Многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин

Полезная модель относится к области соединения (сращивания, бондинга) полупроводниковых пластин.
В процессе изготовления устройств в микроэлектронике используются полупроводниковые пластины, на которых посредством литографии, нанесения и травления слоев сформированы структуры. Повышение надежности интегральных схем обеспечивается за счет увеличения теплоотвода материалов. Требования к теплоотводу возрастают с увеличением количества уровней металлизации. Одним из решений является вертикальное интегрирование. Для этого между двумя пластинами располагают промежуточную полупроводниковую пластину - интерпозер. В объеме интерпозеров формируют сквозные TSV канавки (Through-Silicon Vias) и заполняют металлом. В результате использования объема материала полупроводниковой пластины обеспечивается рассеивание тепла и не допускается тепловая деградация прибора. Кроме того, соединение набора рабочих пластин через интерпозеры (или напрямую) предоставляет возможность продолжать достижение очередных уровней интеграции ИС за счет вертикального интегрирования. Данная операция соединения часто выполняется последней перед разделением пластины на кристаллы. Перед проведением данной операции затрачивается большое количество временных и финансовых ресурсов для изготовления половинок финального рабочего устройства, что доказывает чрезвычайную важность успешного проведения операции соединения.
Известно изобретение, в котором представлена конструкция устройства для изготовления заготовки фотокатода фотоэлектронного прибора термокомпрессионным соединением полупроводниковой пластины со стеклянной заготовкой [1].
Данное техническое решение имеет следующие недостатки и ограничения. Предлагаемое устройство применяется только для соединения полупроводниковой пластины со стеклянной заготовкой. То есть, нельзя соединять две полупроводниковые пластины. Учитывая, что материал стекла не проводит электричество, то передача полезного сигнала между образцами невозможна.
Устройство позволяет создавать только заготовки фотокатода фотоэлектронного прибора, что значительно огранивает область применения устройства.
Известно изобретение, в котором описывается конструкция для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, причем каждый узел крепления выполнен с держателем для размещения и фиксаторами для разделения полупроводниковых пластин, причем каждый узел крепления полупроводниковых пластин снабжен разрезным кольцом с пазами, а держатель узла крепления цилиндрическими винтовыми пружинами кручения, расположенными с возможностью подпружинивания разрезного кольца относительно держателя, при этом держатель и разрезное кольцо размещены с возможностью соединения штифтом из магнитомягкого металла, в держателе выполнены пазы для размещения фиксаторов для разделения полупроводниковых пластин, причем фиксаторы подпружинены цилиндрическими винтовыми пружинами сжатия относительно разрезного кольца, основание и карусель центрифуги снабжены системой магнитов, расположенной на одинаковом расстоянии от оси вращения центрифуги с возможностью их взаимодействия, а крышка для создания замкнутого пространства над полупроводниковыми пластинами снабжена подпружиненными в перпендикулярном относительно основания направлении магнитами, размещенными с возможностью их соосного расположения со штифтом из магнитомягкого металла при закрытой крышке и взаимодействии магнитов центрифуги и магнитов основания [2].
К недостаткам данного изобретения можно отнести недостаточное качество очистки поверхности перед соединением пластин. Даже в случае применения новейших систем очистки поверхности и минимального времени межоперационного интервала пластин между операциями очистки и соединения будет внесена некоторая дефектность из-за пыли в помещении, из-за контакта пластины с оператором.
Известно устройство, принятое за прототип, для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, отличающееся тем, что основание разделено шлюзом на две реакционные камеры для соединения и отмывки пластин, шлюз снабжен механизмом перемещения пластин между реакционными камерами, реакционная камеры для соединения пластин снабжена насосом для формирования вакуумной атмосферы, реакционная камеры для отмывки пластин снабжена системой выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин [3].
К недостаткам прототипа можно отнести, недостаточную надежность микросборки, стандартное ограничение на возможность работы с пластинами разного диаметра.
Задачей настоящей полезной модели является осуществление возможности наносить функциональный материал и соединять пластины одинакового или различного диаметра в едином технологическом цикле.
Поставленная задача решается тем, что формируют многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью и узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, нагреваемые плиты, две реакционные камеры для соединения и отмывки пластин, механизм перемещения пластин между реакционными камерами, насос для формирования вакуумной атмосферы, систему выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин, причем узлы крепления для фиксации полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра выполнены в виде круглых оснований диаметром, превышающим диаметр самой большой пластины, с отверстиями для притяжения пластин под вакуумным давлением, расположенными равномерно по площади круглых оснований.
В реакционной камере узлы крепления для фиксации полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра выполнены в виде круглых оснований диаметром, превышающим диаметр самой большой пластины, с отверстиями для притяжения пластин под вакуумным давлением, расположенными равномерно по площади круглых оснований. Это позволяет очищать, наносить функциональный материал и соединять пластины одинакового или различного диаметра в едином технологическом цикле.
На фиг.1 представлен двухмерный макет на многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра, где:
1 - крышка для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, 2 - реакционная камера для соединения пластин, 3 - основание, 4 - шлюз, 5 - реакционная камера для отмывки пластин, 6 - центрифуга с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, 7 - механизм перемещения пластин между реакционными камерами, 8 - система выбора подачи реагентов, 9 - узел нагрева, 10 - насос для формирования вакуумной атмосферы.
На фиг.2 представлен изготовленный экспериментальный макет многофункционального устройства для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра.
На фиг.3 представлены цилиндрические (TSV) структуры с различным аспектным соотношением ширины цилиндра к высоте цилиндра: а - аспектное соотношение 1/10; 6 - аспектное соотношение 1/5.
На фиг.4 узлы крепления с фиксацией полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра, где:
15 - отверстие для подачи вакуума, 16 - зона крепления для пластин диаметра 150 мм, 17 - зона крепления для пластин диаметра 100 мм, 18 - зона крепления для пластин диаметра 76 мм.
Многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра работает следующим образом. Происходит очистка пластин в реакционной вращающейся камере для отмывки пластин. После этого пластина перемещается в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. В реакционной камере для соединения пластин создается вакуумная атмосфера с помощью насоса и герметичной крышки. Следующим шагом, через шлюз пластины попадают в реакционную камеру для соединения пластин. После этого происходит повышение температуры с использованием узла нагрева и вращение прижимных плит. Затем пластины соединяются. После этого пластина проходит стадию утонения, и затем формируются TSV структуры.
-3
Конкретный пример исполнения. Проводят очистку поверхности полупроводниковых пластин различного диаметра: 76, 100, 150 мм, с тонкой алюминиевой пленкой толщиной 0.4 мкм и адгезионным слоем толщиной в диапазоне от 15 до 23 мкм в растворе диметилформамида, отчистка проводится при максимальной скорости вращения 1000 об/мин. После этого пластина перемещается в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. Проводят откачку атмосферы реакционной камеры до давления 10 мбар. Пластины перемещают в реакционную камеру для соединения пластин. Поднимают температуру до 300°С со скоростью 10°С/мин, плиты вращаются с максимальной скоростью 950 об/мин. Соединяют пластины. После этого пластина проходит стадию утонения до 120 мкм, и затем формируются TSV структуры с аспектным соотношением ширины цилиндра к его высоте: 1/10 и менее.
В результате использования предлагаемого устройства осуществляется возможность наносить функциональный материал и соединять пластины одинакового или различного диаметра в едином технологическом цикле.
Источники информации
1. Патент РФ №2670498.
2. Патент РФ №2033657.
3. Патент РФ №198545 - прототип.