Эвтектическое соединение
 | этой статьи Начальный раздел может оказаться слишком длинным . ( апрель 2024 г. ) |
Эвтектическое соединение , также называемое эвтектической пайкой, описывает метод соединения пластин с промежуточным металлическим слоем, который может создать эвтектическую систему . Эти эвтектические металлы представляют собой сплавы, которые переходят непосредственно из твердого состояния в жидкое или наоборот из жидкого в твердое состояние при определенном составе и температуре без прохождения двухфазного равновесия, т. е. жидкого и твердого состояния. Тот факт, что температура эвтектики может быть намного ниже температуры плавления двух или более чистых элементов, может иметь важное значение для эвтектического соединения. [ нужна ссылка ]
Эвтектические сплавы наносятся путем распыления, испарения с двумя источниками или гальваники. Они также могут образовываться в результате реакций диффузии чистых материалов и последующего плавления эвтектического состава. [2]
Эвтектическая связь для переноса эпитаксиальных материалов, таких как GaAs-AlGaAs, на кремниевые подложки с высоким выходом для общих целей интеграции оптоэлектроники с кремниевой электроникой, а также для преодоления фундаментальных проблем, таких как несоответствие решеток в гетероэпитаксии, была разработана и опубликована Венкатасубраманианом и др. ал. в 1992 году, а характеристики материалов GaAs-AlGaAs с эвтектической связкой для солнечных элементов были дополнительно подтверждены и о них сообщалось той же группой в 1994 году. [3] [4]
Эвтектическая сварка позволяет производить герметичные упаковки и электрические соединения в рамках одного процесса (сравните ультразвуковые изображения). [ нужны дальнейшие объяснения ] . Эта процедура проводится при низких температурах, что приводит к низкому результирующему напряжению, возникающему при окончательной сборке, высокой прочности соединения, большому выходу продукции и хорошей надежности. Эти атрибуты зависят от коэффициента теплового расширения между подложками. [1]
Наиболее важными параметрами эвтектического соединения являются:
- температура склеивания
- продолжительность связи
- давление инструмента [ нужна ссылка ]
Обзор [ править ]
Эвтектическая связь основана на способности кремния (Si) сплавляться с многочисленными металлами и образовывать эвтектическую систему. Наиболее устоявшимися эвтектическими образованиями являются Si с золотом (Au) или с алюминием (Al). [5] Эта процедура склеивания чаще всего используется для кремниевых или стеклянных пластин, покрытых пленкой Au/Al и частично клеевым слоем (сравните со следующим изображением).
Пара Si-Au имеет такие преимущества, как исключительно низкая эвтектическая температура, уже широкое применение при соединении штампов и совместимость с алюминиевыми межсоединениями. [6] Кроме того, в таблице показаны часто используемые эвтектические сплавы для соединения пластин при производстве полупроводников. Выбор правильного сплава определяется температурой обработки и совместимостью используемых материалов. [7]
| Эвтектический сплав | Эвтектический состав | Эвтектическая температура |
|---|---|---|
| Ау-Ин | 0,6/99,4% масс. | 156 °С |
| С-Сн | 5/95 мас.% | 231 °С |
| Ау-Сн [8] | 80/20 мас.% | 280 °С |
| Au-Ge | 72/28 мас.% | 361 °С |
| Ау-Си | 97,15/2,85 мас.% | 370 °С |
| Аль-Ге [9] | 49/51 мас.% | 419 °С |
| Аль-Да | 87,5/12,5 мас.% | 580 °С |
Кроме того, склеивание имеет меньше ограничений, касающихся шероховатости и плоскостности подложки, чем прямое склеивание. По сравнению с анодной сваркой не требуется высокого напряжения, которое может нанести ущерб электростатическим МЭМС. Кроме того, процедура эвтектического склеивания способствует лучшей дегазации и герметичности, чем склеивание с органическими промежуточными слоями. [10] По сравнению со склеиванием стеклянных фритт преимущество заключается в том, что возможно уменьшение геометрии уплотнительных колец, повышение уровня герметичности и уменьшение размеров устройства. Геометрия эвтектических уплотнений характеризуется толщиной 1–5 мкм и шириной > 50 мкм. Использование эвтектического сплава дает то преимущество, что обеспечивает электропроводность и сопряжение со слоями перераспределения.
