پیوند یوتکتیکی

پیش‌فرایند

آماده‌سازی سطح مهم‌ترین گام برای پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز پیوند یوتکتیک است. این روش پیوند به‌علت حضور اکسید روی بسترهای سیلیسیمی و بر پایهٔ ترشوندگی ضعیف طلا روی لایهٔ اکسیدی بسیار محدود است. این امر منجر به چسبندگی ضعیف پیوند یوتکتیک می‌گردد. اکسید روی سطح سیلیسیم به‌عنوان مانع انتشار عمل می‌کند. هدف اصلی آماده‌سازی سطح، تسهیل کردن نفوذ فلز یوتکتیکی به‌کمکِ حذف اکسید یا رسوب لایۀ چسبنده است.  می‌توان برای حذف لایه‌های اکسید محلی موجود، از اچینگ شیمیایی تر (اسیدشویی HF)، اچینگ شیمیایی خشک یا انباشت به روش تبخیر شیمیایی (CVD) با انواع مختلفی از بلورها استفاده کرد. همچنین برخی از کاربردها نیازمند یک پیش‌پردازش سطحی با استفاده از فرایندهای حذف اکسید خشک مانند پلاسما هیدروژن (H₂) و پلاسما (CF₄)  هستند. یک روش اضافی برای حذف فیلم‌های سطحی ناخواسته (اکسید) به‌کارگیری اولتراسوند در طول پروسه اتصال است. به‌محض پایین آوردن تجهیزات، ارتعاش نسبی بین ویفر و بستر اعمال می‌شود. معمولاً اتّصال‌دهنده‌های صنعتی از اولتراسونیک با فرکانس ارتعاش 60 هرتز و دامنهٔ ارتعاش 100 میکرومتر استفاده می‌کنند. حذف موفّقیّت‌آمیز اکسید، یک اتصال جامد و محکم غیرقابل نفوذ را نتیجه می‌دهد. 
روش دوّم برای اطمینان از این‌که فلز یوتکتیکی بر ویفر سیلیسیمی چسبیده است، استفاده از یک لایۀ چسبنده است. این لایۀ فلزی میانی نازک، به‌خوبی به اکسید و فلز یوتکتیکی می‌چسبد. فلزات مناسب برای ترکیب سیلیسیم - طلا (Au-Si) عبارتند از: تیتانیوم (Ti) و کروم (Cr) که به‌عنوان مثال ترکیبات Si-SiO₂-Ti-Au یا Si-SiO₂-Cr-Au را نتیجه می‌دهد. لایۀ چسب برای تخریب اکسید به‌کمک انتشار سیلیسیم درون مواد مورد استفاده به کار برده می‌شود. یک ویفر معمولی از یک ویفر سیلیسیمی همراه با اکسید، لایه‌ی Ti یا Cr با ضخامت  200-30 نانومتر و لایه Au با ضخامت بیش از 500 نانومتر تشکیل شده است. در تولید ویفر نیکل (Ni) یا پلاتین (Pt)، لایه‌ای بین طلا و بستر ویفری، به‌عنوان مانع انتشار، اضافه می‌شود. مانع انتشار از تعامل بین Au و Ti / Cr جلوگیری می‌کند و به دماهای بالاتری برای ایجاد یک پیوند قابل‌اعتماد و یکنواخت نیاز دارد. علاوه بر این، حلالیت بسیار کمی از سیلیسیم در تیتانیوم و کروم می‌تواند از ایجاد ترکیب یوتکتیک Au-Si، بر پایۀ انتشار سیلیسیم از طریق تیتانیوم درون طلا، جلوگیری کند. مواد یوتکتیک و لایه‌های چسبندۀ اختیاری، معمولاً ازطریق رسوب‌کردن به‌عنوان آلیاژی در یک لایه به کمک آبکاری الکتریکی دو جزئی، تبخیر منبع دوجانبه (رسوب دهی فیزیکی بخار) و یا کندوپاش آلیاژ کامپوزیتی به‌دست می‌آیند.  حذف آلودگی، در بیشترین لایۀ طلای ایجادشده برای سیلیسیم، معمولاً با استفاده از فشار آب و گرم کردن ویفر انجام می‌شود.

