Эвтектическая связь - Eutectic bonding

Ультразвуковое изображение пустой пластины с эвтектической связью Au-Si

Ультразвуковое изображение узорчатой ​​пластины с эвтектической связью Au-Si

Эвтектическая пайка, также называемая эвтектической пайкой, описывает метод соединения пластины с промежуточным металлическим слоем, который может создавать эвтектическую систему . Эти эвтектические металлы представляют собой сплавы, которые непосредственно переходят из твердого состояния в жидкое или наоборот из жидкого в твердое состояние при определенном составе и температуре, не переходя через двухфазное равновесие, то есть жидкое и твердое состояние. Тот факт, что температура эвтектики может быть намного ниже температуры плавления двух или более чистых элементов, может иметь важное значение для эвтектического связывания.

Эвтектические сплавы наносят распылением, двойным испарением или гальваникой. Они также могут быть образованы реакциями диффузии чистых материалов и последующим плавлением эвтектической композиции.

Была разработана эвтектическая связь для переноса эпитаксиальных материалов, таких как GaAs-AlGaAs, на подложки Si с высокой степенью успеха для общей цели интеграции оптоэлектроники с электроникой Si, а также для решения фундаментальных проблем, таких как рассогласование решеток в гетероэпитаксии, и сообщается Venkatasubramanian et al. в 1992 г. Венкатасубраманиан и др. также сообщили о валидации рабочих характеристик таких материалов GaAs-AlGaAs, связанных эвтектическим металлом, для солнечных элементов. в 1994 году. Эвтектическое соединение позволяет производить герметичные упаковки и электрические соединения в рамках одного процесса (сравните ультразвуковые изображения). Кроме того, эта процедура проводится при низких температурах обработки, низком результирующем напряжении, возникающем при окончательной сборке, высокой прочности соединения, большом производственном выходе и хорошей надежности. Эти атрибуты зависят от коэффициента теплового расширения между подложками.

Наиболее важными параметрами эвтектического связывания являются:

• температура склеивания
• длительность связи
• давление инструмента

Обзор

Эвтектическая связь основана на способности кремния (Si) сплавляться с многочисленными металлами и образовывать эвтектическую систему. Наиболее известными эвтектическими образованиями являются Si с золотом (Au) или с алюминием (Al). Эта процедура склеивания чаще всего используется для кремниевых или стеклянных пластин, покрытых пленкой Au / Al и частично клеевым слоем (сравните со следующим изображением).

Приклеивание кремниевой пластины к (l) стеклянной или (r) кремниевой пластине, покрытой слоем Au или Al.

Пара Si-Au имеет преимущества исключительно низкой эвтектической температуры, уже широко распространенного использования при соединении штампов и совместимости с межсоединениями из алюминия. 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.

Фазовая диаграмма Si-Au.

Кроме того, склеивание имеет меньше ограничений в отношении шероховатости и плоскостности подложки, чем прямое склеивание. По сравнению с анодным соединением не требуются высокие напряжения, которые могут отрицательно сказаться на электростатическом МЭМС. Кроме того, процедура эвтектического связывания способствует лучшему газовыделению и герметичности, чем соединение с органическими промежуточными слоями. По сравнению со склеиванием стеклянной фритты, преимущество заключается в том, что возможно уменьшение геометрических размеров уплотнительных колец, повышение уровней герметичности и уменьшение размеров устройства. Геометрия эвтектических уплотнений характеризуется толщиной от 1 до 5 мкм и шириной> 50 мкм. Использование эвтектического сплава дает преимущество обеспечения электропроводности и взаимодействия со слоями перераспределения.

Температура процедуры эвтектического связывания зависит от используемого материала. Связывание происходит при определенной массе% и температуре, например 370 ° C при 2,85 мас.% Si для промежуточного слоя Au (сравните с фазовой диаграммой).

Процедура эвтектического склеивания делится на следующие этапы:

1. Обработка субстрата
2. Кондиционирование перед склеиванием (например, удаление оксидов)
3. Процесс склеивания (температура, механическое давление в течение нескольких минут)
4. Процесс охлаждения

Процедурные шаги

Предварительная обработка

Подготовка поверхности - самый важный шаг для достижения успешного эвтектического склеивания. Эта процедура связывания обусловлена ​​очень ограниченным присутствием оксида на кремниевых подложках из-за плохой смачиваемости Au на оксидном слое. Это приводит к плохой адгезии эвтектической связи. Оксид на поверхности кремния действует как диффузионный барьер. Основная задача подготовки поверхности - облегчить осаждение эвтектического металла путем удаления оксида или нанесения адгезионного слоя.

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 сухого оксида, например плазмы H _{2 и} плазмы CF ₄ .