Температура процедуры эвтектического склеивания зависит от используемого материала. Соединение происходит при определенном весовом проценте и температуре, например, 370 °C при 2,85 вес.% Si для промежуточного слоя Au (сравните с фазовой диаграммой). [5]
Процедура эвтектической сварки делится на следующие этапы: [11]
- Обработка подложки
- Кондиционирование перед склеиванием (например, удаление оксидов)
- Процесс склеивания (температура, механическое давление в течение нескольких минут)
- Процесс охлаждения
Процедурные действия [ править ]
Предварительная обработка [ править ]
Подготовка поверхности является наиболее важным шагом для достижения успешного эвтектического склеивания. До подготовки оксид на поверхности кремния действует как диффузионный барьер; эвтектическая металлическая связь должна образовываться на чистом кремнии. [6] [12]
Для удаления существующих слоев естественного оксида можно использовать влажное химическое травление (HF clean), сухое химическое травление или химическое осаждение из паровой фазы (CVD) с различными типами кристаллов. Также в некоторых случаях требуется предварительная обработка поверхности с использованием процессов удаления сухих оксидов, например, H 2 плазма и CF 4 плазма. [1]
Дополнительным методом удаления нежелательных поверхностных пленок, то есть оксидов, является применение ультразвука в процессе крепления. [13] Как только инструмент опущен [ где? ] применяется относительная вибрация между пластиной и подложкой. Обычно в промышленных склеивающих устройствах используется ультразвук с частотой вибрации 60 кГц и амплитудой вибрации 100 мкм. [14] Успешное удаление оксидов приводит к получению прочного, герметичного соединения. [5]
Второй метод обеспечения прилипания эвтектического металла к пластине Si заключается в использовании адгезионного слоя. Этот тонкий промежуточный металлический слой хорошо прилипает к оксиду и эвтектическому металлу. Хорошо подходящими металлами для соединения Au-Si являются титан (Ti) и хром (Cr), что приводит, например, к Si-SiO 2 -Ti-Au или Si-SiO 2 -Cr-Au. Адгезионный слой используется для разрушения оксида путем диффузии кремния в используемый материал. Типичная пластина состоит из кремниевой пластины с оксидом, слоя Ti или Cr толщиной 30–200 нм и слоя Au толщиной> 500 нм. [ нужна ссылка ]
При изготовлении пластины слой никеля (Ni) или платины (Pt) добавляется между золотом и пластиной-подложкой в качестве диффузионного барьера. [10] Диффузионный барьер позволяет избежать взаимодействия между Au и Ti/Cr и требует более высоких температур для образования надежной и однородной связи. Кроме того, очень ограниченная растворимость кремния в титане и хроме может препятствовать развитию эвтектической композиции Au-Si, основанной на диффузии кремния через титан в золото. [ нужны разъяснения ] [6]
Эвтектические материалы и дополнительные адгезионные слои обычно соединяются путем осаждения сплава в один слой с помощью двухкомпонентного гальванического покрытия, испарения с двумя источниками ( физическое осаждение из паровой фазы ) или распыления композитного сплава. [12]
Удаление загрязнений на наиболее устойчивом для кремния слое Au обычно осуществляется промывкой водой и нагревом пластины. [ непонятно ] [1]
Процесс склеивания [ править ]
Контактирование подложек осуществляется непосредственно после предварительной обработки поверхностей, чтобы избежать регенерации оксидов. Процедура связывания металлов (не Au) обычно происходит в пониженной атмосфере с содержанием водорода 4% и потоке инертного газа-носителя, например, азота. Требования к оборудованию для склеивания заключаются в однородности температуры и давления по всей пластине. Это обеспечивает равномерное сжатие линий уплотнения. [2]
