Kā apsildāmās vakuumpatronas tiek izmantotas vafeļu līmēšanai 3D IC integrācijai?

Izaicinājums daudzu plānāku silīcija plātņu slāņu salikšanai vienā, jaudīgā 3D integrālajā shēmā slēpjas inženierijas precizitātē. Lai salīmētu, apsildāmā keramikas patrona notur apakšējo vafeles plakanu un vienmērīgi karstu. Otrā plāksne tiek novietota un uzspiesta uz augšu ar nanometru precizitāti. Patrona ir visas darbības termiskais un mehāniskais pamats. Bez tā tiešā saplūšana vai hibrīdsavienojumi — 3D IC integrācijas kritiskie veicinātāji — nebūtu dzīvotspējīgi ražošanas apmēros. Aplūkojot karstās vakuumpatronas vafeļu savienošanas 3D IC lietojumprogrammu, mēs varam redzēt, kā precīza apstrāde un izsmalcināti materiāli apvienojas, lai nodrošinātu nākamās paaudzes pusvadītāju iepakojumu.

Apsildāmā vakuumpatrona loma vafeļu savienošanā
3D IC integrācija ietver daudzu atšķaidītu silīcija plāksnīšu (vai veidņu savienošanu-uz-vafeļu kaudzēm) vienā ierīcē ar vertikāliem starpsavienojumiem. Galvenokārt tiek izmantotas divas savienošanas metodes:

Tieša saplūšana: divas tīras, plakanas silīcija vafeles tiek savienotas kopā paaugstinātā temperatūrā (parasti 200–400 grādi) bez starplīmes. Van der Waals spēki sāk savienošanu, kam seko atkvēlināšana, lai radītu kovalentās Si-Si vai SiO2-SiO2 saites.

Hibrīdā savienošana: versija, kurā vienā fāzē tiek izmantota gan dielektriskā-uz-dielektriskā (SiO 2 ), gan metāla-pret-metāla (bieži vara) savienošana, lai vienlaicīgi panāktu gan mehānisku stiprinājumu, gan elektriskus starpsavienojumus. Tas prasa vēl labāku temperatūras viendabīgumu un līdzenumu.

Abos gadījumos apakšējā vafele tiek novietota uz apsildāmas vakuuma patronas. Patronai ir jānodrošina:

Ļoti plakana (globālā deformācija < 1–2 µm pāri 300 mm plāksnei)

Vienmērīga sildīšana (temperatūras svārstības < ±0,5ºC visā laukumā)

Uzticama vakuuma noturēšana, nav radītas daļiņas

Tīrs, saderīgs ar augstu vakuumu

Materiāli: alumīnija nitrīds, silīcija karbīda patrona
Parasti patronas korpuss ir izgatavots no augstas veiktspējas{0}}tehniskās keramikas. Šajā jomā dominē divi materiāli:

Alumīnija nitrīds (AlN) – tas bieži tiek dots priekšroka, jo tā termiskās izplešanās koeficients (CTE) ir ļoti tuvu silīcija koeficientam (AlN: ~4,5 x 10-6/grāds, Si: ~2,6 x 10-6/grāds). Ciešā CTE atbilstība samazina termisko spriegumu sildīšanas un dzesēšanas ciklu laikā, kas samazina plāksnīšu deformāciju un novērš savienojuma saskarnes bojājumus. AlN ir arī augsta siltumvadītspēja 140-180 W/m·K, kas nodrošina ātru un vienmērīgu siltuma pārnesi no implantētajiem sildītājiem uz plāksnīti.

Silīcija karbīds (SiC) - Paredzēts lietošanai vēl augstākā temperatūrā (līdz 500–600 grādiem) vai gadījumos, kad nepieciešama liela stingrība. SiC ir nedaudz augstāka siltumvadītspēja (200–250 W/m·K), bet zemāka CTE (apmēram 4,0 × 10–6 / grāds), kas tomēr nodrošina saprātīgu atbilstību silīcijam. SiC ir izturīgāks un nodilumizturīgāks nekā AlN, taču to ir arī grūtāk apstrādāt un tas ir dārgāks.

Abi materiāli ir arī labi elektriskie izolatori, novēršot jebkādu noplūdes strāvu, kas var sabojāt plāksnītes trauslo shēmu vai traucēt izlīdzināšanas sensorus.

Iestrādāts rezistoru raksts iekšējai apkures sistēmai
Iekšējie rakstveida pretestības sildītāji ir iekļauti tieši keramiskajā patronā vienmērīgai sildīšanai. Ražošanas laikā uz keramikas substrāta slāņa tiek uzdrukāta vai izsmidzināta augstas temperatūras metāla (bieži vien molibdēna (Mo) vai platīna (Pt)) plānas plēves vai biezas plēves pēdas. Pēc tam virs sildītāju pārklājošās pēdas tiek piestiprināts vai līdz{2}}apdedzināts otrs keramikas slānis.

Sildītāja modelis ir rūpīgi konstruēts (parasti vairāku{0}}zonu spirāle vai koncentriski gredzeni), lai kompensētu siltuma zudumus patronas malā un centrā. Katra zona ir vadāma neatkarīgi, ļaujot precīzi-noregulēt temperatūras profilu. Rezultātā iegūtā temperatūras viendabīgums 300 mm diametrā bieži tiek uzturēts līdz ±0,5 grādiem vai labākam-, kas ir kritisks hibrīdlīmei, kur vara spilventiņiem pēc termiskās izplešanās ir jāsakrīt ar desmitiem nanometru.

