Kuinka lämmitettyjä tyhjiöistukkaita käytetään kiekkojen liimauksessa 3D-IC-integrointiin?

Haaste useiden ohuempien piikiekkojen pinoamisessa yhdeksi tehokkaaksi 3D-integroiduksi piiriksi piilee teknisessä tarkkuudessa. Kiinnitystä varten lämmitetty keraaminen istukka pitää pohjakiekon täysin tasaisena ja tasaisen kuumana. Toinen kiekko asetetaan ja työnnetään päälle nanometrin tarkkuudella. Istukka on koko toiminnan lämpö- ja mekaaninen perusta. Ilman sitä suora fuusio tai hybridisidos – 3D IC-integraation kriittiset mahdollistajat – ei olisi kannattavaa tuotantomittakaavassa. Tarkasteltaessa kuumatyhjiöistukkakiekkojen 3D IC -sovellusta voimme nähdä, kuinka tarkkuustyöstö ja hienostuneet materiaalit yhdistyvät mahdollistamaan seuraavan sukupolven puolijohdepakkaukset.

Kuumennetun alipaineistukan rooli kiekkojen liimauksessa
3D IC -integrointi sisältää useiden ohennettujen piikiekkojen liittämisen (tai muotti-kiekkojen pinoihin) yhdeksi laitteeksi, jossa on pystysuorat liitännät. Pääasiassa käytetään kahta sidosmenetelmää:

Suora fuusioliitos: Kaksi puhdasta, litteää piikiekkoa liimataan yhteen korotetussa lämpötilassa (yleensä 200–400 astetta) ilman väliliimaa. Van der Waalsin voimat aloittavat sidoksen, jota seuraa hehkutus kovalenttisten Si-Si- tai SiO2-SiO2-linkkien muodostamiseksi.

Hybridiliitos: Versio, jossa käytetään sekä dielektristä---dielektristä (SiO 2 ) että metalli---metalli (usein kupari) sidosta yhdessä vaiheessa sekä mekaanisen kiinnityksen että sähköisten keskinäisten liitäntöjen aikaansaamiseksi samanaikaisesti. Tämä edellyttää vielä parempaa lämpötilan homogeenisuutta ja tasaisuutta.

Molemmissa olosuhteissa pohjakiekko asetetaan kuumennetun tyhjiöistukan päälle. Istukan on tarjottava:

Erittäin tasainen (globaali vääntyminen < 1–2 µm 300 mm:n kiekon poikki)

Tasainen lämmitys (lämpötilan vaihtelu < ±0,5 ºC koko alueella)

Luotettava tyhjiön pito, nollahiukkasia luotu

Puhdas, korkean tyhjiön yhteensopiva

Materiaalit: alumiininitridi, piikarbidiistukka
Normaalisti istukan runko on valmistettu{0}}tehokkaasta teknisestä keramiikasta. Kenttä hallitsee kaksi materiaalia:

Alumiininitridi (AlN) – Sitä suositellaan usein, koska sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on hyvin lähellä piin lämpölaajenemiskerrointa (AlN: ~4,5 x 10-6/aste, Si: ~2,6 x 10-6/aste). Tiivis CTE-sovitus vähentää lämpörasitusta lämmitys- ja jäähdytysjaksojen aikana, mikä vähentää kiekkojen vääntymistä ja estää sidosrajapinnan vaurioitumisen. AlN:llä on myös korkea lämmönjohtavuus 140-180 W/m·K, mikä mahdollistaa nopean ja tasaisen lämmön siirtymisen istutetuista lämmittimistä kiekkoon.

Piikarbidi (SiC) - Vielä korkeampiin lämpötiloihin (jopa 500–600 astetta) tai kun vaaditaan suurta jäykkyyttä. SiC:llä on jonkin verran korkeampi lämmönjohtavuus (200–250 W/m·K), mutta pienempi CTE (noin 4,0 × 10–6 / astetta), joka kuitenkin vastaa piin kanssa kohtuullisesti. SiC on sitkeämpää ja kulutusta kestävämpää kuin AlN, mutta sitä on myös vaikeampi käsitellä ja se on kalliimpaa.

Molemmat materiaalit ovat myös hyviä sähköeristimiä, jotka eliminoivat vuotovirran, joka voi vahingoittaa kiekon herkkiä piirejä tai häiritä kohdistusantureita.

Sisäiseen lämmitysjärjestelmään upotettu vastuskuvio
Sisäiset kuviolliset vastuslämmittimet sisältyvät suoraan keraamiseen istukkaan tasaisen lämmityksen takaamiseksi. Valmistuksen aikana ohut kalvo tai paksukalvojäännös korkean lämpötilan metallista (usein molybdeenistä (Mo) tai platinasta (Pt)) painetaan tai sputteroidaan keraamisen alustan kerrokselle. Toinen keraaminen kerros kiinnitetään tai yhteispoltetaan lämmittimen peittävän jäljen päälle.

Lämmitinkuvio on rakennettu huolellisesti (tyypillisesti monivyöhykespiraali tai samankeskiset renkaat) lämpöhäviöiden kompensoimiseksi istukan reunassa ja keskellä. Jokainen vyöhyke on ohjattavissa itsenäisesti, joten voit hienosäätää-lämpötilaprofiilia. Tuloksena oleva lämpötilan homogeenisuus halkaisijaltaan 300 mm:n halkaisijalla säilyy usein ±0,5 asteessa tai parempana, mikä on kriittistä hybridisidokselle, jossa kuparityynyjen on kohdistettava kymmenien nanometrien sisällä lämpölaajenemisen jälkeen.