Подложка выравнивается и фиксируется на нагретом столике, а кремниевая пластина - на нагретом инструменте. Подложки, вставленные в камеру склеивания, соприкасаются, сохраняя выравнивание. Как только слои вступают в атомный контакт, между ними начинается реакция. Для поддержания реакции прикладывают механическое давление и осуществляют нагрев выше температуры эвтектики. [1]
Коэффициент диффузии и растворимость золота в кремниевой подложке увеличиваются с повышением температуры склеивания. Для процедуры склеивания обычно предпочтительна более высокая температура, чем температура эвтектики. Это может привести к образованию более толстого слоя сплава Au-Si и, кроме того, более прочной эвтектической связи. [15]
Диффузия начинается, как только слои вступают в контакт атомов при повышенных температурах. [1] Контактирующий поверхностный слой, содержащий эвтектические композиты, плавится, образуя жидкофазный сплав, ускоряя дальнейшие процессы смешивания и диффузии до достижения состава насыщения. [16] [17]
Другие распространенные эвтектические связующие сплавы, обычно используемые для соединения пластин, включают Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In и Cu-Sn. [9]
Выбранная температура соединения обычно на несколько градусов выше температуры эвтектики, поэтому расплав становится менее вязким и легко течет из-за более высокой шероховатости на участки поверхности, которые не находятся в атомном контакте. [12] Чтобы предотвратить выдавливание расплава за пределы границы соединения, необходима оптимизация управления параметрами соединения, например, снижение силы воздействия на пластины. В противном случае это может привести к короткому замыканию или неисправности устройства используемых компонентов (электрических и механических). [1] Нагрев пластин приводит к изменению текстуры поверхности за счет образования мелких кремниевых микроструктур поверх поверхности золота. [17]
Процесс охлаждения [ править ]
Смесь материалов затвердевает, когда температура падает ниже эвтектической точки или изменяется соотношение концентраций (для Si-Au: T < 370 °C ). [1] Затвердевание приводит к эпитаксиальному росту кремния и золота поверх кремниевой подложки, в результате чего из поликристаллического золотого сплава выступают многочисленные небольшие островки кремния (сравните с изображением поперечного сечения границы раздела соединения). [6] Это может привести к прочности соединения около 70 МПа.
Важность заключается в соответствующих параметрах процесса, т.е. достаточном контроле температуры склеивания. [17] В противном случае соединение растрескивается из-за напряжения, вызванного несоответствием коэффициента теплового расширения. Этот стресс способен со временем ослабнуть. [6]
Потенциальное использование [ править ]
Из-за высокой прочности соединения эта процедура особенно применима для датчиков давления или жидкостной техники. Могут быть изготовлены микромеханические датчики и приводы с электронными или механическими функциями, охватывающими несколько пластин. [17] [ нужен лучший источник ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Лин, Ю.-К.; Баум М.; Хаубольд, М.; Фромель Дж.; Вимер, М.; Гесснер Т.; Эсаши, М. (2009). «Разработка и оценка эвтектического соединения пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2009. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2009. Международная конференция . стр. 244–247. дои : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Фарренс, С.; Суд, С. (2008). «Упаковка на уровне пластин: баланс требований к устройствам и свойств материалов». ИМАПС . Международное общество микроэлектроники и упаковки. Архивировано из оригинала 25 сентября 2011 г. Проверено 15 мая 2011 г.
- ^ Венкатасубраманиан, Рама (1992). «Высококачественные тонкие пленки AlGaAs-GaAs, связанные эвтектическим металлом, на подложках Si». Прил. Физ. Летт . 60 (7): 886–889. Бибкод : 1992АпФЛ..60..886В . дои : 10.1063/1.106494 .
