Прямое соединение
Прямое соединение , или соединение сплавлением , описывает процесс соединения пластин без каких-либо дополнительных промежуточных слоев. Процесс склеивания основан на химических связях между двумя поверхностями любого материала, отвечающего многочисленным требованиям. [1] Эти требования предъявляются к поверхности пластины как достаточно чистой, ровной и гладкой. В противном случае могут возникнуть несвязанные области, так называемые пустоты, т.е. пузырьки на границе раздела. [2]
Процессуальные этапы процесса прямого склеивания пластин любая поверхность делится на
- предварительная обработка пластин,
- предварительное склеивание при комнатной температуре и
- отжиг при повышенных температурах.
Несмотря на то, что методом прямого соединения пластин можно обрабатывать почти все материалы, кремний на сегодняшний день является наиболее распространённым материалом. Поэтому процесс соединения также называют прямым соединением кремния или соединением кремния плавлением. Областями применения прямого соединения кремния являются, например, производство пластин кремния на изоляторе (SOI), датчиков и исполнительных механизмов. [3]
Обзор [ править ]
Прямая связь кремния основана на межмолекулярных взаимодействиях, включая силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и сильные ковалентные связи. [2] Начальная процедура прямого склеивания характеризовалась высокой температурой процесса. Существует потребность в снижении температуры процесса из-за нескольких факторов, одним из которых является, например, растущее количество используемых материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Следовательно, цель состоит в том, чтобы добиться стабильного и герметичного прямого соединения при температуре ниже 450 °C. Поэтому рассматриваются и активно исследуются процессы активации поверхности пластин, то есть плазменная обработка или химико-механическая полировка (ХМП). [4] Верхний предел в 450 °C основан на ограничениях внутренней обработки КМОП и начале взаимодействия между применяемыми материалами. [5]
История [ править ]
Эффект сцепления гладких и полированных твердых поверхностей впервые упоминается Дезагулье (1734). Его открытие было основано на трении между двумя поверхностями твердых тел. Чем лучше поверхности отполированы, тем меньше трение между этими твердыми телами. Это утверждение, которое он описал, действительно только до определенного момента. С этого момента трение начинает возрастать, и поверхности твердых тел начинают слипаться друг с другом. [6] Первые сообщения об успешном прямом соединении кремния были опубликованы в 1986 году, в частности, Дж. Б. Ласки. [7]
Обычное прямое соединение [ править ]
Прямое соединение чаще всего называют соединением с кремнием. Поэтому технологические приемы делятся в соответствии с химическим строением поверхности на гидрофильные (ср. со схемой гидрофильной поверхности кремния) или гидрофобные (ср. со схемой гидрофобной поверхности кремния). [6]
Состояние поверхности кремниевой пластины можно измерить по углу контакта, который образует капля воды. В случае гидрофильной поверхности угол смачивания невелик (< 5°) из-за превосходной смачиваемости, тогда как гидрофобная поверхность имеет угол смачивания более 90°.
Склеивание пластин гидрофильного кремния [ править ]
Предварительная обработка пластин [ править ]
Прежде чем склеивать две пластины, эти два твердых вещества должны быть очищены от примесей, которые могут быть связаны с частицами, органическими и/или ионными загрязнениями. Чтобы добиться чистоты без ухудшения качества поверхности, пластина проходит сухую очистку, например, плазменную обработку или очистку УФ/озоном, или процедуру влажной химической очистки. [2] Утилизация химических растворов сочетает в себе последовательные этапы. Установленной промышленной стандартной процедурой является очистка SC (Standard Clean) с помощью RCA. Он состоит из двух решений
- SC1 (NH 4 OH (29%) + H 2 O 2 (30%) + деионизированная H 2 O [1:1:5]) и
- SC2 (HCl (37%) + H 2 O 2 (30%) + деионизированная H 2 O [1:1:6]).
SC1 используется для удаления органических загрязнений и частиц при температуре от 70 °C до 80 °C в течение 5–10 минут, а SC2 используется для удаления ионов металлов при температуре 80 °C в течение 10 минут. [9] Впоследствии пластины ополаскивают или хранят в деионизированной воде. Реальную процедуру необходимо адаптировать к каждому приложению и устройству из-за обычно существующих межсоединений и систем металлизации на пластине. [10]
Предварительное склеивание при комнатной температуре [ править ]
Прежде чем прикасаться к пластинам, их необходимо выровнять. [1] Если поверхности достаточно гладкие, пластины начинают склеиваться, как только они вступают в атомный контакт, как показано на инфракрасной фотографии волны связи.
