Plasma-aktivert binding - Plasma-activated bonding

Plasma-aktivert binding er et derivat, rettet til lavere prosesstemperaturer for direkte bånding med hydrofile overflater. De viktigste kravene for å senke temperaturene ved direkte binding er bruken av materialer som smelter ved lave temperaturer og med forskjellige koeffisienter for termisk ekspansjon (CTE) .

Overflate -aktivering før liming har den typiske fordel at ingen mellomliggende lag er nødvendig og tilstrekkelig høy binding energi oppnås etter glødning ved temperaturer under 400 ° C.

Oversikt

Reduksjonen av temperatur er basert på økning av bindingsstyrken ved å bruke plasma-aktivering på rene wafer flater. Videre er økningen forårsaket av økning i mengden av Si-OH-grupper, fjerning av forurensninger på waferoverflaten, forbedring av den viskøse strømmen av overflatelaget og den forbedrede diffusiviteten til vann og gass fanget ved grensesnittet. Basert på omgivelsestrykk etableres to hovedoverflateaktiveringsfelt ved bruk av plasmabehandling for forbehandling av oblat for å senke temperaturene under gløding. For å etablere maksimal overflatenergi ved lave temperaturer (<100 ° C) må mange parametere for plasmaaktivering og gløding optimaliseres i henhold til bindingsmaterialet. Plasmaaktivert binding er basert på prosesspress delt inn i:

Atmosfærisk trykk-plasma-aktivert liming (AP-PAB)

Denne metoden er å antenne plasma uten å bruke et lavtrykksmiljø, så det er ikke nødvendig med dyrt utstyr for vakuumgenerering .

Atmosfærisk trykk-plasma-aktivert liming gjør det mulig å antenne plasma på bestemte lokale områder eller hele overflaten av underlaget. Mellom de to elektrodene antennes plasmagass via vekselstrøm.

Wafer-parene passerer følgende prosessflyt:

  1. RCA-rengjøring
  2. Overflateaktivering ved atmosfærisk trykk
    • Behandlingsvarighet ~ 40 s
    • Prosessgasser som brukes til silisium
      • Syntetisk luft (80 vol .-% N 2 + 20 vol .-% O 2 )
      • Oksygen (O 2 )
    • Prosessgasser som brukes til glass eller LiTaO 3
      • Ar / H 2 (90 vol .-% Ar + 10 vol .-% H 2 )
      • Fuktig oksygen (O 2 dH 2 O)
  3. Skylling i avionisert vann
    • Behandlingsvarighet 10 minutter
    • Reduksjon av partikkelkonsentrasjon
  4. Forbinding ved romtemperatur
  5. Annealing (romtemperatur til 400 ° C)

Den optimale gassblandingen for plasmabehandlingen er avhengig av glødetemperaturen. Videre er behandling med plasma egnet for å forhindre bindingsfeil under glødningsprosedyren.

Hvis du bruker glass , basert på den høye overflateruheten, er et kjemisk-mekanisk planariseringstrinn (CMP) nødvendig etter skylling nødvendig for å forbedre limingskvaliteten. Den bindingsstyrke er karakterisert ved bruddseighet bestemt ved mikro Chevron-tester . Plasmaaktiverte oblatbindinger kan oppnå bruddseghet som kan sammenlignes med bulkmateriale .

Dielektrisk barriereutladning (DBD)

Skjema for utslipp av dielektrisk barriere

Bruken av dielektrisk barriereutladning muliggjør et stabilt plasma ved atmosfæretrykk . For å unngå gnister , må et dielektrikum festes på den ene eller begge elektrodene . Formen på elektroden er lik substratgeometrien som brukes til å dekke hele overflaten. Prinsippet om en AP-aktivering med en dielektrisk barriere er vist i figuren "Skjema for dielektrisk barriereutladning".

Aktiveringsutstyret består av den jordede chucken som fungerer som waferbærer og en indiumtinnoksyd (ITO) belagt glasselektrode. Videre blir glassubstratet brukt som dielektrisk barriere, og utslippet drives av en koronagenerator.

Lavtrykksplasmaaktivert liming (LP-PAB)

Lavtrykksplasmaaktivert liming fungerer i fint vakuum (0,1 - 100 Pa) med en kontinuerlig gassstrøm. Denne prosedyren krever:

  • Støvsug
  • Behandle gasser
  • Høyfrekvent (HF) elektrisk felt mellom to elektroder

Den plasmaeksponerte overflaten aktiveres av ionebombardement og kjemiske reaksjoner gjennom radikaler . Elektroner i atmosfæren bevege seg mot den HF-elektroden under dens positive spenning . Den mest etablerte frekvensen til HF-elektroden er 13,56 MHz.

Videre er ikke elektronene i stand til å forlate elektroden i den positive halvbølgen av påført spenning, så den negative elektroden lades opp til 1000 V ( forspenning ). Gapet mellom elektroden og chucken er fylt med plasmagass. Atmosfærens bevegelige elektroner smeller inn i plasmagassatomer og treffer elektroner. På grunn av sin positive orientering beveger de massive ionene , som ikke er i stand til å følge HF-feltet, til den negativt ladede elektroden, hvor skiven er plassert. Innenfor disse omgivelsene er overflateaktiveringen basert på de slående ioner og radikaler som samhandler med overflaten av waferen (sammenlign figuren "Skjema for en plasmareaktor for lavtrykksplasmaaktivert binding").