- ^ Венкатасубраманиан, Рама (1994). «Оптоэлектронные свойства структур GaAs-AlGaAs, связанных с эвтектическим металлом (ЭМБ) на подложках Si». Твердотельная электроника . 37 (11): 1809–1815. Бибкод : 1994SSEle..37.1809V . дои : 10.1016/0038-1101(94)90171-6 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Г. Герлах; В. Дётцель (2008). Рональд Петинг (ред.). Введение в микросистемные технологии: Руководство для студентов (микросистемы Wiley и нанотехнологии) . Издательство Уайли. ISBN 978-0-470-05861-9 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и РФ Вольффенбюттель (1997). «Низкотемпературное промежуточное соединение пластин Au-Si; эвтектическая или силицидная связь». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 62 (1–3): 680–686. дои : 10.1016/S0924-4247(97)01550-1 .
- ^ Фарренс, С. (2008). Новейшие металлические технологии для 3D-интеграции и сварки на уровне пластин MEMS (отчет). СУСС MicroTec Inc.
- ^ Матиясевич, Г.С.; Ли СиСи; Ван, CY (1993). «Фазовая диаграмма сплава Au-Sn и свойства, связанные с его использованием в качестве связующей среды». Тонкие твердые пленки . 223 (2): 276–287. Бибкод : 1993TSF...223..276M . дои : 10.1016/0040-6090(93)90533-У .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Суд, С.; Фарренс С.; Пинкер, Р.; Се Дж.; Катаби, В. (2010). «Эвтектическое соединение пластин Al-Ge и определение характеристик связи для упаковки пластин, совместимой с КМОП». ECS-транзакции . 33 (4): 93–101. Бибкод : 2010ECSTr..33d..93S . дои : 10.1149/1.3483497 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лани, С.; Боссебёф, А.; Бельер, Б.; Клерк, К.; Гуссе, К.; Обер, Дж. (2006). «Золотая металлизация для эвтектического соединения кремниевых пластин». Микросистемные технологии . 12 (10–11): 1021–1025. дои : 10.1007/s00542-006-0228-6 .
- ^ М. Вимер; Дж. Фремель; Т. Гесснер (2003). «Тенденции развития технологий сварки пластин». В В. Дётцеле (ред.). 6-я Хемницкая конференция по микромеханике и микроэлектронике . Том 6. Технологический университет Хемница. стр. 178–188.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Фарренс, С. (2008). «Технологии и стратегии соединения пластин для 3D-микросхем. Глава 4». Ин Тан, CS; Гутманн, Р.Дж.; Рейф, Л.Р. (ред.). Технологический процесс изготовления трехмерных микросхем уровня пластины . Интегральные схемы и системы. Спрингер США. стр. 49–85. дои : 10.1007/978-0-387-76534-1 . ISBN 978-0-387-76532-7 .
- ^ Шнайдер, А.; Ранг Х.; Мюллер-Фидлер, Р.; Виттлер О.; Райхл, Х. (2009). «Оценка стабильности эвтектически связанных сенсорных структур на уровне пластины». В Германне, Г. (ред.). 9-я Хемницкая конференция по микромеханике и микроэлектронике . стр. 51–56.
- ^ Йост, Ф. (1974). «Предел прочности и морфологическое строение эвтектических связей». Журнал электронных материалов . 3 (2): 353–369. Бибкод : 1974JEMat...3..353Y . дои : 10.1007/BF02652947 .
- ^ Ченг, Ю.Т.; Лин Л.; Наджафи, К. (2000). «Локальное плавление кремния и эвтектическое соединение для изготовления и упаковки МЭМС». Журнал микроэлектромеханических систем . 9 (1): 3–8. дои : 10.1109/84.825770 .
- ^ Ким, Дж.; Ченг, Ю.-Т.; Цзяо, М.; Лин, Л. (2007). «Проблемы упаковки и надежности в микро/наносистемах». В Бхушане, Б. (ред.). Справочник Springer по нанотехнологиям . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 1777–1806. Бибкод : 2007шнт.книга.....Б . дои : 10.1007/978-3-540-29857-1 . ISBN 978-3-540-29855-7 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д РФ Вольффенбюттель; К.Д. Мудрый (1994). «Низкотемпературное соединение кремниевых пластин с пластинами с использованием золота при эвтектической температуре» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 43 (1–3): 223–229. дои : 10.1016/0924-4247(93)00653-L . hdl : 2027.42/31608 .