eng
Выпуск #2/2018
Д.Вюнш, Л.Пурвин, Р.Мартинка, И.Шуберт, Р.Юнганс, М.Баум, М.Вимер, Т.Отто
Временное сращивание пластин – ключевая технология для МЭМС-устройств
Временное сращивание пластин – ключевая технология для МЭМС-устройств
Просмотры: 4405
Утонение после временного сращивания пластин – ключевая технология 3D-интеграции датчиков и электронных компонентов для получения миниатюрных систем. Обработка ультратонких кремниевых пластин является сложным процессом, поэтому были разработаны различные технологии их временного сращивания с носителем для стабилизации и защиты пластин во время производственных операций.
УДК 621.382.2 /.3; ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.144.154
УДК 621.382.2 /.3; ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.144.154
Утонение после временного сращивания полупроводниковых пластин – ключевая технология 3D-интеграции датчиков и электронных компонентов для получения миниатюрных систем. Обработка ультратонких кремниевых пластин является сложным процессом, поэтому были разработаны различные технологии их временного сращивания с носителем для стабилизации и защиты пластин во время производственных операций. Авторы протестировали два таких метода: BrewerBOND с механическим разделением и ZoneBOND с химическим / механическим разделением. В данной работе представлено подробное описание шагов подготовки полупроводниковой пластины, временного сращивания и разделения (дебондинга) пластины и носителя. Метод ZoneBOND предполагает центрифужное нанесение адгезионного состава на полупроводниковую пластину и позволяет проводить процессы при температуре до 250 °C. Носитель покрывается другим адгезивом по краю пластины, а на его центральную область наносится антиадгезионный слой. Этот процесс позволяет утонять 200-мм пластины до 50 мкм. Помимо метода ZoneBOND протестирован новый материал компании Brewer Science. Для разделения используется простое в интеграции механическое устройство. Благодаря покрытию всей поверхности полупроводниковой пластины и носителя этот процесс является простым решением при необходимости утонения пластин до 50 мкм. Адгезионный состав BrewerBOND 305 защищает структуры от повреждения во время склеивания пластин. Данный материал позволяет проводить обработку задней стороны при температуре 250–300 °C. На носитель наносится антиадгезионный материал BrewerBOND 510, который позволяет выполнять механический дебондинг без дополнительной лазерной или химической обработки.
В ближайшем будущем потребуются новые решения для увеличения производительности, снижения стоимости и уменьшения толщины (примерно до 10 мкм) миниатюрных электронных систем [1]. Утонение полупроводниковых пластин является одним из перспективных решений, облегчающих процесс 3D-интеграции сенсоров и электронных систем. Такие системы состоят из отдельных компонентов, которые установлены друг на друга по вертикали и подключены к сети.
Эффективная терморегуляция и высокая плотность переходных отверстий в кремнии благодаря меньшему отношению сторон – это лишь некоторые из преимуществ утоненных пластин. Однако, уменьшение толщины пластин существенно осложняет их обработку. Ультратонкие кремниевые пластины толщиной менее 50 мкм имеют низкую устойчивость, низкую жесткость при изгибе, кроме того, их нельзя перемещать с помощью стандартного технологического оборудования. Поэтому при их изготовлении, а также для стабилизации во время механической обработки / перемещения, используется временная фиксация пластины со структурой на пластине-носителе [l].
Для утонения используются процессы шлифования, травления и полировки. Двухэтапная шлифовка (грубая и тонкая) удаляет большую часть кремниевого слоя и приводит к образованию дефектов на поверхности. Их можно устранить с помощью жидкостного травления с одновременным восстановлением кристаллической решетки. Последующая химико-механическая полировка позволяет получить идеальную поверхность с Ra < 1 нм.
Один из способов обработки тонких пластин был предложен компанией Brewer Science. Он включает в себя центрифужное нанесение адгезива на полупроводниковую пластину, а на носитель наносится антиадгезионный материал для упрощения отделения утоненной пластины в процессе дебондинга. На рис.1 изображена схема процесса обработки тонких пластин, который рассмотрен в данной работе. Сначала происходит подготовка полупроводниковой пластины и носителя. Затем проводится временное сращивание, утонение и химико-механическое разделение.
