Как се използват нагреваеми вакуумни патронници при залепване на пластини за 3D интегриране на IC?

Предизвикателството при подреждането на множество слоеве от по-тънки силициеви пластини в една мощна 3D интегрална схема се крие в инженерната прецизност. За свързване, нагрят керамичен патронник поддържа долната пластина абсолютно плоска и равномерно гореща. Втора пластина се позиционира и избутва отгоре с нанометрова точност. Патронникът е термичната и механична основа на цялата операция. Без него директният синтез или хибридното свързване – критичните фактори за интегрирането на 3D IC – не биха били жизнеспособни в производствени мащаби. Разглеждайки 3D IC приложението за залепване на пластини с горещ вакуумен патронник, можем да видим как прецизната машинна обработка и сложните материали се обединяват, за да позволят следващото поколение полупроводникови опаковки.

Ролята на нагрятия вакуумен патронник при залепването на пластини
3D IC интегрирането включва свързване на много изтънени силициеви пластини (или матрици-към-пластини) в едно устройство с вертикални връзки. Използват се главно два метода на свързване:

Директно свързване чрез синтез: Две чисти, плоски силиконови пластини се свързват заедно при повишена температура (обикновено 200–400 градуса) без никакво междинно лепило. Силите на Ван дер Ваалс започват свързването, последвано от отгряване за генериране на ковалентни връзки Si–Si или SiO2–SiO2.

Хибридно свързване: Версия, която използва както свързване на диелектрик-към-диелектрик (SiO 2 ), така и свързване -към-метал (често мед) в една фаза, за да се постигне както механично закрепване, така и електрически връзки едновременно. Това изисква още по-добра хомогенност на температурата и плоскостта.

И в двата случая долната пластина се поставя върху нагрят вакуумен патронник. Патронникът трябва да осигури:

Много плосък (общо изкривяване < 1–2 µm върху пластина от 300 mm)

Равномерно нагряване (променливост на температурата < ±0,5ºC върху цялата площ)

Надеждно задържане на вакуум, нула създадени частици

Чист, съвместим с висок вакуум

Материали: алуминиев нитрид, патронник от силициев карбид
Обикновено тялото на патронника се произвежда от високо-техническа керамика. Полето е доминирано от два материала:

Алуминиев нитрид (AlN) – Често се предпочита, тъй като неговият коефициент на топлинно разширение (CTE) е много близък до този на силиция (AlN: ~4,5 x 10-6/градус, Si: ~2,6 x 10-6/градус). Близкото съвпадение на CTE намалява топлинния стрес по време на цикли на нагряване и охлаждане, което намалява деформацията на пластините и предотвратява повреда на интерфейса на връзката. AlN също има висока топлопроводимост от 140-180 W/m·K, което позволява бързо и равномерно предаване на топлина от имплантирани нагреватели към подложката.

Силициев карбид (SiC) - За дори по-високи температурни приложения (до 500–600 градуса) или когато се изисква голяма твърдост. SiC има малко по-висока топлопроводимост (200–250 W/m·K), но по-нисък CTE (около 4,0 ×10−6 / градус), което въпреки това дава разумно съответствие със силиция. SiC е по-здрав и по-устойчив на износване от AlN, но също така е по-труден за обработка и по-скъп.

И двата материала също са добри електрически изолатори, елиминирайки всякакъв ток на утечка, който би могъл да повреди деликатните вериги на пластината или да попречи на сензорите за центриране.

Модел на резистор, вграден за вътрешна отоплителна система
Вътрешни шарени съпротивителни нагреватели са включени директно в керамичния патронник за равномерно нагряване. По време на производството тънък филм или следа от дебел филм от високотемпературен метал (често молибден (Mo) или платина (Pt)) се отпечатва или разпръсква върху слой от керамичен субстрат. След това се прикрепя или съ-изпича втори керамичен слой върху следата, покриваща нагревателя.

Схемата на нагревателя е внимателно конструирана (обикновено много{0}}зонова спирала или концентрични пръстени), за да компенсира топлинните загуби в ръба и центъра на патронника. Всяка зона може да се контролира независимо, което ви позволява фино-настройване на температурния профил. Получената температурна хомогенност в диаметър от 300 mm често се поддържа до ±0,5 градуса или по-добре -критично за хибридно свързване, където медните подложки трябва да се подравнят в рамките на десетки нанометри след термично разширение.

Патронниците, които могат да се нагряват до 400 градуса, са оборудвани с платинени нагреватели. Платината е устойчива на окисляване и има устойчива устойчивост при високи температури. Молибденът е отличен за работа във вакуум или инертна среда до приблизително 350 градуса.

