Анодная и непосредственная сварка пластин для микроэлектроники. Выбор материалов и ключевые параметры

Традиционными способами создания различных функциональных слоёв на поверхности полупроводниковых пластин долгое время являлись процессы эпитаксии, парофазного осаждения, напыления, а также химической модификации (например, окисление). Обычно толщина слоёв, созданных таким образом, сверху ограничивается единицами микрон. Однако развитие микроэлектроники и смежных индустрий потребовало найти способы, позволяющие создавать толстые слои (десятки и сотни микрон) материалов с различными свойствами, в т.ч. слоёв с кристаллической структурой на аморфных плёнках. Примерами задач, где требуется использование подобных методов, являются производство структур «полупроводник на диэлектрике» (кремний на сапфире — КНС, кремний на изоляторе — КНИ), а также создание резких p-n переходов для дискретных транзисторов и диодов.

Рис. 1 Пример интеграции МЭМС и микросхемы на уровне пластины [1]

Также появилась необходимость трёхмерной интеграции различных устройств, созданных в рамках совершенно различных и часто несовместимых друг с другом технологических процессов. Примером такой интеграции может являться соединение МЭМС (микроэлектромеханические системы) и схемы электрической обработки сигнала, которая дополнительно служит крышкой, защищающей МЭМС от воздействия внешней среды РИС 1. Весьма интересными являются технологии трёхмерной интеграции памяти и процессора либо нескольких слоёв памяти. При этом наиболее перспективный способ интеграции — соединение на уровне пластин, что позволяет минимизировать длину проводников, переходные ёмкости и сопротивления, а также максимально удешевить и ускорить производство.

Все эти задачи позволяет решить сварка пластин, когда с помощью промежуточного слоя или без него создаётся неразрывное соединение между двумя и более полупроводниковыми пластинами.

Рис. 2 Общая классификация методов сварки пластин в микроэлектронике

За всё время своего развития полупроводниковая индустрия разработала множество способов соединения пластин друг с другом, включая соединение через полимеры, стеклокерамические припои, металлы и сплавы, а также непосредственно без промежуточных материалов РИС 2. В настоящем обзоре будут рассмотрены только те способы, которые не предполагают использование промежуточных слоёв. К таковым относятся непосредственная сварка кремниевых пластин друг с другом, а также анодная сварка пластин кремния и стекла.

Оба метода сварки могут быть использованы для производства МЭМС, для данной индустрии выбор метода определяется требованиями, gредъявляемыми к стоимости и эксплуатационным характеристикам конечных устройств. Непосредственная сварка используется для производства структур КНИ, а также является перспективной для трёхмерной интеграции с очень большой плотностью выводов. Анодная сварка широко используется в тех применениях, где требуется оптическая прозрачность и доступ света к внутренним частям конечного изделия — МОЭМС (микрооптоэлектромеханические системы), оптические приборы, устройства микрофлюидики.

От того, какие способы сварки пластин и материалы будут выбраны для создания конечных приборов, будут зависеть эксплуатационные характеристики, надёжность и стоимость данных устройств.

Процесс заключается в соединении друг с другом пластин кремния и стекла. Широко используется для производства МЭМС (например, акселерометр CMA300 от VTI Technologies) и устройств микрофлюидики (различные медицинские химические анализаторы, лаборатории на кристалле, РИС 3). Её применение в области создания гетероструктур и трёхмерной интеграции ограничено физическими и химическими свойствами используемых стёкол.

Анодная сварка пластин кремния и стекла происходит, когда на пластины, приведённые в контакт и предварительно нагретые, подаётся постоянное электрическое напряжение. Схема процесса показана на РИС 4. Температура процесса обычно поддерживается в диапазоне °С, а электрическое напряжение — Для проведения данной операции существует множество коммерчески доступных машин, в числе которых наиболее привлекательными являются установки фирмы EVG. Иногда для сварки использовалась собственноручно разработанная оснастка, пример в публикации [6].

