چگونه از چاک های خلاء گرم شده در پیوند ویفر برای یکپارچه سازی آی سی سه بعدی استفاده می شود؟

یک چالش در انباشتن لایه‌های متعدد ویفرهای سیلیکونی نازک‌تر در یک مدار مجتمع سه بعدی قدرتمند، در دقت مهندسی نهفته است. برای چسباندن، یک چاک سرامیکی گرم شده ویفر پایینی را کاملا صاف و یکنواخت گرم نگه می دارد. ویفر دوم با دقت نانومتری در بالا قرار گرفته و فشار داده می شود. چاک پایه حرارتی و مکانیکی کل عملیات است. بدون آن، همجوشی مستقیم یا پیوند هیبریدی - توانمندسازهای حیاتی ادغام IC 3 بعدی - در مقیاس تولید قابل دوام نخواهد بود. با نگاهی به کاربرد IC 3 بعدی پیوند ویفر چاک وکیوم داغ، می‌توانیم ببینیم که چگونه ماشین‌کاری دقیق و مواد پیچیده با هم ترکیب می‌شوند تا بسته‌بندی نیمه‌رسانای نسل بعدی را فعال کنند.

نقش چاک خلاء گرم شده در پیوند ویفر
ادغام IC سه بعدی شامل اتصال بسیاری از ویفرهای سیلیکونی نازک شده (یا قالب-به-پشته های ویفر) به یک دستگاه واحد با اتصالات عمودی است. دو روش پیوند عمدتاً مورد استفاده قرار می گیرد:

پیوند مستقیم همجوشی: دو ویفر سیلیکونی صاف و تمیز در دمای افزایش یافته (معمولاً 200 تا 400 درجه) بدون هیچ گونه چسب واسطه ای به یکدیگر متصل می شوند. نیروهای واندروالس پیوند را شروع می‌کنند و به دنبال آن بازپخت برای ایجاد پیوندهای کووالانسی Si-Si یا SiO2-SiO2 انجام می‌شود.

پیوند هیبریدی: نسخه ای که از پیوندهای دی الکتریک-به-دی الکتریک (SiO 2 ) و فلز-به-فلز (اغلب مس) در یک فاز برای دستیابی به اتصال مکانیکی و اتصالات الکتریکی به طور همزمان استفاده می کند. این نیاز به همگنی بهتر دما و صافی دارد.

در هر دو حالت ویفر پایینی روی یک چاک خلاء گرم شده قرار می گیرد. چاک باید ارائه دهد:

بسیار مسطح (چرخش جهانی < 1-2 میکرومتر در یک ویفر 300 میلی متری)

گرمایش یکنواخت (تغییر دما < ± 0.5 درجه سانتیگراد در کل منطقه)

نگه داشتن خلاء قابل اعتماد، ذرات صفر ایجاد شده است

تمیز، سازگار با خلاء بالا

مواد: نیترید آلومینیوم، چاک کاربید سیلیکون
معمولاً بدنه چاک از سرامیک فنی-با عملکرد بالا تولید می‌شود. این زمینه تحت سلطه دو ماده است:

نیترید آلومینیوم (AlN) - اغلب ترجیح داده می شود زیرا ضریب انبساط حرارتی آن (CTE) بسیار نزدیک به سیلیکون است (AlN: ~ 4.5 x 10-6 / درجه، Si: ~ 2.6 x 10-6 / درجه). تطابق نزدیک CTE تنش حرارتی را در طول چرخه های گرمایش و سرمایش کاهش می دهد که تاب خوردگی ویفر را کاهش می دهد و از آسیب به رابط اتصال جلوگیری می کند. AlN همچنین دارای رسانایی حرارتی بالا 140-180 W/m·K است که امکان انتقال سریع و یکنواخت حرارت را از هیترهای کاشته شده به ویفر فراهم می کند.

