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 интерпозера 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 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 можно отнести недостаточную надежность микросборки, стандартное ограничение на возможность работы с пластинами разного диаметра.
Известно устройство, принятое за прототип, 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 [4].
К недостаткам устройства, принятого за прототип, является недостаточное качество соединения (сращивания, бондинга), ограничение на возможность нанесения равномерного функционального слоя различной толщины.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение надежности микросборки, осуществление возможности равномерно наносить функциональный материал необходимой толщины.
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, соплом со струйной подачей и распылителем, систему выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин, причем реакционная камера для отмывки полупроводниковых пластин оснащена соплом (подсоединенным к системе выбора подачи реагентов) с двумя режимами подачи реагентов: струйная подача и распылитель.
По сравнению с прототипом реакционная камера оснащена функцией нанесения равномерных слоев различной толщины. Суть данной функции заключается в наличии двух видов сопла: со струйной подачей - для нанесения толстых слоев и распылительное сопло - для нанесения тонких слоев.
Увеличение равномерности слоев позволит сформировать микросборку с минимальным количеством пустот, следовательно, увеличится надежность микросборки. Особенно влияние пустот между пластинами увеличивается при выполнении операций шлифовки. В результате происходит сильный изгиб микросборки и вероятность успешной операции, например, литографии для формирования топологических элементов малых размеров, значительно снижается.
На фиг. 1 представлено многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин, где 1 - механизм перемещения пластин между реакционными камерами, 2 - центрифуга с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, 3 - система выбора подачи реагентов, 4 - реакционная камера для отмывки пластин, 5 - сопло со струйной подачей реагентов или с распылителем, 6 - шлюз, 7 - реакционная камера для соединения пластин, 8 - крышка для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, 9 - нагревательные плиты, 10 - насос для формирования вакуумной атмосферы, 11 - узел нагрева, 12 - основание.
На фиг. 2 представлено схематичное изображение нанесения реагентов на полупроводниковую пластину: а - струйная подача реагентов, б - распыление реагентов, где 2 - центрифуга с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, 5 - сопло со струйной подачей реагентов или с распылителем, 13 - рабочая полупроводниковая пластина, 14 - функциональный материал (реагент).
На фиг. 3 схематично представлен процесс соединения пластин: а - соединение пластин с неравномерном слоем, в следствие чего, в микросборке образуются пустоты и после процесса соединения образуется прогиб пластин; 6 - соединение пластин с равномерным слоем, где 13 - рабочая полупроводниковая пластина, 14 -функциональный материал (реагент), 15 - пустоты в микросборке.
На фиг. 4 представлены две полупроводниковые пластины с сформированным функциональным слоем: а - нанесение вручную из шприца, б - нанесение в многофункциональном устройстве для соединения полупроводниковых пластин.
На фиг. 5 изображение структуры, полученное на растровом электронном микроскопе (адгезив между кремниевыми пластинами).
На фиг. 6 представлены цилиндрические сквозные отверстия в кремнии (TSV - Through Silicon Vias) с аспектным соотношением ширины цилиндра к высоте цилиндра 1/10.
Многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин работает следующим образом.
Проводят очистку поверхности полупроводниковых пластин. После этого пластины перемещаются в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. Проводят откачку атмосферы реакционной камеры. Пластины перемещаются на центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, выбирается режим нанесения функционального материала: струйная подача для более толстых слоев; подача распылителем, для более тонких и равномерных слоев. После нанесения материала, он распределяется по поверхности. Когда слой сформирован, полупроводниковые пластины проходят термообработку для задубливания слоя. После формирования функционального слоя, пластины перемещают в реакционную камеру для соединения пластин. Соединяют пластины. После этого пластина проходит стадию утонения, и затем формируются TSV структуры.
-3
Конкретный пример исполнения. Проводят очистку поверхности полупроводниковых пластин диаметра: 150 мм, с тонкой алюминиевой пленкой толщиной 0.5 мкм и адгезионным слоем толщиной в диапазоне от 15 до 23 мкм в растворе диметилформамида (ДМФА), очистка проводится при максимальной скорости вращения центрифуги 1500 об/мин. После этого пластины перемещаются в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. Проводят откачку атмосферы реакционной камеры до давления 10 мбар.
Пластины перемещаются на центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, выбирается режим нанесения функционального материала: струйная подача (для более толстых слоев); подача распылителем (для более тонких и равномерным слоев). После нанесения материала, он распределяется по поверхности пластины со скоростью, зависящей от толщины необходимого слоя (от 800 об/мин до 2000 об/мин). Когда слой сформирован, полупроводниковые пластины проходят термообработку для задубливания слоя при 200°С.
После формирования функционального слоя, пластины перемещают в реакционную камеру для соединения пластин. Поднимают температуру до 300°С со скоростью 10°С/мин. Соединяют пластины. После этого пластина проходит стадию утонения до 120 мкм, и затем формируются TSV структуры с аспектным соотношением ширины отверстия к его высоте: 1/10 и менее.
В результате использования предлагаемого устройства возрастет надежность соединения (сращивания, бондинга) микросборки, осуществляется возможность равномерно наносить функциональный материал необходимой толщины.
Источники информации:
1. Патент РФ №2670498.
2. Патент РФ №2033657.
3. Патент РФ №198545.
4. Патент РФ №216169 - прототип.