Як вакуумні патрони з підігрівом використовуються для склеювання пластин для інтеграції 3D IC?

Складність укладання численних шарів тонших кремнієвих пластин в єдину потужну 3D-інтегральну схему полягає в інженерній точності. Для з’єднання нагрітий керамічний патрон підтримує нижню пластину абсолютно плоскою та рівномірно гарячою. Другу пластину встановлюють і штовхають зверху з нанометровою точністю. Патрон є термічною та механічною основою всієї операції. Без нього пряме злиття або гібридне з’єднання – найважливіші фактори інтеграції 3D IC – не було б життєздатним у масштабах виробництва. Дивлячись на програму 3D IC для склеювання пластин із гарячим вакуумним патроном, ми можемо побачити, як точна обробка та складні матеріали поєднуються, щоб створити напівпровідникову упаковку нового покоління.

Роль вакуумного патрона з підігрівом у склеюванні пластин
3D-інтеграція IC передбачає з’єднання багатьох тонких кремнієвих пластин (або матриць-до-пластин) в один пристрій за допомогою вертикальних з’єднань. В основному використовуються два способи склеювання:

Пряме сплавлення: дві чисті плоскі кремнієві пластини з’єднуються разом при підвищеній температурі (зазвичай 200–400 градусів) без будь-якого проміжного клею. Сили Ван-дер-Ваальса починають зв’язування, після чого відбувається відпал для створення ковалентних зв’язків Si–Si або SiO2–SiO2.

Гібридне з’єднання: версія, у якій використовується як з’єднання діелектрик-–-діелектрик (SiO 2 ), так і з’єднання металу-–-метал (часто мідь) в одній фазі для одночасного досягнення як механічного приєднання, так і електричних з’єднань. Це вимагає ще кращої однорідності температури та площинності.

В обох випадках нижня пластина поміщається на нагрітий вакуумний патрон. Патрон повинен забезпечувати:

Дуже плоский (загальне викривлення < 1–2 мкм на пластині 300 мм)

Рівномірний нагрів (перепади температури < ±0,5ºC по всій площі)

Надійне утримання вакууму, нульове утворення частинок

Чистий, сумісний з високим вакуумом

Матеріали: нітрид алюмінію, патрон з карбіду кремнію
Зазвичай корпус патрона виготовляється з високо-технічної кераміки. У цій галузі домінують два матеріали:

Нітрид алюмінію (AlN) – часто віддається перевага, оскільки його коефіцієнт теплового розширення (КТР) дуже близький до коефіцієнта теплового розширення кремнію (AlN: ~4,5 x 10-6/градус, Si: ~2,6 x 10-6/градус). Близьке збіг КТР зменшує теплову напругу під час циклів нагрівання та охолодження, що зменшує викривлення пластини та запобігає пошкодженню межі з’єднання. AlN також має високу теплопровідність 140-180 Вт/м·К, що забезпечує швидку та рівномірну передачу тепла від імплантованих нагрівачів до пластини.

Карбід кремнію (SiC) - Для навіть вищих температур (до 500–600 градусів) або коли потрібна висока жорсткість. SiC має дещо вищу теплопровідність (200–250 Вт/м·К), але нижчий КТР (приблизно 4,0 ×10−6/градус), що, тим не менш, дає розумну відповідність кремнію. SiC є міцнішим і більш стійким до зношування, ніж AlN, але його також важче обробляти та дорожче.

Обидва матеріали також є хорошими електричними ізоляторами, усуваючи будь-який струм витоку, який може пошкодити делікатну схему на пластині або завадити датчикам вирівнювання.

Вбудований резистор для внутрішньої системи опалення
Внутрішні візерункові нагрівачі опору включені безпосередньо в керамічний патрон для рівномірного нагріву. Під час виробництва тонка або товста плівка високотемпературного металу (часто молібдену (Mo) або платини (Pt)) друкується або напилюється на шар керамічної підкладки. Потім другий шар кераміки прикріплюється або обпалюється поверх доріжки, що покриває нагрівач.

Схема нагрівача ретельно розроблена (зазвичай багато{0}}зональна спіраль або концентричні кільця), щоб компенсувати втрати тепла на краю патрона та в центрі. Кожною зоною можна керувати незалежно, що дозволяє точно-налаштувати температурний профіль. Результуюча температурна однорідність діаметром 300 мм часто підтримується на рівні ±0,5 градуса або вище-, що є критичним для гібридного з’єднання, де мідні контактні площадки мають вирівнюватися в межах десятків нанометрів після теплового розширення.

Патрони, які можна нагріти до 400 градусів, оснащені платиновими нагрівачами. Платина стійка до окислення та має стійку стійкість до високих температур. Молібден чудово підходить для роботи у вакуумі чи інертному середовищі приблизно до 350 градусів.