Overflateaktivering med plasma ved lavt trykk behandles i følgende trinn:

  1. RCA-rengjøring
  2. Overflateaktivering ved lavt trykk
    • Behandlingsvarighet ~ 30–60 s
    • Prosessgasser (N 2 , O 2 )
  3. Skylling i avionisert vann
    • Behandlingsvarighet 10 min
    • Reduksjon av partikkelkonsentrasjon
  4. Forbinding ved romtemperatur
  5. Annealing (romtemperatur til 400 ° C)

Reaktiv ionetsing (RIE)

Skjema for en plasmareaktor for lavtrykksaktivert binding

RIE-modus brukes i tørre etseprosesser og gjennom reduksjon av parametere, dvs. HF-effekt, er denne metoden brukbar for overflateaktivering.

Elektroden festet til HF-generatoren brukes som bærer av skiven. Deretter lades overflatene på waferne negativt forårsaket av elektronene og tiltrekker seg de positive ionene i plasmaet. Plasmaet antennes i RIE-reaktoren (vist i figuren "Skjema for en plasmareaktor for plasma aktivert binding" med lavt trykk).

Den maksimale bindingsstyrken oppnås med nitrogen og oksygen som prosessgasser og er tilstrekkelig høy med en homogen dispersjon over skivene etter gløding ved 250 ° C. Bindingsenergien er karakterisert> 200% av ikke-aktivert referanseskive som er glødet ved samme temperatur. Det overflateaktiverte waferparet har 15% mindre bindingsenergi sammenlignet med et vaferpar med høy temperatur. Annealing ved 350 ° C resulterer i bindingsstyrker som ligner på høytemperaturbinding.

Fjern plasma

Eksternt plasmasystem

Fremgangsmåten for eksternt plasma er basert på å skape plasma i et separat sidekammer. Inngangene kommer inn i den eksterne plasmakilden og transporteres til hovedprosesskammeret for å reagere. Et skjema over systemet er vist i figuren "Remote plasma system".

Fjernplasma bruker kjemiske komponenter der hovedsakelig nøytrale radikaler reagerer med overflaten. Fordelen med denne prosessen er mindre skadet overflate gjennom manglende ionebombardement. Videre kan plasmaeksponeringstidene ordnes lenger enn med f.eks. RIE-metoden.

Sekvensiell plasma (SPAB)

Skivene aktiveres med kort RIE-plasma etterfulgt av en radikal behandling i ett reaktorkammer. En ekstra mikrobølgekilde og en ionefangende metallplate brukes til generering av radikaler. Effekten av plasma på overflaten endres fra kjemisk / fysisk til kjemisk plasmabehandling. Dette er basert på reaksjonene mellom radikaler og atomer på overflaten.

Tekniske spesifikasjoner

Materialer
  • Si
  • SiO 2
  • Glassunderlag
  • Litiumtantalat (LiTaO 3 )
  • ...
Temperatur
  • Romtemperatur - 400 ° C
Fordeler
  • høy bindingsstyrke
  • stabilitet ved høy temperatur
  • proseskompatibilitet med halvlederteknologi
  • gjennomførbarhet ved vakuum eller forskjellige atmosfæriske gasser
Ulemper
  • høye standarder i overflate geometri
  • høye standarder i ruhet
Forsker
  • hybrider (samtidig metall og SFB)
  • binding ved T <200 ° C
  • helt tørr prosess inkludert forkondisjonering

Referanser

  1. ^ a b c d D. Wünsch og M. Wiemer og M. Gabriel og T. Gessner (2010). "Platerbinding ved lav temperatur for mikrosystemer som bruker dielektrisk barriereutladning". MST-nyheter . 1/10 . s. 24–25.
  2. ^ a b c d M. Wiemer og J. Bräuer og D. Wünsch og T. Gessner (2010). "Reaktiv liming og binding ved lave temperaturer av heterogene materialer" . ECS-transaksjoner . 33 (4). s. 307–318.
  3. ^ a b c M. Wiemer og D. Wünsch og J. Bräuer og M. Eichler og P. Hennecke og T. Gessner (2009). "Binding ved lave temperaturer av hetero-materialer ved bruk av plasma-aktivering av omgivelsestrykk". I R. Knechtel (red.). WaferBond 2009: Conference on Wafer Bonding for Microsystems 3D- and Wafer Level Integration, Grenoble (Frankrike) . s. 73–74.
  4. ^ M. Eichler og B. Michel og P. Hennecke og C.-P. Klages (2009). "Effekter på silanolkondensering ved lavtemperatur silisiumfusjonsliming" . Journal of the Electrochemical Society . 156 (10). s. H786 – H793.
  5. ^ M. Eichler og B. Michel og M. Thomas og M. Gabriel og C.-P. Klages (2008). "Forbehandling av atmosfærisk trykk for direkte binding av silisiumplater ved lave temperaturer" . Overflate- og beleggsteknologi . 203 (5–7). s. 826–829.
  6. ^ G. Gerlach og W. Dötzel (mars 2008). Ronald Pething (red.). Introduksjon til mikrosystemteknologi: En guide for studenter (Wiley mikrosystem og nanoteknologi) . Wiley Publishing. ISBN   978-0-470-05861-9 .
  7. ^ a b c D. Wünsch og B. Müller og M. Wiemer og T. Gessner og H. Mischke (2010). "Aktivierung mittels Niederdruckplasma zur Herstellung von Si-Verbunden im Niedertemperatur-Bereich und deren Charakterisierung mittels Mikro-Chevron-Test". Technologien und Werkstoffe der Mikrosystem- und Nanotechnik (GMM-Fachbereicht Band 65) . s. 66–71. ISBN   978-3-8007-3253-1 .
  8. ^ a b R. E. Belford og S. Sood (2009). "Overflateaktivering ved bruk av eksternt plasma for liming av silisium til kvartsplate". Microsystem Technologies . 15 . s. 407–412. doi : 10.1007 / s00542-008-0710-4 .