Дополнительным методом удаления нежелательных поверхностных пленок, например оксидов, является применение ультразвука в процессе прикрепления. Как только инструмент опускается, возникает относительная вибрация между пластиной и подложкой. Обычно в промышленных бондерах используется ультразвук с частотой колебаний 60 Гц и амплитудой колебаний 100 мкм. В результате успешного удаления оксидов получается прочное, герметичное соединение.

Схема типичного состава пластины, включая необязательный слой Ni / Pt.

Второй метод обеспечения прилипания эвтектического металла к кремниевой пластине - использование адгезионного слоя. Этот тонкий промежуточный металлический слой хорошо сцепляется с оксидом и эвтектическим металлом. Хорошо подходящими металлами для соединения Au-Si являются титан (Ti) и хром (Cr), что дает , например, 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, слоем Ti или Cr 30-200 нм и слоем Au толщиной> 500 нм.

При изготовлении пластины между золотом и пластиной-подложкой в ​​качестве диффузионного барьера добавляется слой никеля (Ni) или платины (Pt). 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 предотвратить развитие эвтектического состава Au-Si, основанного на диффузии кремния через титан в золото.

К эвтектическим материалам и необязательным адгезионным слоям обычно подходят путем осаждения сплава в одном слое путем двухкомпонентного гальванического покрытия, испарения с двумя источниками ( физическое осаждение из паровой фазы ) или напыления композитного сплава.

Удаление загрязнений на наиболее устойчивом слое золота для кремния обычно осуществляется с помощью промывки водой и нагрева пластины.

Процесс склеивания

Контакт субстратов осуществляется сразу после предварительной обработки поверхностей, чтобы избежать регенерации оксидов. Процедура связывания для окисления металлов (не Au) обычно происходит в восстановленной атмосфере, содержащей 4% водорода и поток инертного газа-носителя, например азота. Требования к оборудованию для склеивания заключаются в равномерности температуры и давления на пластине. Это позволяет получить равномерно сжатые линии уплотнения.

Подложка выравнивается и фиксируется на нагретом столике, а кремниевая пластина - в нагретом инструменте. Подложки, вставленные в камеру склеивания, контактируют, обеспечивая выравнивание. Как только слои вступают в атомный контакт, между ними начинается реакция. Для поддержки реакции прикладывают механическое давление и проводят нагрев выше эвтектической температуры.

Коэффициент диффузии и растворимость золота в кремниевой подложке увеличивается с повышением температуры соединения. Для процедуры склеивания обычно предпочтительна более высокая температура, чем температура эвтектики. Это может привести к образованию более толстого слоя сплава Au-Si и более прочной эвтектической связи.

Диффузия начинается, как только слои вступают в атомный контакт при повышенных температурах. Контактный поверхностный слой, содержащий эвтектические композиты, плавится, образуя жидкофазный сплав, ускоряя дальнейшие процессы перемешивания и диффузию до достижения насыщенного состава.

Другие распространенные эвтектические связующие сплавы, обычно используемые для соединения пластин, включают Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In и Cu-Sn.

Выбранная температура склеивания обычно на несколько градусов выше, чем температура эвтектики, поэтому расплав становится менее вязким и легко течет из-за более высокой шероховатости к участкам поверхности, которые не находятся в атомном контакте. Чтобы предотвратить выдавливание расплава за пределы границы склеивания, необходима оптимизация управления параметрами склеивания, например, небольшое усилие на пластинах. В противном случае это может привести к короткому замыканию или неисправности устройства используемых компонентов (электрических и механических). Нагрев пластин приводит к изменению текстуры поверхности из-за образования тонких кремниевых микроструктур на поверхности золота.

Процесс охлаждения

СЭМ-изображение поперечного сечения границы раздела между Si и Au с процентным содержанием атомов Si 80,3.

Смесь материалов затвердевает, когда температура опускается ниже точки эвтектики или изменяется соотношение концентраций (для Si-Au: T <370 ° C ). Затвердевание приводит к эпитаксиальному росту кремния и золота поверх кремниевой подложки, что приводит к появлению множества небольших островков кремния, выступающих из поликристаллического сплава золота (сравните с изображением поперечного сечения границы раздела соединений). Это может привести к прочности сцепления около 70 МПа.

Важность заключается в соответствующих параметрах процесса, то есть в достаточном контроле температуры склеивания. В противном случае соединение растрескается из-за напряжения, вызванного несоответствием коэффициента теплового расширения. Этот стресс способен со временем расслабиться.

Примеры

Благодаря высокой прочности сцепления эта процедура особенно подходит для датчиков давления или жидкостных систем. Также могут быть изготовлены интеллектуальные микромеханические датчики и приводы с электронными и / или микромеханическими функциями на нескольких пластинах.

Технические характеристики

использованная литература