В целом, все технологии сращивания пластин делятся на жидкостные и сухие [2]. Адгезивное сращивание относится к группе жидкостных технологий с широким выбором методов для дебондинга. К последним относятся термическое, химическое, лазерное и механическое разделение. На рис.2 представлено краткое описание различных методов временного сращивания при жидкостной и сухой обработке.
К традиционным методам временного сращивания полупроводниковых пластин относится, например, разделение под воздействием температуры. Современные же технологии направлены на разработку методов дебондинга при комнатной температуре. К ним относится ZoneBOND, предложенный компанией Brewer Science, который является комбинацией химического и механического разделения. Основная идея данной технологии заключается в том, что носитель делится на две зоны: в центре формируется область слабого адгезива (зона 1), а по краю – область сильного адгезива (зона 2).
Помимо ZoneBOND компания Brewer Science предлагает новые материалы под различные требования процессов сращивания и разделения. В методе BrewerBOND используется лазерное или механическое разделение. Лазерное разделение оказывает очень слабое воздействие на утоненную пластину, но может проводиться только со стеклянным носителем, прозрачным для лазерного излучения в диапазоне 270 и 360 нм. Адгезивные материалы, которые используются в методах ZoneBOND и BrewerBOND, перечислены в таблице.
При механическом разделении пластин требуется силовое воздействие. Преимуществами механического разделения являются низкие расходы, а также возможность использовать различные типы адгезионного материала. Технологический процесс при механическом разделении гораздо проще, чем при методе ZoneBOND, так как на всю поверхность носителя наносится одинаковый антиадгезионный слой. В результате отсутствует необходимость в жидкостном химическом травлении или лазерной обработке перед дебондингом.
По сравнению с методом ZoneBOND технология BrewerBOND имеет более простые подготовительные шаги. Сравнительный обзор данных технологий представлен на рис.3.
ИСПЫТАНИЯ
Перед нанесением покрытия на полупроводниковую пластину необходимо удалить часть ее кромки со структурой. Предыдущие результаты показывали, что край пластины мало подвержен повреждениям.
Удаление кромки производится на ширину 2 мм и глубину 260 мкм. На рис.4 изображен край 8-дюймовой пластины после обработки. После обработки диаметр полупроводниковой пластины уменьшится на 4 мм.
Опыт с использованием материала ZoneBOND
Центрифужное нанесение покрытия на пластину со структурой и на носитель выполняется на полуавтоматической системе RCD8 от SUSS MicroTec. Полупроводниковая пластина подготавливается с помощью осаждения термопластичного адгезива ZoneBOND 5150-30. После этого выполняется задубливание материала при температуре 230 °C в течение 2 мин. Вязкость адгезива составляет 10 000 сП. Толщина слоя адгезива зависит от скорости вращения держателя. Для создания слоя толщиной 20 мкм требуется скорость вращения 1600 об/мин и примерно 5–10 мл материала (рис.5).
Первым шагом в подготовке пластины-носителя на системе RCD8 является формирование зоны на краю полупроводниковой пластины с помощью адгезива ZoneBOND EM 2320-15. Чрезвычайно важно обеспечить точное центрирование носителя на вакуумном держателе для получения однородного покрытия по краю пластины. Толщина слоя составляет 0,5–3,0 мкм. После сушки при температуре 220 °С в центр носителя наносится слой антиадгезионного материала ZoneBOND ZI 3500-02. Вязкость слоя антиадгезионного материала составляет всего 50 сП в сравнении с 400 сП для ZoneBOND EM 2320-15. Как и в случае подготовки полупроводниковой пластины, толщина слоя на носителе зависит от скорости вращения держателя. Для того чтобы получить слой толщиной 2 мкм, требуется скорость вращения 300 об/мин при нанесении 1,5 мл материала. Ширина адгезива составила примерно 1,5 мм (рис.6).
Последующее адгезивное сращивание проводится с помощью системы SUSS MicroTec SB8. Процесс протекает при невысоком вакууме (<5 бар) с давлением сращивания 170 кН/м2 при температуре 200 °C. На рис.7 изображена сборка пластины на носителе на 200-мм держателе с нанесенным промежуточным слоем толщиной примерно 30 мкм после сращивания в SB8e.