Вакуумни канали: Прецизно задържане-
Мрежа от плитки жлебове се използва за прилагане на вакуум, за да държи пластината плоска срещу повърхността на патронника. Обикновено тези жлебове се изрязват с лазер в керамичната повърхност само на няколко микрометра дълбочина (напр. 5–15 µm) и 200–500 µm ширина. Лазерната обработка позволява да се получат прецизни ръбове без-неравности, което е ключов момент за избягване на образуването на частици.

Разположението на жлебовете е пригодено за постигане на равномерно засмукване по цялата задна страна на пластината, докато по-голямата част от повърхността остава в пряк контакт с патронника за ефективно пренасяне на топлина. Общите модели включват:

Радиални канали, водещи от централен вакуумен порт

Концентрични пръстени, съединени с радиални спици

Мрежови масиви или масиви тип пчелна пита за много тънки или силно деформирани вафли

Нивата на вакуум се следят внимателно - твърде слабо засмукване и вафлата може да се повдигне или огъне; твърде много и пластината може да се изкриви локално или вакуумните жлебове може да оставят маркировки върху задната страна на пластината (дефект, наречен "следа от вакуумен патронник").

Изисквания за висок вакуум и чистота
Целият комплект на патронника е разположен във високо-вакуумна свързваща камера, която е ултра-чиста. За да се избегне окисляването на свързващите повърхности и да се премахнат уловените газови джобове на свързващия интерфейс, обикновено се прилагат налягания в диапазона от 10⁻⁵ до 10⁻⁷ mbar.

Никакво създаване на частици. Всяка частица, по-голяма от няколко нанометра върху повърхността на патронника или добавена по време на манипулиране, ще създаде празнина в свързващия контакт. Такива кухини водят до механична слабост, електрически отворени вериги (при хибридно свързване) и загуба на добив. Следователно патронникът е произведен в среда на чиста стая клас 1 (ISO 3), като всички материали са избрани за тяхната устойчивост на отделяне на газове и износване. Керамичните патронници често се почистват с мегазвук или CO2 снежна струя.

Прецизна бележка: Значението на повърхностното замърсяване
Повърхността на патронника трябва да бъде лишена от частици, по-големи от няколко нанометра, които биха образували празнота в свързващия контакт. Дори една частица от 50 nm може локално да повдигне две пластини една от друга и да попречи на свързването в зона с ширина стотици микрони. Такъв дефект, наречен "кухина на свързване", може да бъде открит чрез сканираща акустична микроскопия и прави матрицата или връзката безполезни. Нагретите вакуумни патронници се проверяват рутинно с автоматично броене на оптични частици и поради тази причина се обработват само при свръх-чисти условия.

Интегриране с инструменти за подравняване и свързване
Нагретият вакуумен патронник е интегриран в инструмент за залепване на пластини, който обикновено включва:

Горен патронник (понякога пасивен или също нагрят) за задържане на горната пластина

Етап на подравняване с помощта на пиезо задвижващи механизми за подравняване-към-пластина под 50 nm.

Механизъм за натиск за прилагане на сила на свързване (обикновено 10–100 kN върху пластина от 300 mm)

Оптични или инфрачервени камери за откриване на маркировки за подравняване на пластини

Долната пластина се поставя върху нагрятия патронник, осигурява се вакуум и патронникът се нагрява до целевата температура (напр. 300 градуса за хибридно залепване) по време на залепването. Горната пластина се подравнява и се допира. Свързването се разпространява като вълна от центъра навън. След това патронникът се охлажда при регулирани условия, за да се намали остатъчното напрежение след залепването.

Изводи: 3D интеграция на термична и механична основа
Нагретият вакуумен патронник е триумф на термичното, механичното инженерство и инженерството на материалите, което позволява чиповете да бъдат подредени вертикално, за да захранват най-мощните системи с изкуствен интелект и високо{0}}производителни изчислителни системи. Той предлага висока плоскост, хомогенно нагряване до 400 градуса и чиста повърхност без-частици, превръщайки единичните силиконови пластини в едно многофункционално 3D устройство. Равнината на единична керамична плоча, измерена в нанометри в диапазон от 300 mm, в крайна сметка може да определи производителността на суперкомпютър. Тъй като интеграцията на 3D IC преминава към все повече и повече слоеве и по-фини стъпки на свързване, нагрятият вакуумен патронник ще остане основен инструмент, безшумно позволяващ третото измерение на силиция.