Рис. 4 Схема процесса анодной сварки пластин стекла и кремния

Механизм сварки основан на химических реакциях, происходящих между поверхностями стекла и кремния при повышенной температуре и воздействии электрического поля. Основная часть этих реакций носит электро-химический характер и вызвана окислением кремния ионами кислорода O2-, отделёнными от ионов щелочных металлов Na+, K+ внешним электрическим полем. Процесс известен с 1969 года, для подробного ознакомления с ним можно обратиться к источникам на русском [7] и английском языках.

Процесс можно проводить как в атмосферных условиях, так и в вакууме либо инертной среде. Характерное время процесса составляет несколько минут и определяется температурой процесса, электрическим напряжением и площадью контакта поверхностей. Каждая пара пластин обрабатывается индивидуально в камере установки для сварки. Температура процесса, главным образом, определяется величиной различия коэффициентов температурного расширения (КТР) стекла и кремния, позволяя минимизировать термомеханические напряжения, вызванные разницей этих величин [3, 8].

Класс устройств, создание которых возможно с использованием анодной сварки, а также эксплуатационные характеристики данных устройств, в первую очередь, определяются физико-химическими свойствами стёкол, используемых в процессе. В меньшей степени процесс зависит от параметров кремниевых пластин.

Шероховатость поверхностей стекла и кремния не должна превышать 2 нм, а вариации толщины (Total Thickness Variation — TTV) должны находиться в пределах 10 мкм [9]. Ширина нерабочей области у обоих типов пластин должна быть как можно меньше. Поскольку стекло является хрупким материалом, крайне важна качественная обработка кромки пластины с отсутствием каких-либо сколов и зубцов.

Для получения неразрывного однородного механического соединения между кремнием и стеклом в составе стекла должно быть Na либо К. Меньшие количества данных элементов приведут к увеличению времени процесса, что отрицательно скажется на производительности. Большие концентрации будут негативно отражаться на физических и химических свойствах стекла.

Рис. 5 Сравнение КТР стекла Borofloat 33 (MEMpax) и кремния при раз- личных температурах [1]

Вторым важнейшим критерием при выборе стекла для анодной сварки является КТР стекла в сравнении с кремнием. Поскольку процесс проводится при относительно высоких температурах, а конечные устройства эксплуатируются в широком диапазоне температур, наличие механических напряжений, вызванных разницей КТР, может плохо сказаться на эксплуатационных характеристиках устройств. При больших различиях КТР могут наблюдаться сбои, связанные с механическим разрушением структур, а также недопустимые деформации особенно чувствительных элементов устройств. По этим причинам КТР используемого стекла должен быть максимально близок к КТР кремния РИС 5.

Химический состав стекла также крайне важен, если требуется формировать в нём какую-либо топологию с помощью травления. Именно сложности, связанные с травлением стекла, препятствуют его широкому использованию в трёхмерной интеграции, поскольку требуется создание сквозных выводов в стекле. В стекле затруднительно формировать плотные сквозные выводы, поскольку скорость травления в плазме мала а жидкостное травление даёт слишком большой уход размеров в планарном направлении [10]. Минимальная ширина сквозного вывода в стекле составляет сотни микрон, и для их формирования часто используют пескоструйную обработку либо лазер [11].

Однако формирование неглубокой топологии (несколько десятков микрон) в стекле всё же возможно. Для плазменного травления стекла в нём должно содержаться минимальное количество стойких инертных оксидов (Al2O3), поскольку они существенно замедляют травление или же значительно снижают селективность по отношению к материалу маски (как правило, металл либо кремний после анодной сварки). То же требование равным образом относится и к жидкостному травлению в растворах на основе HF. При жидкостном травлении также важно, чтобы содержание Ca в стекле было максимально низким, поскольку данный элемент крайне негативно влияет на адгезию маски (как правило, металл с фоторезистом) [10]. Также стеклянные пластины не должны содержать в своём составе посторонних макроскопических включений (пузырьки воздуха), т.к. данные дефекты могут стать центрами разрушения пластины.

Перечисленным критериям удовлетворяет стекло Borofloat 33, которое доступно в виде пластин различного диаметра. Свойства данного материала перечислены в Таблице 1.

Таблица 1. Свойства стеклянных пластин Borofloat 33, рекомендуемых для анодной сварки с кремнием