فرایند پیوند

بسترها مستقیماً پس از پیش‌فرایند سطوح، جهت جلوگیری از بازسازی اکسید، مماس می‌گردند. عموماً، فرایند پیوند برای فلزات اکسیدشونده (نه طلا) در یک اتمسفر کاهش‌یافته از 4% هیدروژن و یک جریان گازی خنثی، برای مثال نیتروژن، صورت می‌پذیرد. درواقع، الزامات تجهیزات پیوند، حرارت و فشار یکنواخت در میان ویفر است. این امر به‌طور یکنواخت، توانایی خطوط مهر و موم شدۀ فشرده را موجب می‌گردد. 
بستر، هم‌تراز شده و در یک فاز حرارتی و روی ویفر سیلیسیمی در یک ابزار حرارتی تنظیم می‌شود. بسترهای واردشده در محفظۀ اتصال با حفظ هم‌ترازی تماس پیدا می‌کنند. به محض این‌که لایه‌ها در تماس اتمی باشند، واکنش بین آن‌ها آغاز می‌شود. به منظور حفاظت از واکنش، فشار مکانیکی اعمال می‌شود و حرارت دادن در بالاتر از دمای یوتکتیکی انجام می‌شود. با افزایش دمای پیوند، میزان انتشار و حلالیت طلا در بستر سیلیسیمی افزایش می‌یابد. معمولاً، دمایی بالاتر از دمای یوتکتیک برای فرایند پیوند ترجیح داده می‌شود. این امر ممکن است منجر به تشکیل لایۀ آلیاژی Au-Si ضخیم‌تر و همچنین پیوند یوتکتیک قوی‌تر شود. به مجرّد این‌که لایه‌ها در تماس اتمی در دماهای بالا باشند، انتشار شروع می‌شود. لایۀ سطحی تماسی حاوی گداز کامپوزیت‌های یوتکتیکی، متشکّل از آلیاژ فاز مایع، سرعت‌بخشی به فرایندهای آمیختگی بعدی  و انتشار است، تا زمانی که ترکیب به اشباع برسد.  سایر آلیاژهای پیوند یوتکتیکی معمول، عموماً برای پیوند ویفری شامل Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In و Cu-Sn استفاده می‌شوند. دمای پیوند انتخاب‌شده معمولاً در مقیاس‌های بالاتر از دمای یوتکتیک است؛ به‌طوری‌که گداز کمتر چسبناک می‌شود و به‌علّت زبری بیشتر، به قسمت‌های سطوحی که در تماس اتمی نیستند، به‌راحتی جریان می‌یابد. جهت جلوگیری از فشرده شدن مذاب خارج از خط اتصال پیوند، بهینه‌سازی کنترل پارامتر پیوند (به عنوان مثال، نیروی کم بر روی ویفرها) ضروری است. در غیر این صورت، ممکن است منجر به اتصال کوتاه یا ناکارایی دستگاه قطعات مورد استفاده (الکتریکی و مکانیکی) شود. گرمایش ویفرها باعث تغییر در بافت سطحی، به‌سبب تشکیل میکروساختارهای ریز سیلیسیمی در بالای سطح طلا، می‌گردد.

فرایند خنک‌کننده

ترکیب مواد، زمانی که درجه حرارت به زیر نقطه یوتکتیک کاهش می‌یابد یا نسبت غلظت تغییر می‌کند، جامد و محکم می‌شود. (برای سیلیسیم-طلا: T<370 سانتیگراد) انجماد منجر به رشد اپیتاکسیالی سیلیسیم و طلا در بالای بستر سیلیسیمی می‌شود که در نتیجه، جزیرهٔ سیلیکونی کوچک بسیاری از آلیاژ طلای پلی‌کریستالی ظاهر می‌شود (در مقایسه با تصویر مقطعی از خط اتصال پیوند). این موضوع می‌تواند باعث استحکام پیوند در حدود 70 مگاپاسکال شود. پارامترهای فرایند مناسب، یعنی کنترل دمای کافی اتصال، اهمیّت بسیار دارد. در غیر این صورت، ترک‌های پیوند به‌علّت تنش ناشی از عدم سازگاری ضریب انبساط حرارتی ایجاد می‌شوند. این تنش می‌تواند در طول زمان کم شود.

مثال‌ها

با توجه به استحکام بالای پیوند، این روش به‌ویژه برای سنسورهای فشاری یا مایعات کاربرد دارد. همچنین سنسورها و فعّال‌کننده‌های میکرومکانیکی هوشمند با عملکرد الکترونیکی    و/ یا میکرومکانیکی، با چندین ویفر مختلف، می‌توانند ساخته شوند.