Активируемое плазмой соединение
Плазмоактивируемое склеивание – это производное, направленное на более низкие температуры обработки для прямого склеивания с гидрофильными поверхностями. Основными требованиями снижения температур прямого склеивания являются использование материалов, плавящихся при низких температурах и с разными коэффициентами термического расширения (КТР) . [1]
поверхности Активация при температуре ниже 400 °C достигается достаточно высокая энергия связи перед склеиванием имеет типичное преимущество: не требуется промежуточный слой, а после отжига .
Обзор
[ редактировать ]Снижение температуры основано на увеличении прочности соединения за счет плазменной активации на чистых поверхностях пластин . Кроме того, увеличение вызвано увеличением количества групп Si-OH, удалением загрязнений с поверхности пластины, усилением вязкого течения поверхностного слоя и увеличением диффузии воды и газа, захваченных на границе раздела. [2] В зависимости от давления окружающей среды два основных поля активации поверхности с использованием плазменной обработки для предварительной обработки пластин с целью снижения температуры во время отжига. устанавливаются [3] Чтобы установить максимальную поверхностную энергию при низких температурах (< 100 °C), необходимо оптимизировать многочисленные параметры плазменной активации и отжига в соответствии с материалом связующего. [4] Плазменно-активируемое соединение основано на технологическом давлении, которое делится на:
- Активируемое плазмой соединение атмосферного давления (AP-PAB)
- Склеивание, активируемое плазмой низкого давления (LP-PAB)
- RIE (реактивное ионное травление)
- ICP RIE ( с индуктивно-связанной плазмой реактивное ионное травление )
- Последовательная плазма (СПАБ)
- Удаленная плазма
Активируемое плазмой соединение атмосферного давления (AP-PAB)
[ редактировать ]Этот метод заключается в воспламенении плазмы без использования среды низкого давления, поэтому не вакуума . требуется дорогостоящего оборудования для создания [1]
Активируемое плазмой атмосферного давления соединение дает возможность воспламенить плазму в определенных локальных областях или на всей поверхности подложки. Между двумя электродами плазменный газ воспламеняется переменным напряжением. [3]
Пары пластин проходят следующую последовательность операций:
- Очистка RCA
- Активация поверхности при атмосферном давлении
- Продолжительность лечения ~ 40 с
- Технологические газы, используемые для производства кремния
- Синтетический воздух (80 об.% N 2 + 20 об.% O 2 )
- Кислород (О 2 )
- Технологические газы, используемые для стекла или LiTaO 3
- Ar/H 2 (90 об. % Ar + 10 об. % H 2 )
- Влажный кислород (O 2 dH 2 O)
- Промывка в деионизированной воде
- Продолжительность процедуры 10 минут.
- Снижение концентрации частиц
- Предварительное склеивание при комнатной температуре
- Отжиг (комнатная температура до 400°С)
Оптимальная газовая смесь для плазменной обработки зависит от температуры отжига. Кроме того, обработка плазмой подходит для предотвращения дефектов соединения во время процедуры отжига. [5]
При использовании стекла из-за высокой шероховатости поверхности химико-механической выравнивания (ХМП) после промывки необходим этап для улучшения качества склеивания. Прочность соединения характеризуется вязкостью разрушения, определяемой с помощью микрошевронных испытаний . Активированные плазмой вафельные соединения позволяют достичь вязкости разрушения, сравнимой с вязкостью сыпучего материала . [3]
Диэлектрический барьерный разряд (ДБД)
[ редактировать ]
Использование диэлектрического барьерного разряда позволяет получить стабильную плазму при атмосферном давлении . Во избежание искр диэлектрик на одном или обоих необходимо закрепить электродах . Форма электрода аналогична геометрии подложки, используемой для покрытия всей поверхности. Принцип АП-активации с одним диэлектрическим барьером показан на рисунке «Схема диэлектрического барьерного разряда». [1]
Оборудование для активации состоит из заземленного патрона, действующего в качестве держателя пластины, и стеклянного электрода с покрытием из оксида индия и олова (ITO) . Далее стеклянная подложка используется в качестве диэлектрического барьера, а разряд питается от генератора коронного разряда. [2]
Склеивание, активируемое плазмой низкого давления (LP-PAB)
[ редактировать ]Сварка, активируемая плазмой низкого давления, работает в условиях высокого вакуума (0,1–100 Па) с непрерывным потоком газа. Эта процедура требует:
- Вакуум
- Технологические газы
- Высокочастотное (ВЧ) электрическое поле между двумя электродами
Поверхность, подвергающаяся воздействию плазмы, активируется ионной бомбардировкой и химическими реакциями через радикалы . Электроны атмосферы движутся к ВЧ - электроду при его положительном напряжении . Наиболее устоявшаяся частота ВЧ-электрода составляет 13,56 МГц.
Далее электроны не способны покинуть электрод в пределах положительной полуволны приложенного напряжения, поэтому отрицательный электрод заряжается до 1000 В ( напряжение смещения ). [2] Зазор между электродом и патроном заполнен плазменным газом. Движущиеся электроны атмосферы сталкиваются с атомами плазменного газа и отбивают электроны. [6] Благодаря своей положительной ориентации массивные ионы , не способные следовать за ВЧ-полем, движутся к отрицательно заряженному электроду, на котором расположена пластина. В этой среде активация поверхности основана на поражающих ионах и радикалах, взаимодействующих с поверхностью пластины (сравните с рисунком «Схема плазменного реактора для сварки, активированной плазмой низкого давления»). [2]
Активация поверхности плазмой низкого давления осуществляется в следующие этапы: [7]
- Очистка RCA
- Активация поверхности при низком давлении
- Продолжительность лечения ~ 30–60 с.
