22 Сентября 2020
Автор и должность
Александр Скупов, главный специалист
Отдел
ООО "Остек-Интегра"
Издание
Вектор высоких технологий №4(49) 2020
Посмотреть в формате pdf

С увеличением степени интеграции изделий микроэлектроники, их функционала, быстродействия и энергоэффективности широкую перспективу для разработчиков открывают технологии 2,5D- и 3D-интеграции. Для технологов, воплощающих передовые разработки в конечное изделие, возникает много новых задач в этой области. Технологической основой 2,5D- и 3D-интеграции, а также изготовления МЭМС и устройств микрофлюидики, являются различные методы сварки пластин.

Их классификация приведена на рис 1. Методы позволяют соединять две или более пластин из полупроводников или иных материалов (металл, стекло, керамика, кристаллические диэлектрики), получая прочное долговечное соединение. О многих методах мы подробно рассказывали в прошлых выпусках журнала «Вектор высоких технологий»1, 2. Каждый из них обладает своими преимуществами, недостатками и ограничениями.

Все методы непосредственной сварки требуют очень качественной поверхности с экстремально высокими требованиями к чистоте и шероховатости. Анодная сварка неприменима для многих задач 3D-интеграции из-за несовместимости стекла с полупроводниковым производством. Процессы сварки через металл часто сложны для отладки технологического процесса из-за металлургических эффектов. Многие методы сварки требуют наличия дополнительного технологического оборудования помимо установки сварки пластин.

Среди самых распространённых – сварка через полимеры (англ.: adhesive bonding). Она во многом лишена приведённых недостатков и является относительно простой в исполнении. Данная статья посвящена основным особенностям этого процесса и применяемым для него материалам.

Общая характеристика метода

Полимер, с помощью которого производится сварка, наносится на одну из пластин методом центрифугирования или спреем. Затем при необходимости в нём формируется топология, после чего пластины соединяются внутри специальной установки, где под воздействием механического прижима и температуры формируется их надёжное соединение.

В качестве полимеров могут быть использованы практически любые материалы для фотолитографии или межслойной изоляции самых верхних уровней металлизации. Если используются фоточувствительные полимеры, то можно формировать в них топологию обычным литографическим методом. Способ удобен тем, что для его использования не требуется какое-либо дополнительное оборудование, кроме установки сварки. Слои формируются при помощи стандартного литографического процесса.

Преимущества такого метода:

  • невысокие требования к шероховатости поверхности и геометрии пластин;
  • низкая чувствительность к дефектам;
  • небольшие усилия прижима;
  • невысокая температура в процессе сварки.

Основным недостатком способа является невозможность обеспечения герметичности из-за того, что полимеры в силу своей структуры пропускают молекулы газов. Это ограничение не позволяет применять способ в тех устройствах, где требуется вакуум (различные высокодобротные резонаторы в МЭМС, устройства вакуумной электроники, изделия со стабильной атмосферой в герметичном объёме). Однако в области 2,5D- и 3D-интеграции, для несложных массовых МЭМС и устройств микрофлюидики данный способ выглядит привлекательным. Он лишён тех принципиальных недостатков и сложностей, которые есть у других процессов сварки.

Выбор материала

В зависимости от изделия для полимерной сварки могут быть применены как фоточувствительные, так и нефоточувствительные материалы, свойства которых приведены в Таблице 1. Как видно из таблицы, все материалы обладают довольно низким модулем упругости.

Таблица 1 Свойства полимеров для сварки

Свойство

Бензоциклобутен (BCB)

Полиимиды

Фоторезисты

PermiNex

Модуль упругости, ГПа

2,7-3,1

2,0-8,5

2-4

2,2-2,3

Относительное удлинение, %

5,5-18,0

10-60

-

5

КТР, 10-6 °С-1

42-45

3-55

40-50

90-98

Температура стеклования, °С

>350

270-360

90-150

105

Удельное сопротивление, Ом*см

1014-1019

1016

-

1014

Диэлектрическая прочность, В/мкм

510-530

100-470

100-700

115

Остаточные напряжения в плёнке, МПа

26-31

10-37

-

9-10

Термостабильность, °С

150-350

430-620

120-150

296

Диэлектрическая проницаемость

2,65-2,94

2,9-3,36

4-4,5

-

Тангенс угла диэлектрических потерь

0,0008-0,0170

0,001-0,01

-

-

Это свойство позволяет им распределять механические напряжения, возникающие при соединении пластин с разными коэффициентами теплового расширения (КТР). Учитывая, что процесс сварки проводится при относительно невысоких температурах, использование данных материалов позволяет осуществлять 3D-интеграцию разнородных устройств, выполненных на основе разных полупроводников.