کاربید سیلیکون (SiC) - برای کاربردهای دمایی حتی بالاتر (تا 500-600 درجه) یا زمانی که به استحکام زیاد نیاز است. SiC دارای رسانایی حرارتی تا حدودی بالاتر (200-250 W/m·K) است، اما CTE کمتری (حدود 4.0 × 10-6 / درجه) دارد که با این وجود تطابق منطقی با سیلیکون می‌دهد. SiC نسبت به AlN سخت‌تر و مقاوم‌تر به سایش است، اما پردازش آن سخت‌تر و پرهزینه‌تر است.

هر دو ماده همچنین عایق های الکتریکی خوبی هستند و هرگونه جریان نشتی را که می تواند به مدارهای ظریف روی ویفر آسیب برساند یا با سنسورهای تراز تداخل ایجاد کند، از بین می برند.

الگوی مقاومت تعبیه شده برای سیستم گرمایش داخلی
بخاری های مقاومتی طرح دار داخلی مستقیماً در چاک سرامیکی برای گرمایش یکنواخت قرار می گیرند. در طول ساخت، یک فیلم نازک یا فیلم ضخیم از یک فلز با دمای بالا (اغلب مولیبدن (Mo) یا پلاتین (Pt)) روی یک لایه از بستر سرامیکی چاپ یا پاشیده می شود. سپس یک لایه سرامیکی دوم وصل می‌شود یا روی ردی که بخاری را می‌پوشاند-همکاری می‌شود.

الگوی بخاری با دقت ساخته شده است (معمولاً یک-حلقه مارپیچ یا حلقه های متحدالمرکز چند ناحیه ای) برای جبران تلفات حرارتی در لبه و مرکز چاک. هر منطقه به طور مستقل قابل کنترل است و به شما امکان می‌دهد-پروفایل دما را تنظیم کنید. همگنی دمایی حاصل در قطر 300 میلی‌متر اغلب تا 0.5± درجه یا بهتر{6} برای پیوند هیبریدی که در آن پدهای مسی باید تا ده‌ها نانومتر پس از انبساط حرارتی در یک راستا قرار گیرند، حیاتی است.

چاک هایی که می توانند تا 400 درجه گرم شوند مجهز به بخاری های پلاتینیومی هستند. پلاتین در برابر اکسیداسیون مقاوم است و در دماهای بالا مقاومت پایداری دارد. مولیبدن برای کار در خلاء یا محیط بی اثر تا حدود 350 درجه عالی است.

شیارهای خلاء: دقیق نگه دارید-
شبکه ای از شیارهای کم عمق برای اعمال خلاء برای صاف نگه داشتن ویفر روی سطح چاک استفاده می شود. معمولاً این شیارها با لیزر بر روی سطح سرامیکی فقط چند میکرومتر عمق (مثلاً 5-15 میکرومتر) و عرض 200-500 میکرومتر برش داده می شوند. ماشینکاری لیزری امکان به دست آوردن لبه‌های دقیق و بدون سوراخ شدن را فراهم می‌کند که نکته کلیدی برای جلوگیری از تولید ذرات است.

چیدمان شیارها به گونه ای طراحی شده است که مکش یکنواخت را در کل قسمت پشتی ویفر ایجاد کند، در حالی که قسمت عمده سطح در تماس مستقیم با چاک برای انتقال موثر گرما باقی می ماند. الگوهای رایج عبارتند از:

کانال های شعاعی که از یک پورت خلاء مرکزی منتهی می شوند

حلقه های متحدالمرکز که توسط پره های شعاعی به هم متصل می شوند

آرایه‌های شبکه‌ای یا آرایه‌های لانه زنبوری برای ویفرهای بسیار نازک یا با تغییر شکل شدید

سطوح خلاء به دقت کنترل می شود - مکش خیلی کم است و ویفر ممکن است بالا بیاید یا خم شود. بیش از حد زیاد است و ویفر ممکن است به صورت موضعی تاب خورده باشد یا شیارهای خلاء ممکن است علامت هایی در پشت ویفر بگذارند (عیب به نام "علامت چاک خلاء").