Одним из способов оценки качества поверхности сращивания является микроскопия в инфракрасном свете. На рис.8 представлены два примера пластин после сращивания. На левом изображении видны пустоты между склеенными пластинами, в то время как справа такие пустоты отсутствуют. Для оценки прочности склеивания использовались образцы 5 Ч 5 мм, к которым была приложена поперечная сдвигающая сила до появления трещин на поверхности склеивания. В зоне высокой адгезии при приложении поперечной сдвигающей силы был получен результат около 8 МПа с выходом годных кристаллов более 90% (рис.9). В зоне 1 прочность склеивания и выход годных кристаллов очень низкие по сравнению с зоной 2.
После химической, механической и термической (T < 250 °C) обработок с краевой зоны с помощью мезитилена удаляется адгезионный слой. Затем сборка носителя с полупроводниковой пластиной, обращенной лицевой стороной вниз, монтируется на рамку с пленкой и помещается в дебондер DB 12T.
В системе DB 12T сборка пластины с носителем с обеих сторон фиксируется вакуумом. Механическое разделение полупроводниковой пластины и носителя проводится по С-образному вырезу на краю пластины. Носитель фиксируется выше лезвия и поднимается на гибкой пластине вверх при комнатной температуре. Прижимной ролик перемещается назад и контролирует скорость процесса дебондинга. Схематический чертеж с изображением системы DB 12T представлен на рис.10 и рис.17.
На заключительном шаге полупроводниковая пластина, размещенная на рамке с пленкой, и носитель очищаются комбинированным методом (налив и набрызгивание). Как и в случае со снятием слоя с краев, чистка проводится в модуле SUSS MicroTec AR12 с использованием лимонена или мезитилена с последующей промывкой изопропиловым спиртом. Данный процесс применяется в изготовлении пластин толщиной до 50 мкм (рис.11).
В процессе чистки наливом чистящее устройство воздействует справа налево в течение двух секунд в сочетании с ультразвуковой обработкой. При этом растворитель удаляет адгезив с полупроводниковой пластины. Процесс очистки должен быть максимально быстрым, поскольку мезитилен повреждает чувствительную к УФ-излучению пленку. При чистке наливом слой адгезива полностью удаляется за 15 мин, а пленка теряет свои клеящие свойства после 30 мин в мезитиленовой ванне. Необходимо, чтобы поддерживалось определенное натяжение пленки (рис.12).
Опыт с материалами BrewerBOND
Первым шагом в обработке полупроводниковых пластин с использованием системы RCD8 является нанесение адгезивного материала BrewerBOND 305, который имеет вязкость 6700 сП. Важно, чтобы он наносился без включения пузырей воздуха. Толщина слоя составила 35–50 мкм (система измерения HEIDENHAIN). После задубливания при температуре 220 °C в течение 2 мин без зазора между пластиной и нагревательной плитой пластина была готова к дальнейшей обработке.
Следующим этапом является нанесение слоя BrewerBOND 510 на пластину-носитель. Этот антиадгезионный материал позволяет проводить механический дебондинг при комнатной температуре без риска растрескивания пластины. Согласно документации, при скорости 1 250 об/мин толщина слоя должна составлять 5–6 нм, но эллипсометрические измерения показали величину около 3,5 нм. Числовая модель и карта полупроводниковой пластины после измерения толщины слоя BrewerBOND 510 представлены на рис.13.
Последующее сращивание пластин проводится под вакуумом (< 5 мбар) при давлении 180 кН/м2. Во время ИК-инспекции был обнаружен выход газа (рис.14). В первом случае сращивание проводилось при температуре 200 °C с шагом нагрева и охлаждения 10 К/мин. Во втором случае использовалась выдержка при 100 и 150 °C в течение 20 мин. В последнем случае перед нанесением покрытия проводился нагрев до 200 °C (10 мин).
Последующее утонение полупроводниковой 200-мм пластины выполняется в три этапа (шлифование, травление и химико-механическая полировка). С помощью традиционного процесса шлифовки обратной стороны можно добиться утонения до 50 мкм. Шероховатость кремния после шлифовки составляла примерно 14 нм при толщине полупроводниковой пластины 115 мкм (рис.15).
В целях выравнивания толщины пластины предпочтительно провести тонкую шлифовку. С помощью центробежного травления сглаживаются дефекты и микротрещины поверхности, а также уменьшается ее шероховатость (около 4 нм). На финальном этапе химико-механической полировки можно получить идеальную поверхность с шероховатостью меньше 0,5 нм (рис.16).
