ИНДИЕВЫЕ МИКРОКОНТАКТЫ ДЛЯ ГИБРИДНОЙ МИКРОСХЕМЫ
INDIUM MICROCONTACTS FOR HYBRID MICROCIRCUIT

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении гибридных микросхем, состоящих из двух полупроводниковых компонент, соединенных между собой множеством микроконтактов, для увеличения механической прочности микроконтактов, а также для упрощения технологии изготовления.
Известны гибридные полупроводниковые микросхемы, изготовленные из двух разных материалов, соединенные между собой множеством индиевых микроконтактов (US Patent 5308980, May, 03, 1994). Необходимость применения разных материалов в таких микросхемах связана с тем, что разные полупроводниковые компоненты гибридных микросхем выполняют различные функции и поэтому требуют использования различных электрофизических свойств. При этом, различные полупроводниковые компоненты гибридных микросхем, как правило, имеют и разные термомеханические характеристики, в частности разные коэффициенты термического расширения (КТР). Индиевые микроконтакты в таких микросхемах на первоначальной стадии изготовления частично формируются на обеих полупроводниковых компонентах гибридной микросхемы, а затем соединяются в целостные микроконтакты методом «перевернутого кристалла» (flip-chip).
Недостатком гибридных микросхем, состоящих из двух различных полупроводниковых компонент, изготовленных из материалов, имеющих различные КТР, является то, что индиевые микроконтакты, частично сформированные на обеих полупроводниковых компонентах гибридных микросхем на первоначальной стадии изготовления, вследствие очень высокой окисляемости индия всегда покрыты окисной пленкой. Вследствие этого при их последующем соединении для формирования целостных микроконтактов, например сдавливанием встречных индиевых микроконтактов, не происходит образования единого прочного индиевого соединения, а формируется индиевое соединение, состоящее из двух слоев индия, между которыми остаются фрагменты индиевой окисной пленки, значительно уменьшающей механическую прочность индиевого микроконтакта В процессе эксплуатации таких гибридных микросхем, когда они подвергаются многократному воздействию различных температур, в них возникают циклические термомеханические напряжения вследствие различного по величине расширения (при нагревании) или сжатия (при охлаждении) разных материалов полупроводниковых компонент гибридной микросхемы. При этом индиевые соединения микроконтактов постепенно разрушаются по границе соединения индий - индий, поскольку между двумя слоями индия присутствует индиевая окисная пленка, которая значительно ослабляет прочность соединения. По этой границе происходит постепенное разрушение микроконтактов.
Известны индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы (alloy bonded indium bumps), соединяющие две части гибридной микросхемы, состоящие из первой и второй частей гибридной микросхемы, а каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои, нанесенные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы и индиевый слой (US Patent 4930001, Aug. 1986). До соединения двух частей гибридной микросхемы на одной из них выполняют индиевые микроконтакты поверх металлического слоя, а на второй части гибридной микросхемы выполняют металлические подкладки, обычно состоящие из трех металлических слоев: золота, выполненного поверх слоя никеля, выполненного поверх слоя титана. Индиевые микроконтакты могут быть подвергнуты травлению в соляной кислоте низкой концентрации (обычно 1%) для того, чтобы убрать с поверхности индия окисную пленку. При соединении двух частей гибридной микросхемы индиевые микроконтакты сжимаются между соответствующими металлическими подкладками и выдерживаются в этом состоянии в течение определенного времени при определенной температуре до образования прочного интерметаллического соединения индий - золото.
Конструкция таких индиевых микроконтактов является наиболее близкой  заявляемой и взята за прототип.
Данное техническое решение имеет тот недостаток, что первоначально прочное соединение индий - золото постепенно деградирует вследствие изменения структуры интерметаллического соединения со временем или в процессе многократных изменений температуры. При этом образуется вторичный интерметаллический слой, значительно менее прочный, чем первоначальный. Кроме того, известно, что обработка индия в соляной кислоте лишь частично убирает окисную пленку с его поверхности. Ее присутствие на интерметаллической границе значительно ослабляет прочность индиевых микроконтактов. Наконец еще одним недостатком данного технического решения является то, что для формирования индиевых микроконтактов необходимо применять сложный и дорогостоящий технологический процесс нанесения слоя золота.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности индиевых микроконтактов за счет исключения индиевой окисной пленки в интерметаллическом соединении микроконтактов, а также упрощение и удешевление технологии изготовления индиевых микроконтактов за счет исключения использования слоя золота при их формировании.