Нефоточувствительные материалы применяются тогда, когда не нужно создавать топологию в соединяющем слое, т. е. когда происходит сварка с помощью сплошного слоя. Такой способ может быть использован, например, для соединения двух пластин, когда одна сторона предназначена для соединения с подложкой с помощью шариковых выводов, а другая для проволочной разварки. Нефоточувствительные материалы в основном используются, если не требуется непосредственная интеграция функциональных свойств, но требуется экономия площади изделия.

Примеры нефоточувствительных материалов, которые могут использоваться для сварки, – это полимер на основе бензоциклобутена (BCB) Cyclotene серии 3000 и нефоточувствительные полиимиды серий PI 2500 и PI 2600. На рис 3 приведена микрофотография кристалла, при изготовлении которого пластины были соединены с помощью полимера на основе BCB.

Обычные фоторезисты являются классическими фоточувствительными материалами. Это простейший пример материалов для сварки пластин. С точки зрения прочности соединений, которые можно создавать с помощью фоторезистов, практически нет корреляции с тональностью этого материала (позитивный или негативный). Производители фоторезистов обычно не предоставляют данные по диэлектрическим характеристикам своих материалов, а также по долговременной стабильности их свойств, поскольку эти данные не требуются в обычном фотолитографическом процессе. Поэтому такие материалы могут быть использованы для сварки при изготовлении прототипов изделий МЭМС, для проверки технологических концепций в области 2,5D- и 3D-интеграции, но не для перманентной сварки в изделиях, требующих долговременной эксплуатации. В одноразовых изделиях микрофлюидики для неагрессивных жидкостей сварка через фоторезисты может быть применена при серийном производстве, поскольку для данных изделий не существует требований к электрическим характеристикам. Примером фоторезистов, которые можно рекомендовать для сварки через полимеры, является серия AZ P4000. Это позитивные химически усиленные фоторезисты, которые позволяют наносить плёнки толщиной 1-30 мкм. Механические и диэлектрические свойства этого материала стабилизируются после дополнительной тепловой обработки вслед за проявлением (post develop backing).

Особым классом материалов для сварки пластин являются перманентные фоторезисты, предназначенные для формирования функциональных слоёв. Они обладают стабильностью механических свойств и высокой химической стойкостью. Самый известный пример – фоторезисты серии SU-8. Экспериментально было показано3, что при использовании данных материалов достигается наивысшая прочность соединения пластин по сравнению с другими фоторезистами. На рис 3 приведена фотография поперечного сечения двух кремниевых пластин, соединённых при помощи SU-8.

Фоточувствительные диэлектрики на основе полиимидов и BCB также могут широко использоваться для сварки. Они сохраняют стабильность механических и диэлектрических свойств в широком диапазоне температур. Для формирования в них топологии не требуется нанесение дополнительного слоя фоторезиста, как для их нефоточувствительных аналогов. Диэлектрические свойства этих материалов в широком диапазоне частот позволяют использовать их при 2,5D- и 3D-интеграции телекоммуникационных изделий. Примеры материалов приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Технологические свойства фоточувствительных диэлектриков, пригодных для сварки через полимеры (производитель – компания DuPont)

Материал

ТИП

Толщина плёнки

Тональность

Проявитель

Cyclotene 4000

BCB

1-30

Негативный

Органический растворитель

Cyclotene P6505

BCB

3-5

Позитивный

2,38 % TMAH

HD-4100

PI

5-40

Негативный

Органический растворитель

HD-8820

PI

5-12

Позитивный

2,38 % TMAH

BCB = бензоциклобутен; PI = полиимид; TMAH = тетраметиламмония гидроксид

Существуют специальные материалы, разработанные для перманентной сварки пластин. Компания Kayaku Advanced Materials (ранее известная как Microchem) выпускает серию материалов под брендом PermiNex. Они оптимизированы для процесса сварки с точки зрения адгезии к поверхности при нанесении. Также они обеспечивают большую прочность соединения на разрыв по сравнению с фоторезистами (даже SU-8), BCB и полиимидами.

Таким образом, существует множество полимерных материалов, пригодных для сварки при изготовлении разнообразных изделий. Обычные фоторезисты используются для изготовления прототипов МЭМС, некоторых изделий микрофлюидики. Полимеры, специально разработанные для сварки, и перманентные фоторезисты применяют при изготовлении прочих изделий МЭМС и микрофлюидики, где не требуется герметичность. Если необходимы высокие диэлектрические свойства и химическая стойкость герметизирующего шва, то для полимерной сварки используют полиимиды либо полимеры на основе BCB.