Помимо механического утонения для обработки сборки пластины на носителе могут использоваться следующие химические и физические процессы:
• сухое травление кремния;
• металлизация методом физического осаждения из газовой фазы;
• фотолитография;
• жидкостное травление и чистка с использованием различных кислот и щелочей, таких как разбавленная фторводородная кислота.
Наиболее критичным параметром является температура, которая не должна превышать 300 °C.
После необходимой обработки сборка пластины на носителе, в которой пластина ориентирована лицевой стороной вниз, монтируется на рамку с пленкой и помещается в систему дебондинга DB12T (рис.17). В процессе дебондинга полупроводниковую пластину отделяют от носителя. Механический дебондинг пластины размером 200 мм выполняется при комнатной температуре так же, как и в случае применения материала ZoneBOND: полупроводниковая пластина фиксируется на месте, а носитель поднимается вверх на гибкой пластине. Сила разделения не превышает 500 Н и действует менее 5 мин.
Чистка выполняется в модуле AR12 с помощью мезитилена и завершается промывкой изопропиловым спиртом, как и в процессе с ZoneBOND. При промывке струей мезитилена держатель вращается справа налево в течение 2 с, меняя направление, и растворитель удаляет адгезив с поверхности кремния. Чтобы пленка не была повреждена мезитиленом, процесс чистки должен проходить максимально быстро.
Для ручного удаления рамки с пленкой, после УФ-экспонирования полупроводниковая пластина помещается на вакуумный держатель. При минимальной поддержке струей азота полупроводниковую пластину толщиной 50 мкм можно снять с держателя вручную (рис.18).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Увеличение функциональности систем параллельно с уменьшением размера компонентов требует применения 3D МЭМС-интеграции. Одной из ключевых технологий в производстве 3D ИC является временное сращивание/дебондинг. По сравнению с 3D ИС в МЕМС-интеграции существует ряд сложностей:
• различная функциональность приборов (например, оптические, механические или сочетающие флюидику с электроникой);
• применение разнообразных технологий и материалов (кремний, керамика, стекло, металл или полимеры);
• необходимость обеспечения герметичности чувствительных компонентов;
• использование сквозных отверстий в кремнии с большим аспектным отношением.
В целом можно резюмировать, что стандартного решения не существует, и технология зависит от области применения прибора.
В 3D МЭМС-интеграции получил распространение комплексный двузонный метод ZoneBOND. Однако компания Brewer Science разработала также новый адгезионный материал под названием BrewerBOND, который позволяет выполнять временное сращивание с последующим лазерным или механическим дебондингом, получая полупроводниковые пластины толщиной 50 мкм. Технологический процесс при этом значительно упрощается. Поскольку, в отличие от ZoneBOND, антиадгезионный слой наносится на всю поверхность носителя, отсутствует необходимость жидкостной химической обработки края перед проведением дебондинга. Кроме того, данный материал позволяет использовать при обработке обратной стороны температуру до 300 °C.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Munck K.D. Generic building blocks for 3D integration and their application on hybrid CMOS image sensors. Katholieke Universiteit Leuven: s.n. Dissertation, ISBN: 978-90-5682-940-7.
2. Developpement Y. Thin Wafer, Temporaray Bonding Equipment and Materials Market. 07/2012.
3. Tematys. Thin Wafers, Temporary Bonding Equipment & Materials Market. 2012.
4. BrewerScience Datasheets: BrewerBOND305 and ZoneBOND5150-30.
В ближайшем будущем потребуются новые решения для увеличения производительности, снижения стоимости и уменьшения толщины (примерно до 10 мкм) миниатюрных электронных систем [1]. Утонение полупроводниковых пластин является одним из перспективных решений, облегчающих процесс 3D-интеграции сенсоров и электронных систем. Такие системы состоят из отдельных компонентов, которые установлены друг на друга по вертикали и подключены к сети.
Эффективная терморегуляция и высокая плотность переходных отверстий в кремнии благодаря меньшему отношению сторон – это лишь некоторые из преимуществ утоненных пластин. Однако, уменьшение толщины пластин существенно осложняет их обработку. Ультратонкие кремниевые пластины толщиной менее 50 мкм имеют низкую устойчивость, низкую жесткость при изгибе, кроме того, их нельзя перемещать с помощью стандартного технологического оборудования. Поэтому при их изготовлении, а также для стабилизации во время механической обработки / перемещения, используется временная фиксация пластины со структурой на пластине-носителе [l].