Вакуумні канавки: точне утримання-
Мережа неглибоких канавок використовується для застосування вакууму для утримання пластини пласкою поверхнею патрона. Зазвичай ці канавки вирізаються лазером на керамічній поверхні лише на кілька мікрометрів глибиною (наприклад, 5–15 мкм) і шириною 200–500 мкм. Лазерна обробка дозволяє отримати точні краї без задирок, що є ключовим моментом для уникнення утворення частинок.

Розташування канавок адаптовано для досягнення рівномірного всмоктування по всій тильній стороні пластини, тоді як основна частина поверхні залишається в прямому контакті з патроном для ефективної передачі тепла. Загальні шаблони включають:

Радіальні канали, що ведуть від центрального вакуумного порту

Концентричні кільця, з’єднані радіальними спицями

Масиви сіток або стільникові масиви для дуже тонких або сильно деформованих пластин

Рівень вакууму ретельно контролюється - надто низьке всмоктування, і пластина може піднятися або зігнутися; занадто багато, і пластина може деформуватися локально, або вакуумні канавки можуть залишити сліди на задній стороні пластини (дефект, який називається «слід вакуумного патрона»).

Високий вакуум і вимоги до чистоти
Увесь вузол патрона розміщено в високо-вакуумній склеювальній камері, яка є надзвичайно-чистою. Щоб уникнути окислення склеювальних поверхонь і видалити газові кишені, що утворилися на межі з’єднання, зазвичай застосовують тиск у діапазоні від 10⁻⁵ до 10⁻⁷ мбар.

Жодного створення частинок. Будь-яка частинка розміром більше кількох нанометрів на поверхні патрона або додана під час роботи створить порожнечу в зв’язувальному контакті. Такі порожнечі призводять до механічної слабкості, електричних розривів ланцюгів (при гібридному з’єднанні) і втрати продуктивності. Таким чином, патрон виготовляється в середовищі чистих приміщень класу 1 (ISO 3), а всі матеріали вибираються з урахуванням їх стійкості до виділення газів і зносу. Керамічні патрони часто очищаються за допомогою мегазвуку або СО2 снігового струменю.

Примітка щодо точності: важливість забруднення поверхні
Поверхня патрона не повинна містити часток розміром більше кількох нанометрів, які могли б утворити порожнечу в зв’язувальному контакті. Навіть одна частинка розміром 50 нм може локально підняти дві пластини одна від одної та перешкоджати з’єднанню на площі шириною в сотні мікрон. Такий дефект, званий «порожнечею зв’язку», можна виявити за допомогою скануючої акустичної мікроскопії, і він робить матрицю або з’єднання марними. Вакуумні патрони з підігрівом регулярно перевіряються за допомогою автоматичного підрахунку оптичних частинок, і тому з ними працюють лише в ультра-умовах.

Інтеграція з інструментами вирівнювання та склеювання
Вакуумний патрон з підігрівом інтегровано в інструмент для склеювання пластин, який зазвичай містить:

Верхній патрон (іноді пасивний або з підігрівом) для утримання верхньої пластини

Ступінь вирівнювання за допомогою п’єзоприводів для вирівнювання пластин-{1}}до 50 нм.

Механізм тиску для застосування сили з’єднання (зазвичай 10–100 кН на пластину 300 мм)

Оптичні або інфрачервоні камери для виявлення наскрізних міток вирівнювання пластин

Нижня пластина поміщається на нагрітий патрон, створюється вакуум, і патрон нагрівається до цільової температури (наприклад, 300 градусів для гібридного склеювання) під час склеювання. Верхня пластина вирівнюється і приводиться в контакт. Зчеплення поширюється як хвиля від центру назовні. Потім патрон охолоджується в регульованих умовах, щоб зменшити залишкову напругу після склеювання.

Висновки: 3D інтеграція термічної та механічної основи
Вакуумний патрон з підігрівом — це тріумф термічної, механічної та матеріалознавчої техніки, що дозволяє вертикально складати чіпи для живлення найпотужніших систем штучного інтелекту та високо-продуктивних обчислювальних систем. Він забезпечує високу площинність, рівномірний нагрів до 400 градусів і чисту поверхню-без частинок, перетворюючи окремі кремнієві пластини в один багатоцільовий 3D-пристрій. Плоскість однієї керамічної пластини, виміряна в нанометрах у діапазоні 300 мм, може зрештою визначити продуктивність суперкомп’ютера. Оскільки 3D-інтеграція IC поширюється на все більше і більше шарів і точніших з’єднань, вакуумний патрон з підігрівом залишатиметься важливим інструментом, безшумно створюючи третій вимір кремнію.