Особенности процесса

Схема технологического процесса сварки пластин через полимеры приведена на рис 4. Подготовка пластин перед сваркой полностью совпадает со стандартным литографическим процессом. В процессе нанесения полимера важно сделать удаление краевого валика и промывку обратной стороны пластины. Валик помешает приведению пластин в контакт и потребует значительного увеличения температуры и давления при сварке. После нанесения полимера на подготовленную поверхность пластины происходит сушка для испарения растворителя. Если полимер фоточувствительный, то проводится литография. После проявления и сушки производится дополнительная температурная обработка. Для фоторезистов она стабилизирует их свойства (температура 90-150 °C, время 5-20 минут). У полиимидов и BCB при температурной обработке происходят реакции сшивки входящих в их состав полимеров, эти процессы осуществляются при температурах 200-250 °C в течение 10-60 минут. При полимеризации BCB необходима продувка азотом, поскольку неполимеризованный материал легко окисляется кислородом воздуха4.

Для сварки желателен вакуум 10-3 мбар. Откачка камеры установки сращивания позволяет избежать формирования воздушных пустот, а также снижает влияние атмосферного кислорода на полимеры5.

После загрузки пластин в камеру сварки и откачки воздуха обе пластины нагреваются до температуры, которая на 10 °C превосходит температуру оплавления полимера. Для фоторезистов это диапазон 110-150 °C. BCB и полиимиды являются более термически стойкими, для них температура в процессе нагрева подложек должна составлять около 250 °C. Пластины выдерживаются при выставленной температуре 10 минут для обеспечения равномерного прогрева.

После завершения прогрева убираются разделительные проставки между пластинами, и пластины приводятся в контакт. Для получения надёжного соединения необходимо, чтобы полимер смочил поверхность пластины, к которой осуществляется сварка. При этом не требуется экстремально низкая шероховатость поверхности, как в случае непосредственной сварки, для полимерной сварки достаточно шероховатости до 10 нм. В процессе сварки к сборке равномерно прикладывается усилие 0,3-0,5 МПа. Полимер не чувствителен к мелким точечным дефектам поверхности (размер менее толщины плёнки), они будут погружены в него и не повлияют на качество соединения. Через несколько минут после приложения усилия в камеру сварки напускается азот и происходит охлаждение пластин. При температуре около 50 °C для фоторезистов и 100 °C для полиимидов и BCB механическое усилие снимается. Пластины можно выгружать из установки при температуре 50 °C. После сварки создаётся высокопрочное соединение, которое без каких-либо повреждений выдерживает процесс разделения на кристаллы при помощи алмазного диска (рис 5) и дальнейшие нагрузки при эксплуатации.

Таким образом, технологический процесс сварки достаточно прост. Если установка сварки оснащена принудительным охлаждением держателей пластин, то весь цикл от загрузки пластин до выгрузки занимает 20-30 минут. Благодаря невысокой температуре, до которой нагреваются подложки, это время существенно ниже того, которое требуется для сварки через стеклокерамический припой и анодной сварки.

Заключение

Современная электроника, МЭМС и микрофлюидика при создании широкой номенклатуры изделий требуют соединения пластин из одинаковых или разнородных материалов. Существует множество методов осуществления данного процесса. Один из самых простых способов – сварка пластин через полимеры. В отличие от многих других способов она полностью совместима с КМОП-процессами и не требует дополнительного оборудования, кроме установки сращивания пластин.

Метод применим в основном для тех изделий, при эксплуатации которых не требуется вакуум. Примерами таких изделий являются вертикально интегрированные микросхемы по технологии 2,5D и 3D, МЭМС, изделия микрофлюидики. В отличие от подавляющего большинства других методов сварка через полимеры не требует нагрева пластин до высоких температур. Также преимуществом являются низкие механические напряжения в пластинах после процесса и малая чувствительность к пылевидным дефектам, что особенно актуально при требовании высокого выхода годных изделий.

Для приложений, где не требуется создание топологии в соединительном слое полимера, для сварки могут быть использованы полимеры на основе полиимидов и BCB. Там, где необходимо создать топологию в соединительном слое, используются фоточувствительные версии тех же материалов. Кроме того, существуют специальные фоточувствительные полимеры, предназначенные для сварки пластин. Фоторезисты также могут быть использованы для сварки пластин во многих применениях.

ООО «Остек-Интегра» сотрудничает с производителями полимеров для самых передовых технологических процессов. Специалисты компании готовы оказать технологическую поддержку при выборе наилучшего материала для сварки пластин через полимеры и помочь с применением нового материала, сотрудничая с его производителем.


1 Статья «Анодная и непосредственная сварка пластин для микроэлектроники. Выбор материалов и ключевые параметры», «Вектор высоких технологий» № 5 (18) 2015.

2 Статья «Обеспечение вакуума при корпусировании на уровне пластины. Сварка стеклокерамическим припоем», «Вектор высоких технологий» № 4 (25) 2016.

3 Studies of bonding with patternable polymers

4 Cyclotene 4000 series processing guide

5 Adhesive wafer bonding