Для утонения используются процессы шлифования, травления и полировки. Двухэтапная шлифовка (грубая и тонкая) удаляет большую часть кремниевого слоя и приводит к образованию дефектов на поверхности. Их можно устранить с помощью жидкостного травления с одновременным восстановлением кристаллической решетки. Последующая химико-механическая полировка позволяет получить идеальную поверхность с Ra < 1 нм.
Один из способов обработки тонких пластин был предложен компанией Brewer Science. Он включает в себя центрифужное нанесение адгезива на полупроводниковую пластину, а на носитель наносится антиадгезионный материал для упрощения отделения утоненной пластины в процессе дебондинга. На рис.1 изображена схема процесса обработки тонких пластин, который рассмотрен в данной работе. Сначала происходит подготовка полупроводниковой пластины и носителя. Затем проводится временное сращивание, утонение и химико-механическое разделение.
В целом, все технологии сращивания пластин делятся на жидкостные и сухие [2]. Адгезивное сращивание относится к группе жидкостных технологий с широким выбором методов для дебондинга. К последним относятся термическое, химическое, лазерное и механическое разделение. На рис.2 представлено краткое описание различных методов временного сращивания при жидкостной и сухой обработке.
К традиционным методам временного сращивания полупроводниковых пластин относится, например, разделение под воздействием температуры. Современные же технологии направлены на разработку методов дебондинга при комнатной температуре. К ним относится ZoneBOND, предложенный компанией Brewer Science, который является комбинацией химического и механического разделения. Основная идея данной технологии заключается в том, что носитель делится на две зоны: в центре формируется область слабого адгезива (зона 1), а по краю – область сильного адгезива (зона 2).
Помимо ZoneBOND компания Brewer Science предлагает новые материалы под различные требования процессов сращивания и разделения. В методе BrewerBOND используется лазерное или механическое разделение. Лазерное разделение оказывает очень слабое воздействие на утоненную пластину, но может проводиться только со стеклянным носителем, прозрачным для лазерного излучения в диапазоне 270 и 360 нм. Адгезивные материалы, которые используются в методах ZoneBOND и BrewerBOND, перечислены в таблице.
При механическом разделении пластин требуется силовое воздействие. Преимуществами механического разделения являются низкие расходы, а также возможность использовать различные типы адгезионного материала. Технологический процесс при механическом разделении гораздо проще, чем при методе ZoneBOND, так как на всю поверхность носителя наносится одинаковый антиадгезионный слой. В результате отсутствует необходимость в жидкостном химическом травлении или лазерной обработке перед дебондингом.
По сравнению с методом ZoneBOND технология BrewerBOND имеет более простые подготовительные шаги. Сравнительный обзор данных технологий представлен на рис.3.
ИСПЫТАНИЯ
Перед нанесением покрытия на полупроводниковую пластину необходимо удалить часть ее кромки со структурой. Предыдущие результаты показывали, что край пластины мало подвержен повреждениям.
Удаление кромки производится на ширину 2 мм и глубину 260 мкм. На рис.4 изображен край 8-дюймовой пластины после обработки. После обработки диаметр полупроводниковой пластины уменьшится на 4 мм.
Опыт с использованием материала ZoneBOND
Центрифужное нанесение покрытия на пластину со структурой и на носитель выполняется на полуавтоматической системе RCD8 от SUSS MicroTec. Полупроводниковая пластина подготавливается с помощью осаждения термопластичного адгезива ZoneBOND 5150-30. После этого выполняется задубливание материала при температуре 230 °C в течение 2 мин. Вязкость адгезива составляет 10 000 сП. Толщина слоя адгезива зависит от скорости вращения держателя. Для создания слоя толщиной 20 мкм требуется скорость вращения 1600 об/мин и примерно 5–10 мл материала (рис.5).
Первым шагом в подготовке пластины-носителя на системе RCD8 является формирование зоны на краю полупроводниковой пластины с помощью адгезива ZoneBOND EM 2320-15. Чрезвычайно важно обеспечить точное центрирование носителя на вакуумном держателе для получения однородного покрытия по краю пластины. Толщина слоя составляет 0,5–3,0 мкм. После сушки при температуре 220 °С в центр носителя наносится слой антиадгезионного материала ZoneBOND ZI 3500-02. Вязкость слоя антиадгезионного материала составляет всего 50 сП в сравнении с 400 сП для ZoneBOND EM 2320-15. Как и в случае подготовки полупроводниковой пластины, толщина слоя на носителе зависит от скорости вращения держателя. Для того чтобы получить слой толщиной 2 мкм, требуется скорость вращения 300 об/мин при нанесении 1,5 мл материала. Ширина адгезива составила примерно 1,5 мм (рис.6).