400 asteeseen kuumennettavat istukat on varustettu platinalämmittimillä. Platina kestää hapettumista ja kestää jatkuvasti korkeita lämpötiloja. Molybdeeni soveltuu erinomaisesti tyhjiö- tai inertin ympäristön työhön noin 350 asteeseen asti.

Tyhjiöurat: tarkka pito-alas
Matalien urien verkostoa käytetään tyhjiössä pitämään kiekko litteänä istukan pintaa vasten. Yleensä nämä urat leikataan laserilla keraamiseen pintaan vain muutaman mikrometrin syvyyteen (esim. 5–15 µm) ja 200–500 µm leveään. Laserkoneistuksen avulla saadaan tarkat ja purseet{8}}reunat, mikä on keskeistä hiukkasten tuotannon välttämiseksi.

Urien järjestely on räätälöity saavuttamaan tasainen imu koko kiekon takapuolelle, kun taas suurin osa pinnasta pysyy suorassa kosketuksessa istukan kanssa lämmön siirtämiseksi tehokkaasti. Yleisiä malleja ovat:

Säteittäiset kanavat johtavat keskustyhjiöportista

Samankeskiset renkaat, jotka on yhdistetty säteittäisillä pinnoilla

Ristikko- tai kennomatriisit erittäin ohuille tai voimakkaasti muotoutuneille kiekoille

Tyhjiötasoja tarkkaillaan tarkasti - liian vähän imua ja kiekko voi nousta tai taipua; liikaa ja kiekko voi vääntyä paikallisesti tai imuurat voivat jättää jälkiä kiekon takapuolelle (vika, jota kutsutaan "tyhjiöistukkajäljeksi").

Korkeat tyhjiö- ja puhtausvaatimukset
Koko istukkakokoonpano sijaitsee korkea-tyhjiöliitoskammiossa, joka on ultra-puhdas. Kiinnityspintojen hapettumisen välttämiseksi ja kiinnittyneiden kaasutaskujen poistamiseksi sidosrajapinnalta käytetään yleensä 10-10-10-10 mbar:n paineita.

Ei mitään hiukkasten luomista. Mikä tahansa yli muutaman nanometrin kokoinen hiukkanen istukan pinnalla tai käsittelyn aikana lisätty muodostaa aukon sidoskoskettimeen. Tällaiset tyhjöt johtavat mekaaniseen heikkouteen, sähköisiin avoimiin piireihin (hybridisidoksessa) ja tuottohäviöön. Istukka on siksi valmistettu luokan 1 puhdastila (ISO 3) -ympäristössä, ja kaikki materiaalit on valittu niiden kaasunpoisto- ja kulumiskestävyyden mukaan. Keraamiset istukat puhdistetaan usein megasonic- tai CO2-lumisuihkumenetelmillä.

Tarkkuushuomautus: Pintakontaminaation merkitys
Istukan pinnassa ei saa olla yli muutaman nanometrin suurempia hiukkasia, jotka muodostaisivat aukon sidoskoskettimeen. Jopa yksittäinen 50 nm:n hiukkanen voi paikallisesti nostaa kaksi kiekkoa erilleen ja estää sitoutumisen satojen mikrometrien leveällä alueella. Tällainen vika, jota kutsutaan "sidoksen tyhjöksi", voidaan havaita pyyhkäisyakustisella mikroskopialla, ja se tekee suuttimesta tai liitoksesta arvottoman. Kuumennetut tyhjiöistukat tarkistetaan rutiininomaisesti automaattisilla optisilla hiukkaslaskureilla, ja tästä syystä niitä käsitellään vain erittäin puhtaissa olosuhteissa.

Integrointi kohdistus- ja liimaustyökaluihin
Kuumennettu tyhjiöistukka on integroitu kiekkojen liitostyökaluun, joka sisältää tyypillisesti:

Yläistukka (joskus passiivinen tai myös lämmitetty) ylemmän kiekon pitämiseksi

Tasapainotus pietsotoimilaitteilla kiekkojen-to-kohdistukseen alle 50 nm:ssä.

Painemekanismi sidosvoiman kohdistamiseksi (yleensä 10–100 kN 300 mm:n kiekolle)

Optiset tai infrapunakamerat läpivientikiekkojen kohdistusmerkkien havaitsemiseen

Pohjakiekko asetetaan kuumennetun istukan päälle, aikaansaadaan tyhjiö ja istukka kuumennetaan tavoitelämpötilaan (esim. 300 asteeseen hybridisidoksessa) liimauksen aikana. Ylempi kiekko on kohdistettu ja saatettu kosketukseen. Kiinnitys etenee aallona keskustasta ulospäin. Istukka jäähdytetään sitten säännellyissä olosuhteissa jäännösjännityksen vähentämiseksi liimauksen jälkeen.

Johtopäätökset: 3D-integraation lämpö- ja mekaaninen perusta
Lämmitetty tyhjiöistukka on lämpö-, mekaniikka- ja materiaalitekniikan voitto, jonka avulla sirut voidaan pinota pystysuunnassa tehokkaimpien tekoäly- ja -suorituskykyisten tietojenkäsittelyjärjestelmien käyttämiseksi. Se tarjoaa korkean tasaisuuden, tasaisen lämmityksen 400 asteeseen ja puhtaan-hiukkasvapaan pinnan, mikä muuttaa yksittäiset piikiekot yhdeksi monikäyttöiseksi 3D-laitteeksi. Yhden keraamisen levyn tasaisuus nanometreinä mitattuna 300 mm:n alueella voi lopulta määrittää supertietokoneen suorituskyvyn. Kun 3D IC -integraatio ulottuu yhä useammille kerroksille ja tarkemmille liitosjakoille, lämmitetty tyhjiöistukka pysyy tärkeänä työkaluna, joka mahdollistaa piin kolmannen ulottuvuuden äänettömästi.