CC BY
3КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 621.793:546.28
Влияние режимов термообработки на прочность соединения пластин кремния
М.В. Кислицин, М.А.Королёв
Национальный исследовательский университет «МИЭТ.»
Создание трехмерных ИС (3Д ИС) [1] - перспективное направление развития микроэлектроники. Особенностью конструкции таких изделий является способ сращивания двух и более полупроводниковых пластин или кристаллов с уже сформированными в них элементами интегральной схемы. Такое сращивание возможно с помощью «бондинга», когда две окисленные кремниевые пластины подвергаются термокомпрессионной обработке [2]. Однако такой метод требует использования высоких (выше 1000 °С) температур, что приводит к деградации параметров уже сформированных в кремниевых пластинах элементов ИС. Поэтому актуальны исследование и разработка низкотемпературного метода сращивания. В работе [3] исследован процесс формирования пленки окисла кремния из раствора тетраэтоксисилана золь-гель методом.
Для сращивания кремниевых пластин при низких температурах исследован метод соединения пластин с использованием золь-гель технологии при формировании межслоя оксида кремния из растворной композиции при относительно низких температурах.
Оценка прочности соединения материалов возможна разными методами. Ключевым моментом методов измерения адгезионной прочности является определение приложенного внешнего усилия, под действием которого в адгезионном соединении возникают нормальные и тангенциальные напряжения, приводящие к разрушению соединения. Из существующих методов неравномерного
Рис.1. Схема испытания одностороннего соединения на сдвиг сжимающей нагрузкой: 1 - чип размером 2 х 3 мм; 2 - межслой адгезива; 3 - кремниевая подложка диаметром 75 мм; 4 - поверхность упора
© М.В. Кислицин, М.А.Королёв, 2014
Краткие сообщения
отрыва, равномерного отрыва и метода сдвига для оценки прочности соединения выбран метод сдвига (рис.1), широко используемый при измерении величины адгезии двух материалов [4].
Оценка качества соединения характеризуется не только величиной адгезии, но и типом нарушения связи между поверхностями компонентов или характером разрушения. На рис.2 представлены виды разрушения адгезионных соединений.
Эксперимент заключался в следующем. С помощью центрифуги на кремниевую пластину наносились пленки геля из растворной композиции. Затем на поверхность подложки помещался кремниевый кристалл, проводилась термообработка с варьированием температуры и длительности процесса. Далее оценивалась прочность возникающего в результате золь-гель преобразования материала соединения образцов. Температура изменялась от 200 до 1000 °С, время - от 1 до 20 ч. На рис.3 приведены графики полученных зависимостей.
С помощью золь-гель технологии и последующей термообработки можно соединить две пластины кремния с сопротивлением сдвига 70 кг/см2, что близко по значению к прочности соединений с использованием эпоксидных клеев. Независимо от времени термообработки (1 ч и более) прочность соединения достигает максимального значения при температуре 700 °С. При температуре 400 °С, когда диффузионные процессы в полупроводнике, приводящие к деградации параметров приборов, пренебрежимо малы, уже через 1 ч термообработки достигается прочность соединения 50 кг/см Это вполне приемлемо для практического применения. При увеличении времени термообработки при данной температуре прочность соединения соответственно увеличивается. Увеличивая время термообработки, можно снизить температуру процесса до 250 °С, при этом достигается прочность соединения выше 40 кг/см2, что вполне достаточно для ряда практических применений.
При испытании образцов в большинстве случаев выявлен смешанный вид разрушения адгезионного соединения, что свидетельствует о высокой адгезии промежуточного слоя матриала к поверхностям соединяемых кремниевых пластин.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Договор №02.G25.31.0059 от 08.04.2013 г.)
Литература
1. Garrou P., Bower C., Ramm P. Handbook of 3D integration: Technology and аррНсайоп of 3D integrated circuits // Wiley-VCH. - 2008. - Vol. 1. - 269 p.
2. Королёв М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Ч. 1. Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 400 с.
3. Кислицин М.В., Королёв М.А., Красюков А.Ю. Исследование процесса формирования пленки оксида кремния из раствора тетраэтоксисилана золь-гель методом // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - № 2. - С. 17-22.
4. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1984. - 319 с.
Поступило 2 октября 2013 г.
Кислицин Максим Валерьевич - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: трехмерные интегральные микросхемы. E-mail: maks20053@inbox.ru
Королёв Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор, заместитель декана факультета электроники и компьютерных технологий МИЭТ. Область научных интересов: разработка конструкций и технологий полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, методология преподавания в высшей школе.
Рис.3. Зависимость прочности соединения кремниевых образцов от температуры обработки структур при различном времени проведения процесса: 1 - 1 ч; 2 - 3 ч; 3 - 5 ч; 4 - 10 ч; 5 - 15 ч; 6 - 20 ч