Последующее адгезивное сращивание проводится с помощью системы SUSS MicroTec SB8. Процесс протекает при невысоком вакууме (<5 бар) с давлением сращивания 170 кН/м2 при температуре 200 °C. На рис.7 изображена сборка пластины на носителе на 200-мм держателе с нанесенным промежуточным слоем толщиной примерно 30 мкм после сращивания в SB8e.
Одним из способов оценки качества поверхности сращивания является микроскопия в инфракрасном свете. На рис.8 представлены два примера пластин после сращивания. На левом изображении видны пустоты между склеенными пластинами, в то время как справа такие пустоты отсутствуют. Для оценки прочности склеивания использовались образцы 5 Ч 5 мм, к которым была приложена поперечная сдвигающая сила до появления трещин на поверхности склеивания. В зоне высокой адгезии при приложении поперечной сдвигающей силы был получен результат около 8 МПа с выходом годных кристаллов более 90% (рис.9). В зоне 1 прочность склеивания и выход годных кристаллов очень низкие по сравнению с зоной 2.
После химической, механической и термической (T < 250 °C) обработок с краевой зоны с помощью мезитилена удаляется адгезионный слой. Затем сборка носителя с полупроводниковой пластиной, обращенной лицевой стороной вниз, монтируется на рамку с пленкой и помещается в дебондер DB 12T.
В системе DB 12T сборка пластины с носителем с обеих сторон фиксируется вакуумом. Механическое разделение полупроводниковой пластины и носителя проводится по С-образному вырезу на краю пластины. Носитель фиксируется выше лезвия и поднимается на гибкой пластине вверх при комнатной температуре. Прижимной ролик перемещается назад и контролирует скорость процесса дебондинга. Схематический чертеж с изображением системы DB 12T представлен на рис.10 и рис.17.
На заключительном шаге полупроводниковая пластина, размещенная на рамке с пленкой, и носитель очищаются комбинированным методом (налив и набрызгивание). Как и в случае со снятием слоя с краев, чистка проводится в модуле SUSS MicroTec AR12 с использованием лимонена или мезитилена с последующей промывкой изопропиловым спиртом. Данный процесс применяется в изготовлении пластин толщиной до 50 мкм (рис.11).
В процессе чистки наливом чистящее устройство воздействует справа налево в течение двух секунд в сочетании с ультразвуковой обработкой. При этом растворитель удаляет адгезив с полупроводниковой пластины. Процесс очистки должен быть максимально быстрым, поскольку мезитилен повреждает чувствительную к УФ-излучению пленку. При чистке наливом слой адгезива полностью удаляется за 15 мин, а пленка теряет свои клеящие свойства после 30 мин в мезитиленовой ванне. Необходимо, чтобы поддерживалось определенное натяжение пленки (рис.12).
Опыт с материалами BrewerBOND
Первым шагом в обработке полупроводниковых пластин с использованием системы RCD8 является нанесение адгезивного материала BrewerBOND 305, который имеет вязкость 6700 сП. Важно, чтобы он наносился без включения пузырей воздуха. Толщина слоя составила 35–50 мкм (система измерения HEIDENHAIN). После задубливания при температуре 220 °C в течение 2 мин без зазора между пластиной и нагревательной плитой пластина была готова к дальнейшей обработке.
Следующим этапом является нанесение слоя BrewerBOND 510 на пластину-носитель. Этот антиадгезионный материал позволяет проводить механический дебондинг при комнатной температуре без риска растрескивания пластины. Согласно документации, при скорости 1 250 об/мин толщина слоя должна составлять 5–6 нм, но эллипсометрические измерения показали величину около 3,5 нм. Числовая модель и карта полупроводниковой пластины после измерения толщины слоя BrewerBOND 510 представлены на рис.13.
Последующее сращивание пластин проводится под вакуумом (< 5 мбар) при давлении 180 кН/м2. Во время ИК-инспекции был обнаружен выход газа (рис.14). В первом случае сращивание проводилось при температуре 200 °C с шагом нагрева и охлаждения 10 К/мин. Во втором случае использовалась выдержка при 100 и 150 °C в течение 20 мин. В последнем случае перед нанесением покрытия проводился нагрев до 200 °C (10 мин).