Технический результат достигается тем, что в индиевых микроконтактах для гибридной микросхемы, соединяющих две части гибридной микросхемы, состоящие из первой и второй частей гибридной микросхемы, а каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои, выполненные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы, и индиевый слой, внутри слоя индия выполнен слой олова, так что на интерметаллических границах индий - олово отсутствует индиевая окисная пленка.
Для реализации данного технического решения предлагается заменить в индиевых микроконтактах для гибридных микросхем интерметаллическую границу индий - золото, интерметаллической границей индий - олово. Интерметаллическая граница индий - золото, как следует из описания прототипа, может быть сформирована только в два этапа, причем между этими этапами индиевый микроконтакт неизбежно находится некоторое время на воздухе, что всегда приводит к быстрому (в течение нескольких десятков секунд) окислению поверхности индия, поскольку индий имеет очень низкий потенциал ионизации, равный 5,8 эВ. Потенциал ионизации олова гораздо выше - 7,3 эВ, и, кроме того, напыление слоя олова на слой индия легко осуществить в вакууме, в одном технологическом процессе с напылением индия, что исключает образование индиевой окисной пленки на интерметаллической границе индий - олово. Напыленный, таким образом, слой олова можно выполнить включенным внутри целостного слоя индия методом «холодной сварки» - сжатием двух встречных микроконтактов, с использованием общеизвестного Flip-Chip процесса.
На фиг.1 показан одиночный индиевый микроконтакт для гибридной микросхемы в поперечном разрезе, соединяющий две части гибридной микросхемы:
1 - первая часть гибридной микросхемы,
2 - вторая часть гибридной микросхемы,
3 - металлические слои,
4 - слой индия,
5 - слой олова,
6 - интерметаллические границы индий - олово.
На фиг.2 показано измерение механической прочности первых и вторых тестовых образцов приложением сдвигового усилия F, где:
7 - упорная часть держателя тестового образца,
8 - прижимная часть держателя тестового образца,
9 - тестовый образец,
10 - основание держателя тестового образца.
Первая и вторая часть гибридной микросхемы 1 и 2 соединены между собой индиевыми микроконтактами. Каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои 3, выполненные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы 1 и 2, на которых выполнен слой индия 4. Внутри слоя индия 4 выполнен слой олова 5 таким образом, что на интерметаллических границах индий - олово 6 отсутствует индиевая окисная пленка.
Заявляемые индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы применялись для изготовления тестовых образцов для гибридной микросхемы, которые испытывались на прочность индиевых соединений методом сдвига. В качестве подложек для изготовления первой и второй частей микросхемы 1 и 2 использовались полированные кремниевые пластины толщиной 450 мкм, на которые наносился слой хрома 3 толщиной 0,1 мкм. Далее на слой хрома наносился, напылением в вакууме, слой индия 4 толщиной 6 мкм и поверх него в едином процессе наносился слой олова 5 толщиной 0,2 мкм. Поскольку операция напыления слоя олова осуществлялась непосредственно после напыления слоя индия 4 (без контактирования с воздухом), то тем самым обеспечивалось отсутствие на интерметаллической границе индий - олово 6 индиевой окисной пленки.
Методом фотолитографии на двойном слое индий - олово выполнялся квадратный массив микроконтактов 130×130 элементов. Диаметр микроконтактов составлял 22 мкм. Стандартной операцией скрайбирования, алмазным диском, кремниевая пластина разрезалась на чипы размером 10×10 мм, так что массивы микроконтактов располагались по центру чипов. Половина полученных чипов использовалась в качестве первой части гибридной микросхемы, а вторая половина в качестве второй части гибридной микросхемы.