Patronas, kuras var uzsildīt līdz 400 grādiem, ir aprīkotas ar platīna sildītājiem. Platīns ir izturīgs pret oksidēšanos un tam ir ilgstoša izturība augstā temperatūrā. Molibdēns ir lieliski piemērots vakuuma vai inertas vides darbam līdz aptuveni 350 grādiem.

Vakuuma rievas: precīza noturēšana-
Sekla rievu tīkls tiek izmantots, lai izmantotu vakuumu, lai noturētu vafeles pret patronas virsmu. Parasti šīs rievas ar lāzeru iegriež keramikas virsmā tikai dažu mikrometru dziļumā (piemēram, 5–15 µm) un 200–500 µm platumā. Lāzera apstrāde ļauj iegūt precīzas malas bez šķembām{8}}, kas ir galvenais punkts, lai izvairītos no daļiņu veidošanās.

Rievu izvietojums ir pielāgots, lai panāktu vienmērīgu sūkšanu visā vafeles aizmugurē, bet lielākā daļa virsmas paliek tiešā saskarē ar patronu, lai efektīvi pārnestu siltumu. Kopējie modeļi ietver:

Radiālie kanāli, kas ved no centrālā vakuuma porta

Koncentriski gredzeni, kas savienoti ar radiāliem spieķiem

Režģa bloki vai šūnveida bloki ļoti plānām vai stipri deformētām plāksnēm

Vakuuma līmenis tiek rūpīgi uzraudzīts - pārāk maz sūkšanas, un vafele var pacelties vai noliekties; pārāk daudz, un vafele var lokāli deformēties vai vakuuma rievas var atstāt zīmes uz vafeles aizmugures (defekts, ko sauc par "vakuuma patronas atzīmi").

Augstas vakuuma un tīrības prasības
Viss patronas komplekts atrodas augsta-vakuuma savienošanas kamerā, kas ir īpaši tīra. Lai izvairītos no savienojošo virsmu oksidēšanās un noņemtu iesprostotās gāzes kabatas savienojuma saskarnē, parasti tiek piemērots spiediens diapazonā no 10⁻⁵ līdz 10⁻⁷ mbar.

Nekādas daļiņu radīšanas. Jebkura daļiņa, kas lielāka par dažiem nanometriem uz patronas virsmas vai pievienota apstrādes laikā, radīs tukšumu saistošajā kontaktā. Šādi tukšumi izraisa mehānisku vājumu, elektriskas atvērtas ķēdes (hibrīda savienojumā) un ražas zudumu. Tāpēc patrona ir izgatavota 1. klases tīrās telpas (ISO 3) vidē, un visi materiāli ir atlasīti pēc to noturības pret izplūdi un nodilumu. Keramikas patronas bieži tiek tīrītas, izmantojot megasonic vai CO2 sniega strūklas procedūras.

Precizitāte: Virsmas piesārņojuma nozīme
Patronas virsmā nedrīkst būt daļiņas, kas lielākas par dažiem nanometriem, kas veidotu tukšumu saistošajā kontaktā. Pat viena 50 nm daļiņa var lokāli pacelt divas vafeles viena no otras un kavēt saikni simtiem mikronu platā apgabalā. Šādu defektu, ko sauc par "saites tukšumu", var noteikt ar skenēšanas akustisko mikroskopiju, un tas padara veidni vai savienojumu nevērtīgu. Apsildāmās vakuumpatronas regulāri pārbauda, ​​izmantojot automātisko optisko daļiņu skaitīšanu, un šī iemesla dēļ tās tiek apstrādātas tikai īpaši-tīros apstākļos.

Integrācija ar izlīdzināšanas un līmēšanas rīkiem
Apsildāmā vakuuma patrona ir integrēta vafeļu savienošanas instrumentā, kas parasti sastāv no:

Augšējā patrona (dažkārt pasīva vai arī apsildāma), lai noturētu augšējo vafeli

Izlīdzināšanas stadija, izmantojot pjezo izpildmehānismus, lai vafeļu -līdz-līdzināšanai zem 50 nm.

Spiediena mehānisms savienošanas spēka pielikšanai (parasti 10–100 kN uz 300 mm plāksnītes)

Optiskās vai infrasarkanās kameras cauruļu plāksnīšu izlīdzināšanas atzīmju noteikšanai

Apakšējā vafele tiek novietota uz apsildāmās patronas, tiek nodrošināts vakuums, un savienošanas laikā patrona tiek uzkarsēta līdz mērķa temperatūrai (piem., 300 grādiem hibrīda savienošanai). Augšējā vafele ir izlīdzināta un nonāk saskarē. Savienojums izplatās kā vilnis no centra uz āru. Pēc tam patrona tiek atdzesēta regulētos apstākļos, lai samazinātu atlikušo spriegumu pēc savienošanas.

Secinājumi: 3D integrācijas termiskā un mehāniskā bāze
Apsildāmā vakuuma patrona ir termiskās, mehāniskās un materiālu inženierijas triumfs, kas ļauj salikt čipus vertikāli, lai darbinātu visspēcīgāko mākslīgo intelektu un augstas{0}}veiktspējas skaitļošanas sistēmas. Tas piedāvā augstu plakanumu, viendabīgu karsēšanu līdz 400 grādiem un tīru, -tīru virsmu bez daļiņām, pārvēršot atsevišķas silīcija vafeles vienā daudzfunkcionālā 3D ierīcē. Vienas keramikas plāksnes plakanums, ko mēra nanometros 300 mm diapazonā, galu galā var noteikt superdatora veiktspēju. Tā kā 3D IC integrācija tiek izmantota arvien vairāk slāņu un smalkāku savienojuma vietu, apsildāmā vakuuma patrona joprojām būs būtisks instruments, klusi iedarbinot silīcija trešo dimensiju.