Последующее утонение полупроводниковой 200-мм пластины выполняется в три этапа (шлифование, травление и химико-механическая полировка). С помощью традиционного процесса шлифовки обратной стороны можно добиться утонения до 50 мкм. Шероховатость кремния после шлифовки составляла примерно 14 нм при толщине полупроводниковой пластины 115 мкм (рис.15).
В целях выравнивания толщины пластины предпочтительно провести тонкую шлифовку. С помощью центробежного травления сглаживаются дефекты и микротрещины поверхности, а также уменьшается ее шероховатость (около 4 нм). На финальном этапе химико-механической полировки можно получить идеальную поверхность с шероховатостью меньше 0,5 нм (рис.16).
Помимо механического утонения для обработки сборки пластины на носителе могут использоваться следующие химические и физические процессы:
• сухое травление кремния;
• металлизация методом физического осаждения из газовой фазы;
• фотолитография;
• жидкостное травление и чистка с использованием различных кислот и щелочей, таких как разбавленная фторводородная кислота.
Наиболее критичным параметром является температура, которая не должна превышать 300 °C.
После необходимой обработки сборка пластины на носителе, в которой пластина ориентирована лицевой стороной вниз, монтируется на рамку с пленкой и помещается в систему дебондинга DB12T (рис.17). В процессе дебондинга полупроводниковую пластину отделяют от носителя. Механический дебондинг пластины размером 200 мм выполняется при комнатной температуре так же, как и в случае применения материала ZoneBOND: полупроводниковая пластина фиксируется на месте, а носитель поднимается вверх на гибкой пластине. Сила разделения не превышает 500 Н и действует менее 5 мин.
Чистка выполняется в модуле AR12 с помощью мезитилена и завершается промывкой изопропиловым спиртом, как и в процессе с ZoneBOND. При промывке струей мезитилена держатель вращается справа налево в течение 2 с, меняя направление, и растворитель удаляет адгезив с поверхности кремния. Чтобы пленка не была повреждена мезитиленом, процесс чистки должен проходить максимально быстро.
Для ручного удаления рамки с пленкой, после УФ-экспонирования полупроводниковая пластина помещается на вакуумный держатель. При минимальной поддержке струей азота полупроводниковую пластину толщиной 50 мкм можно снять с держателя вручную (рис.18).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Увеличение функциональности систем параллельно с уменьшением размера компонентов требует применения 3D МЭМС-интеграции. Одной из ключевых технологий в производстве 3D ИC является временное сращивание/дебондинг. По сравнению с 3D ИС в МЕМС-интеграции существует ряд сложностей:
• различная функциональность приборов (например, оптические, механические или сочетающие флюидику с электроникой);
• применение разнообразных технологий и материалов (кремний, керамика, стекло, металл или полимеры);
• необходимость обеспечения герметичности чувствительных компонентов;
• использование сквозных отверстий в кремнии с большим аспектным отношением.
В целом можно резюмировать, что стандартного решения не существует, и технология зависит от области применения прибора.
В 3D МЭМС-интеграции получил распространение комплексный двузонный метод ZoneBOND. Однако компания Brewer Science разработала также новый адгезионный материал под названием BrewerBOND, который позволяет выполнять временное сращивание с последующим лазерным или механическим дебондингом, получая полупроводниковые пластины толщиной 50 мкм. Технологический процесс при этом значительно упрощается. Поскольку, в отличие от ZoneBOND, антиадгезионный слой наносится на всю поверхность носителя, отсутствует необходимость жидкостной химической обработки края перед проведением дебондинга. Кроме того, данный материал позволяет использовать при обработке обратной стороны температуру до 300 °C.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Munck K.D. Generic building blocks for 3D integration and their application on hybrid CMOS image sensors. Katholieke Universiteit Leuven: s.n. Dissertation, ISBN: 978-90-5682-940-7.
2. Developpement Y. Thin Wafer, Temporaray Bonding Equipment and Materials Market. 07/2012.
3. Tematys. Thin Wafers, Temporary Bonding Equipment & Materials Market. 2012.
4. BrewerScience Datasheets: BrewerBOND305 and ZoneBOND5150-30.
Отзывы читателей