Пластины покрыты молекулами воды, поэтому связь происходит между хемосорбированными молекулами воды на противоположных поверхностях пластины. В результате значительная часть групп Si-OH (силанола) начинает полимеризоваться при комнатной температуре с образованием Si-O-Si и воды, и обеспечивается достаточная прочность связи для работы со стопкой пластин. Образовавшиеся молекулы воды будут мигрировать или диффундировать вдоль границы раздела во время отжига. [8]
![{\displaystyle {\what {{Si-OH}+ OH-Si ->[{\what {полимеризация}}] {Si-O-Si}+ H2O}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5dc1b2b61fffe0c6cfbd8ff4c209326a07cf04f1)
![{\displaystyle {\ce {{Si-OH}+OH-Si->[{\ce {медленный~перелом}}]{Si-O-Si}+H2O}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/610a752c1b9ac8863ec4f421da9daf5650253cc3)
После предварительного скрепления на воздухе, в специальной газовой атмосфере или вакууме пластины должны пройти процесс отжига для повышения прочности скрепления. Таким образом, отжиг обеспечивает определенное количество тепловой энергии, которая заставляет большее количество силанольных групп вступать в реакцию друг с другом и образовывать новые, высокостабильные химические связи. Вид образующейся связи напрямую зависит от количества переданной энергии или приложенной температуры соответственно. В результате прочность связи возрастает с увеличением температуры отжига. [2]
Отжиг при повышенных температурах [ править ]
При температуре от комнатной температуры до 110 °C энергия интерфейса остается низкой, молекулы воды диффундируют на границе раздела, что приводит к перегруппировке, вызывающей увеличение количества водородных связей. При температуре от 110°С до 150°С силанольные группы полимеризуются с образованием силоксана и воды, но также происходит медленное разрушение. Эта реакция соответствует термодинамическому равновесию, и более высокая плотность силанольных групп приводит к большему количеству силоксана и увеличению прочности связи.
Никаких дальнейших процессов на границе раздела температур между 150 °С и 800 °С не наблюдается до тех пор, пока все ОН-группы не полимеризуются и прочность композита не остается постоянной.
При температуре выше 800 °С собственный оксид становится вязким и начинает течь на границе раздела, что увеличивает площадь контактирующих поверхностей. Таким образом, диффузия захваченных молекул водорода вдоль границы раздела усиливается, а интерфейсные пустоты могут уменьшиться в размерах или вообще исчезнуть. Процесс отжига завершается охлаждением стопки пластин. [8]
Энергия интерфейса возрастает более чем до 2 J ⁄ m 2 при 800 °С со слоем собственного оксида или при 1000 °С, если пластины покрыты термическим оксидом (сравните диаграмму поверхностной энергии). Если одна пластина содержит слой термического оксида, а другая покрыта собственным оксидом, развитие поверхностной энергии аналогично паре пластин, покрытых слоем собственного оксида. [2]
гидрофобных Склеивание кремниевых пластин
Предварительная обработка пластин [ править ]
Гидрофобная поверхность образуется, если слой естественного оксида удаляется плазменной обработкой или травильными растворами, содержащими фторид, например фторид водорода (HF) или фторид аммония (NH 4 F). Этот процесс усиливает образование связей Si-F открытых атомов кремния. Для гидрофобного связывания важно избегать повторной гидрофилизации, например, путем промывания и сушки центрифугированием, поскольку связи Si-F, контактирующие с водой, приводят к образованию Si-OH. [1]
Предварительное склеивание при комнатной температуре [ править ]
Перед склеиванием поверхность покрывается атомами водорода и фтора. Связь при комнатной температуре в основном основана на силах Ван-дер-Ваальса между атомами водорода и фтора. По сравнению со связью с гидрофильными поверхностями, энергия интерфейса ниже непосредственно после контакта. Этот факт приводит к необходимости более высокого качества и чистоты поверхности для предотвращения несклеенных участков и, таким образом, для достижения полного контакта поверхности между пластинами (сравните инфракрасную фотографию волны соединения). [1] Подобно склеиванию гидрофильных поверхностей, за предварительным склеиванием следует процесс отжига.