نیاز به خلاء و تمیزی بالا
کل مجموعه چاک در یک محفظه اتصال با خلاء بالا قرار دارد که بسیار تمیز است. برای جلوگیری از اکسید شدن سطوح اتصال و حذف حباب های گاز محبوس شده در رابط اتصال، فشارهایی در محدوده 10-5 تا 10-7 mbar معمولا اعمال می شود.

هیچ ذره ای ایجاد نمی شود. هر ذره ای بزرگتر از چند نانومتر روی سطح چاک یا اضافه شده در حین جابجایی باعث ایجاد فضای خالی در تماس اتصال می شود. چنین فضای خالی منجر به ضعف مکانیکی، مدارهای باز الکتریکی (در پیوند هیبریدی) و از دست دادن تسلیم می شود. بنابراین چاک در یک محیط تمیز کلاس 1 (ISO 3) ساخته می شود و همه مواد برای انعطاف پذیری آنها در برابر گازهای خارج شده و سایش انتخاب شده اند. چاک های سرامیکی اغلب با استفاده از روش های مگاسونیک یا برف جت CO2 تمیز می شوند.

نکته دقیق: اهمیت آلودگی سطحی
سطح چاک باید عاری از ذرات بزرگتر از چند نانومتر باشد که باعث ایجاد فضای خالی در تماس اتصال می شود. حتی یک ذره 50 نانومتری می تواند به صورت موضعی دو ویفر را از هم جدا کند و از پیوند در ناحیه ای به عرض صدها میکرون جلوگیری کند. چنین نقصی که "خلأ پیوند" نامیده می شود، می تواند با اسکن میکروسکوپ صوتی تشخیص داده شود و قالب یا اتصال را بی ارزش می کند. چاک های خلاء گرم شده به طور معمول با شمارش ذرات نوری خودکار بررسی می شوند و به همین دلیل فقط در شرایط فوق{4} تمیز استفاده می شوند.

ادغام با ابزارهای تراز و پیوند
چاک خلاء گرم شده در یک ابزار پیوند ویفر یکپارچه شده است که معمولاً شامل موارد زیر است:

چاک بالایی (گاهی اوقات غیرفعال یا گرم می شود) برای حفظ ویفر بالایی

مرحله تراز کردن با استفاده از محرک های پیزو برای تراز ویفر-به- زیر 50 نانومتر.

مکانیسم فشار برای اعمال نیروی پیوند (معمولاً 10-100 کیلونیوتن روی یک ویفر 300 میلی‌متری)

دوربین های نوری یا مادون قرمز برای تشخیص علائم تراز ویفر از طریق

ویفر پایینی روی چاک گرم شده قرار می گیرد، خلاء ایجاد می شود و چاک در حین اتصال تا دمای مورد نظر (مثلاً 300 درجه برای اتصال هیبریدی) گرم می شود. ویفر بالایی تراز شده و در تماس است. پیوند به صورت موجی از مرکز به بیرون منتشر می شود. سپس چاک تحت شرایط تنظیم شده خنک می شود تا تنش پسماند پس از اتصال کاهش یابد.

نتیجه گیری: ادغام سه بعدی پایه حرارتی و مکانیکی
چاک خلاء گرم شده پیروزی مهندسی حرارتی، مکانیکی و مواد است که به تراشه‌ها اجازه می‌دهد تا به صورت عمودی روی هم چیده شوند تا قوی‌ترین هوش مصنوعی و سیستم‌های محاسباتی با کارایی بالا-را تامین کنند. مسطح بودن بالا، گرمایش همگن تا 400 درجه و سطحی بدون ذرات تمیز-و ویفرهای سیلیکونی منفرد را به یک دستگاه سه بعدی چند منظوره تبدیل می‌کند. مسطح بودن یک صفحه سرامیکی منفرد که در نانومتر در محدوده 300 میلی متر اندازه گیری می شود، در نهایت می تواند عملکرد یک ابر رایانه را مشخص کند. همانطور که ادغام IC 3D به لایه های بیشتر و بیشتر و گام های اتصال ظریف تر می رود، چاک خلاء گرم شده یک ابزار ضروری باقی می ماند و بی صدا بعد سوم سیلیکون را فعال می کند.