На установке FC-6, фирмы Karl-Suss, методом перевернутого кристалла (Flip-Chip) производилось сжатие массива индиевых микроконтактов первой части гибридной микросхемы с соответствующим массивом индиевых микроконтактов второй части гибридной микросхемы. Сжатие первой и второй частей гибридной микросхемы осуществлялось при давлении 180 Н в течение 10 секунд. При таком давлении начинается пластическое течение индия, но не наблюдается пластического течения олова (что качественно объясняется величиной такого параметра, как твердость материала: твердость по Брюнелю индия составляет около 9 МПа, а твердость олова около 60 МПа). Таким образом, при таком давлении индий за счет пластического течения обволакивает слой олова и мы получаем индиевые микроконтакты, подобные показанным на Фиг.1. В этом случае средняя часть полученных микроконтактов не содержит индиевой окисной пленки на интерметаллических границах индий - олово и прочно соединяется слоем олова, по прочности большим прочности индия, что обеспечивает повышенную стойкость к механическим напряжениям. Остальная же часть объема индия имеет повышенную пластичность, которая, как известно, сохраняется даже при температуре жидкого азота, что обеспечивает компенсацию механических напряжений за счет пластической деформации.
Для сравнения с тестовыми образцами гибридной микросхемы изготавливались вторые (сравнительные) тестовые образцы для гибридной микросхемы, когда сжимались чипы с массивом индиевых контактов, в которых слой индия не покрывался слоем олова и которые некоторое время выдерживались на воздухе, что приводило к тому, что поверхность индия покрывалась слоем окисла индия. В результате после сжатия двух чипов, имитирующих первую и вторую часть гибридной микросхемы, индиевые микроконтакты содержали индиевую окисную пленку в средней части микроконтактов.
Первые и вторые тестовые образцы для дополнительного упрочнения микроконтактов подвергались прогреву при температуре ниже температуры плавления индия.
Далее, с помощью специального приспособления, схематично показанного на Фиг.2, производились измерения механической прочности соединения первых и вторых тестовых образцов приложением сдвигового усилия F, показанного стрелкой. Специальное приспособление состоит из упорной части держателя тестового образца 7 и прижимной части держателя тестового образца 8, которые размещены на основании держателя тестового образца 10. Измерения механической прочности соединения осуществляется следующим образом. Сначала тестовый образец 9 помещается на упорную часть 7 держателя тестового образца, как показано на Фиг.2, так что первая часть тестового образца снизу опирается на упорную часть держателя тестового образца. При этом вторая часть тестового образца может быть сдвинута вниз приложением сдвигового усилия F к ее торцу. Затем к тестовому образцу сбоку подводится прижимная часть держателя тестового образца 8 любым общеизвестным способом, например с помощью какого-либо регулировочного винта, который на фиг.2 не показан. При этом тестовый образец прижимается к упорной части держателя тестового образца небольшим усилием, так чтобы величина этого усилия была много меньше (например, в 10 раз), чем сдвиговое усилие F. Точное значение прижимного усилия не имеет большого значения, так как основная функция прижимной части держателя тестового образца - это только удержание тестового образца в вертикальном положении в процессе приложения сдвигового усилия. После фиксации вертикального положения тестового образца к торцу второй части тестового образца прикладывается сдвиговое усилие F, линейно увеличивающееся во времени. В нашем случае скорость нарастания сдвигового усилия составляла 1 Н/сек. В некоторый момент происходит срыв второй части тестового образца от первой части тестового образца. В этот момент величина сдвигового усилия фиксируется.
Проведенные измерения показали, что сдвигового усилие для первых тестовых образцов составило около 60 Н, в то время как для вторых тестовых образцов оно составило около 35 Н. Таким образом первые тестовые образцы для гибридной микросхемы, в которых индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы, внутри слоя индия которых выполнен слой олова, а на интерметаллических границах индий-олово отсутствует индиевая окисная пленка, показали механическую прочность на сдвиг почти вдвое большую, чем механическая прочность сравнительных гибридных микросхем, в которых индиевые микроконтакты содержали индиевую окисную пленку в средней части микроконтактов. При этом для формирования микроконтактов в первых тестовые образцах применялся упрощенный технологический процесс, не требующий использования более сложного и дорогостоящего технологического процесса нанесения слоя золота.