Отжиг при повышенных температурах [ править ]
От комнатной температуры до 150 °C не происходит важных реакций на границе раздела, а поверхностная энергия стабильна. Между 150 и 300 °C образуется больше связей Si-FH-Si. При температуре выше 300 °C десорбция водорода и фторида с поверхности пластины приводит к образованию избыточных атомов водорода, которые диффундируют в кристаллическую решетку кремния или вдоль границы раздела. В результате между противоположными поверхностями начинают устанавливаться ковалентные связи Si-Si. При 700 °С переход к связям Si-Si завершается. [11] Энергия связи достигает силы сцепления объемного кремния (сравните диаграмму поверхностной энергии). [2]
Низкотемпературное прямое соединение [ править ]
Несмотря на то, что прямое соединение является очень гибким при обработке множества материалов, несоответствие КТР (коэффициента теплового расширения) при использовании разных материалов является существенным ограничением для соединения на уровне пластины, особенно высокие температуры отжига при прямом соединении. [8]
Основное внимание в исследованиях уделяется гидрофильным кремниевым поверхностям. Увеличение энергии связи основано на превращении силанольных (Si-OH) в силоксановые группы (Si-O-Si). Диффузия воды упоминается как ограничивающий фактор, поскольку вода должна быть удалена с поверхности раздела, прежде чем будет установлен тесный контакт поверхностей. Трудность состоит в том, что молекулы воды могут реагировать с уже образовавшимися силоксановыми группами (Si-O-Si), поэтому общая энергия адгезии снижается. [2]
Более низкие температуры важны для склеивания предварительно обработанных пластин или составных материалов, чтобы избежать нежелательных изменений или разложения. Снижения требуемой температуры отжига можно достичь с помощью различных предварительных обработок, таких как:
- активируемое плазмой соединение
- поверхностно-активированное соединение
- сверхвысокий вакуум (СВВ)
- активация поверхности химико-механической полировкой (ХМП)
- обработка поверхности для достижения химической активации в:
- гидролизованные тетраалкоксисиланы Si(OR) 4
- гидролизованный тетраметоксисилан Si(OCH 3 ) 4
- нитридная кислота HNO 3
Кроме того, исследования показали, что более низкая температура отжига гидрофобных поверхностей возможна при предварительной обработке пластин на основе:
- Как + имплантация
- B 2 H 6 или Ar Плазменная обработка
- Напыление Si
Примеры [ править ]
Этот метод можно использовать для изготовления многопластинных микроструктур, например, акселерометров, микроклапанов и микронасосов.
Технические характеристики [ править ]
| Материалы |
|
|---|---|
| Температура |
|
| Преимущества |
|
| Недостатки |
|
| Исследовать |
|
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Дж. Багдан (2000). Прочность и срок службы непосредственно склеенных кремниевых пластин при механическом воздействии (Диссертация). Университет Мартина Лютера Галле-Виттенберг.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час А. Плессль и Г. Кройтер (1999). «Прямое соединение пластин: адаптация адгезии между хрупкими материалами». Материаловедение и инженерия . 25 (1–2): 1–88. дои : 10.1016/S0927-796X(98)00017-5 .
- ^ М. Вимер, Дж. Фремель и 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.
- ^ Д. Вюнш, М. Вимер, М. Габриэль и Т. Гесснер (2010). «Низкотемпературное соединение пластин микросистем с использованием диэлектрического барьерного разряда». Новости МСТ . Том. 1/10. стр. 24–25.
- ^ П.Р. Бандару, С. Сахни, Э. Яблонович, Ж. Лю и Х.-Ю. Ким и Ю.-Х. Се (2004). «Изготовление и определение характеристик фотодетекторов p-Ge/n-Si, выращенных при низкой температуре (< 450 ° C), для фотоники на основе кремния». Материаловедение и инженерия . 113 (1): 79–84. дои : 10.1016/j.mseb.2004.07.007 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б С. Мак (1997). Сравнительное исследование физико-химических процессов на границе раздела прямо- и анодно-связанных твердых тел (дипломная работа). Йена, Германия: VDI Verlag / Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7 .
- ^ Дж. Б. Ласки (1986). «Склеивание пластин для технологий кремний на изоляторе». Письма по прикладной физике . 48 (1): 78–80. Бибкод : 1986АпФЛ..48...78Л . дои : 10.1063/1.96768 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д В.-Ю. Тонг и У. Гёзеле (1998). Электрохимическое общество (ред.). Соединение полупроводниковых пластин: наука и технологии (1-е изд.). Уайли-Интерсайенс. ISBN 978-0-471-57481-1 .
- ^ Г. Герлах и 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 .
- ^ РФ Вольффенбюттель и К.Д. Уайз (1994). «Низкотемпературное соединение кремниевых пластин с использованием золота при эвтектической температуре». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 43 (1–3): 223–229. дои : 10.1016/0924-4247(93)00653-л . hdl : 2027.42/31608 .
- ^ В.-Ю. Тонг и Э. Шмидт, У. Гёзеле и М. Райхе (1994). «Гидрофобное соединение кремниевых пластин». Письма по прикладной физике . 64 (5): 625–627. Бибкод : 1994АпФЛ..64..625Т . дои : 10.1063/1.111070 .