны атмосферы сталкиваются с атомами плазменного газа и поражают электроны.[6]Благодаря своей положительной ориентации массивный ионы, не способные следовать за ВЧ-полем, перемещаются к отрицательно заряженному электроду, на котором размещается пластина. В этой среде поверхностная активация основана на взаимодействии поражающих ионов и радикалов с поверхностью пластины (сравните с рисунком «Схема плазменного реактора для связывания, активируемого плазмой низкого давления»).[2]

Активация поверхности плазмой низкого давления осуществляется в следующие этапы:[7]

  1. Очистка RCA
  2. Активация поверхности при низком давлении
    • Продолжительность лечения ~ 30–60 с.
    • Технологические газы (N2, O2)
  3. Полоскание в деионизированной воде
    • Продолжительность лечения 10 мин.
    • Снижение концентрации частиц
  4. Предварительное приклеивание при комнатной температуре
  5. Отжиг (от комнатной температуры до 400 ° C)

Реактивное ионное травление (РИЭ)

Схема плазменного реактора для связывания, активируемого плазмой низкого давления[7]

Режим RIE используется в процессах сухого травления и за счет уменьшения параметров, то есть мощности ВЧ, этот метод можно использовать для активации поверхности.

Электрод, прикрепленный к ВЧ-генератору, используется как носитель пластины. После этого поверхности пластин заряжаются отрицательно под действием электронов и притягивают положительные ионы плазмы. Плазма воспламеняется в реакторе RIE (показана на рисунке «Схема плазменного реактора для связывания, активируемого плазмой низкого давления»).

Максимальная прочность сцепления достигается с азот и кислород как технологические газы и достаточно высоки с однородной дисперсией по пластинам после отжига при 250 ° C. Энергия связи характеризуется> 200% неактивированной эталонной пластины, отожженной при той же температуре. Пара пластин с активированной поверхностью имеет на 15% меньше энергии связи по сравнению с парой пластин, скрепленных при высокой температуре. Отжиг при 350 ° C приводит к прочности соединения, аналогичной высокотемпературному соединению.[7]

Удаленная плазма

Система удаленной плазменной резки[8]

Процедура удаленная плазма основан на создании плазмы в отдельной боковой камере. Входящие газы поступают в удаленный источник плазмы и транспортируются в основную технологическую камеру для реакции. Схема системы представлена ​​на рисунке «Дистанционная плазменная система».

Удаленная плазма использует химические компоненты, где в основном нейтральные радикалы реагируют с поверхностью. Преимущество этого процесса - меньшее повреждение поверхности из-за отсутствия ионной бомбардировки. Кроме того, время воздействия плазмы может быть больше, чем, например, при Метод RIE.[8]

Последовательная плазма (SPAB)

Пластины активируются короткой плазмой RIE с последующей радикальной обработкой в ​​одной камере реактора. Вдобавок микроволновая печь источник и металлическая пластина, улавливающая ионы, используются для генерации радикалов. Воздействие плазмы на поверхность меняется от химической / физической к химической плазменной обработке. Это основано на реакциях между радикалами и атомами на поверхности.

Технические характеристики

Материалы
  • Si
  • SiO2
  • Стеклянная подложка
  • Литий-танталат (LiTaO3)
  • ...
Температура
  • Температура в помещении - 400 ° C
Преимущества
  • высокая прочность сцепления
  • высокая температурная стабильность
  • совместимость процесса с полупроводниковой техникой
  • возможность использования в вакууме или различных атмосферных газах
Недостатки
  • высокие стандарты геометрии поверхности
  • высокие стандарты шероховатости
Исследования
  • гибриды (одновременный металл и SFB)
  • склеивание при T <200 ° C
  • полностью сухой процесс, включая предварительное кондиционирование

использованная литература

  1. ^ а б c d Д. Вюнш, М. Вимер, М. Габриэль и Т. Гесснер (2010). «Низкотемпературное соединение пластин для микросистем с использованием диэлектрического барьерного разряда». Новости MST. 1/10. С. 24–25.
  2. ^ а б c d М. Вимер, Й. Бройер, Д. Вюнш и Т. Гесснер (2010). «Реактивное связывание и низкотемпературное связывание гетерогенных материалов». Транзакции ECS. 33 (4). С. 307–318.
  3. ^ а б c М. Вимер, Д. Вюнш, Й. Бройер, М. Эйхлер, П. Хеннеке и Т. Гесснер (2009). «Низкотемпературное соединение гетероматериалов с использованием плазменной активации при атмосферном давлении». В Р. Кнехтеле (ред.). WaferBond 2009: Конференция по соединению пластин для микросистем 3D- и интеграции на уровне пластин, Гренобль (Франция). С. 73–74.
  4. ^ М. Эйхлер, Б. Мишель, П. Хеннеке и К.-П. Клагес (2009). «Влияние на конденсацию силанола во время низкотемпературного соединения кремнием плавлением». Журнал Электрохимического общества. 156 (10). стр. H786 – H793.
  5. ^ М. Эйхлер, Б. Мишель, М. Томас, М. Габриэль и К.-П. Клагес (2008). «Предварительная обработка плазмой атмосферного давления для прямого соединения кремниевых пластин при низких температурах». Технология поверхностей и покрытий. 203 (5–7). С. 826–829.
  6. ^ Г. Герлах и В. Дётцель (март 2008 г.). Рональд Петинг (ред.). Введение в микросистемные технологии: руководство для студентов (Wiley Microsystem and Nanotechnology). Wiley Publishing. ISBN  978-0-470-05861-9.
  7. ^ а б c Д. Вюнш, Б. Мюллер, М. Вимер, Т. Гесснер и Х. Мишке (2010). "Aktivierung mittels Niederdruckplasma zur Herstellung von Si-Verbunden im Niedertemperatur-Bereich und deren Charakterisierung mittels Mikro-Chevron-Test". Technologien und Werkstoffe der Mikrosystem- und Nanotechnik (GMM-Fachbereicht Band 65). С. 66–71. ISBN  978-3-8007-3253-1.
  8. ^ а б Р. Э. Белфорд и С. Суд (2009). «Активация поверхности с использованием удаленной плазмы для соединения кремния с кварцевой пластиной». Микросистемные технологии. 15. С. 407–412. Дои:10.1007 / s00542-008-0710-4.