- Технологические газы (N 2 , O 2 )
- Промывка в деионизированной воде
- Продолжительность процедуры 10 мин.
- Снижение концентрации частиц
- Предварительное склеивание при комнатной температуре
- Отжиг (комнатная температура до 400°С)
Реактивное ионное травление (РИЭ)
[ редактировать ]
Режим RIE используется в процессах сухого травления, а за счет снижения параметров, т.е. мощности ВЧ, этот метод можно использовать для активации поверхности.
Электрод, прикрепленный к ВЧ-генератору, используется в качестве носителя пластины. После этого поверхности пластин заряжаются отрицательно, вызванным электронами, и притягивают положительные ионы плазмы. Плазма воспламеняется в РИЭ-реакторе (показана на рисунке «Схема плазменного реактора для плазменно-активируемой сварки низкого давления»).
Максимальная прочность связи достигается при использовании азота и кислорода в качестве технологических газов и является достаточно высокой при однородном диспергировании пластин после отжига при 250 °C. Энергия связи характеризуется > 200 % неактивированной эталонной пластины, отожженной при той же температуре. Пара пластин с поверхностно-активированной поверхностью имеет на 15 % меньшую энергию связи по сравнению с парой пластин, скрепленных при высокой температуре. Отжиг при 350 °C приводит к прочности соединения, аналогичной высокотемпературному соединению. [7]
Удаленная плазма
[ редактировать ]
Процедура удаленной плазмы основана на создании плазмы в отдельной боковой камере. Входящие газы поступают в удаленный источник плазмы и транспортируются в основную технологическую камеру для реакции. Схема системы представлена на рисунке «Выносная плазменная система».
В удаленной плазме используются химические компоненты, в которых с поверхностью реагируют в основном нейтральные радикалы. Преимуществом этого процесса является меньшее повреждение поверхности за счет отсутствия ионной бомбардировки. Кроме того, время воздействия плазмы может быть увеличено, чем, например, при использовании метода RIE. [8]
Последовательная плазма (СПАБ)
[ редактировать ]Пластины активируются короткой плазмой РИЭ с последующей радикальной обработкой в одной камере реактора. дополнительный микроволновый Для генерации радикалов используются источник и металлическая пластина, улавливающая ионы. Воздействие плазмы на поверхность меняется от химической/физической обработки к химической плазменной обработке. Это основано на реакциях между радикалами и атомами на поверхности.
Технические характеристики
[ редактировать ]| Материалы |
|
| Температура |
|
| Преимущества |
|
| Недостатки |
|
| Исследования |
|
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Д. Вюнш, М. Вимер, М. Габриэль и Т. Гесснер (2010). «Низкотемпературная сварка пластин микросистем с использованием диэлектрического барьерного разряда». Новости МСТ . Том. 1/10. стр. 24–25.
- ^ Jump up to: а б с д М. Вимер, Й. Бройер, Д. Вюнш и Т. Гесснер (2010). «Реактивное соединение и низкотемпературное соединение гетерогенных материалов» . ECS-транзакции . Том. 33, нет. 4. С. 307–318.
- ^ Jump up to: а б с М. Вимер, Д. Вюнш, Й. Бройер, М. Эйхлер, П. Хеннеке и Т. Гесснер (2009). «Низкотемпературное соединение гетероматериалов с использованием плазменной активации под давлением окружающей среды». В Р. Кнехтеле (ред.). WaferBond 2009: Конференция по склеиванию пластин для микросистем, 3D-интеграция и интеграция на уровне пластин, Гренобль (Франция) . стр. 73–74.
- ^ М. Эйхлер, Б. Мишель, П. Хеннеке и К.-П. Клагес (2009). «Влияние на конденсацию силанола во время низкотемпературной сварки кремния» . Журнал Электрохимического общества . Том. 156, нет. 10. стр. H786–H793.
- ^ М. Эйхлер, Б. Мишель, М. Томас, М. Габриэль и К.-П. Клагес (2008). «Предварительная обработка плазмой атмосферного давления для прямой сварки кремниевых пластин при низких температурах» . Технология поверхностей и покрытий . Том. 203, нет. 5–7. стр. 826–829.
- ^ Г. Герлах и В. Дётцель (март 2008 г.). Рональд Петинг (ред.). Введение в микросистемные технологии: Руководство для студентов (микросистемы Wiley и нанотехнологии) . Издательство Уайли. ISBN 978-0-470-05861-9 .
- ^ Jump up to: а б с Д. Вюнш, Б. Мюллер, М. Вимер, Т. Гесснер и Х. Мишке (2010). «Активация плазмой низкого давления для производства кремниевых композитов в низкотемпературном диапазоне и их характеристика с помощью микрошевронного теста». Технологии и материалы в микросистемах и нанотехнологиях (кафедра ГММ том 65) . стр. 66–71. ISBN 978-3-8007-3253-1 .
- ^ Jump up to: а б Р.Э. Белфорд и С. Суд (2009). «Активация поверхности с использованием удаленной плазмы для соединения кремниевых и кварцевых пластин». Микросистемные технологии . Том. 15. С. 407–412. дои : 10.1007/s00542-008-0710-4 .