Kako se ogrevane vakuumske vpenjalne glave uporabljajo pri lepljenju rezin za integracijo 3D IC?

Izziv pri zlaganju številnih plasti tanjših silicijevih rezin v eno samo zmogljivo 3D integrirano vezje je v inženirski natančnosti. Za lepljenje ogrevana keramična vpenjalna glava ohranja spodnjo rezino popolnoma ravno in enakomerno vročo. Druga rezina se postavi in ​​potisne na vrh z nanometrsko natančnostjo. Vpenjalna glava je termični in mehanski temelj celotne operacije. Brez tega neposredna fuzija ali hibridna vezava – ključni dejavniki integracije 3D IC – ne bi bila izvedljiva v proizvodnem obsegu. Če pogledamo aplikacijo 3D IC za lepljenje rezin z vročim vakuumom, lahko vidimo, kako se natančna obdelava in prefinjeni materiali združijo, da omogočijo polprevodniško embalažo naslednje generacije.

Vloga ogrevane vakuumske vpenjalne glave pri lepljenju rezin
3D integracija IC vključuje spajanje številnih stanjšanih silicijevih rezin (ali nizov-na-rezin) v eno samo napravo z navpičnimi povezavami. V glavnem se uporabljata dve metodi lepljenja:

Neposredna fuzijska lepitev: Dve čisti, ravni silikonski rezini sta povezani skupaj pri povišani temperaturi (običajno 200–400 stopinj) brez kakršnega koli vmesnega lepila. Van der Waalsove sile začnejo vezavo, čemur sledi žarjenje, da se ustvarijo kovalentne povezave Si–Si ali SiO2–SiO2.

Hibridno spajanje: Različica, ki uporablja dielektrično--dielektrično (SiO 2 ) in kovinsko--kovinsko (pogosto bakreno) povezovanje v eni fazi, da se hkrati doseže mehanska pritrditev in električne medsebojne povezave. To zahteva še boljšo homogenost temperature in ravnosti.

V obeh primerih je spodnja rezina nameščena na ogreto vakuumsko vpenjalno glavo. Vpenjalna glava mora zagotoviti:

Zelo ravno (globalna zvitost < 1–2 µm na 300 mm rezini)

Enakomerno ogrevanje (variacija temperature < ±0,5ºC po celotnem območju)

Zanesljivo držanje vakuuma, brez ustvarjenih delcev

Čisto, združljivo z visokim vakuumom

Materiali: aluminijev nitrid, vpenjalna glava iz silicijevega karbida
Običajno je telo vpenjalne glave izdelano iz visoko zmogljive-tehnične keramike. Na tem področju prevladujeta dva materiala:

Aluminijev nitrid (AlN) – Pogosto se daje prednost, saj je njegov koeficient toplotnega raztezanja (CTE) zelo blizu silicijevemu (AlN: ~4,5 x 10-6/stopinja, Si: ~2,6 x 10-6/stopina). Tesno ujemanje CTE zmanjša toplotno obremenitev med cikli ogrevanja in hlajenja, kar zmanjša zvijanje rezin in preprečuje poškodbe veznega vmesnika. AlN ima tudi visoko toplotno prevodnost 140-180 W/m·K, kar omogoča hiter in enakomeren prenos toplote od implantiranih grelnikov do rezine.

Silicijev karbid (SiC) - Za uporabo pri še višjih temperaturah (do 500–600 stopinj) ali kadar je potrebna velika togost. SiC ima nekoliko višjo toplotno prevodnost (200–250 W/m·K), vendar nižji CTE (približno 4,0 × 10-6 / stopinja), kar kljub temu omogoča razumno ujemanje s silicijem. SiC je trši in bolj odporen proti obrabi kot AlN, vendar je tudi težji za obdelavo in dražji.

Oba materiala sta tudi dobra električna izolatorja, ki odpravljata kakršen koli uhajajoči tok, ki bi lahko poškodoval občutljivo vezje na rezini ali motil senzorje za poravnavo.

Vgrajen vzorec upora za notranji ogrevalni sistem
Notranji uporovni grelniki z vzorcem so vključeni neposredno v keramično vpenjalno glavo za enakomerno segrevanje. Med proizvodnjo se na plast keramične podlage natisne ali naprši tanek film ali sled debelega filma visokotemperaturne kovine (pogosto molibdena (Mo) ali platine (Pt)). Druga keramična plast je nato pritrjena ali so{2}}žgana čez sled, ki pokriva grelec.

Vzorec grelnika je skrbno izdelan (običajno več{0}}conska spirala ali koncentrični obroči) za kompenzacijo toplotnih izgub na robu in sredini vpenjalne glave. Vsako cono je mogoče nadzorovati neodvisno, kar vam omogoča natančno-nastavitev temperaturnega profila. Dobljena temperaturna homogenost v premeru 300 mm se pogosto vzdržuje na ±0,5 stopinje ali več-, kar je kritično za hibridno lepljenje, kjer se morajo bakrene blazinice po toplotnem raztezanju poravnati v desetinah nanometrov.

Vpenjalne glave, ki jih je mogoče segreti na 400 stopinj, so opremljene s platinastimi grelci. Platina je odporna proti oksidaciji in ima trajno odpornost pri visokih temperaturah. Molibden je odličen za delo v vakuumu ali inertnem okolju do približno 350 stopinj.

Vakuumski žlebovi: natančno držanje-
Mreža plitvih utorov se uporablja za ustvarjanje vakuuma, ki drži rezino ravno ob površini vpenjalne glave. Običajno so ti utori lasersko vrezani v keramično površino le nekaj mikrometrov globoko (npr. 5–15 µm) in široki 200–500 µm. Laserska obdelava omogoča pridobitev natančnih robov brez-robov, kar je ključna točka za preprečevanje nastajanja delcev.

Razporeditev utorov je prilagojena tako, da se doseže enakomerno sesanje po celotni zadnji strani rezine, medtem ko večina površine ostane v neposrednem stiku z vpenjalno glavo za učinkovit prenos toplote. Pogosti vzorci vključujejo:

Radialni kanali, ki vodijo iz centralne vakuumske odprtine

Koncentrični obroči, povezani z radialnimi naperami

Mrežni nizi ali nizi v obliki satja za zelo tanke ali močno deformirane rezine

Raven vakuuma se skrbno spremlja - premalo sesanja in rezin se lahko dvigne ali upogne; preveč in rezina je lahko lokalno zvita ali pa lahko vakuumski utori pustijo sledi na hrbtni strani rezine (napaka, imenovana "znak vakuumske vpenjalne glave").

Visoke zahteve glede vakuuma in čistoče
Celoten vpenjalni sklop je nameščen v visoko-vakuumski komori za lepljenje, ki je ultra-čista. Da bi se izognili oksidaciji veznih površin in odstranili ujete plinske žepe na veznem vmesniku, se običajno uporabljajo tlaki v območju od 10⁻⁵ do 10⁻⁷ mbar.

Brez ustvarjanja delcev. Vsak delec, večji od nekaj nanometrov na površini vpenjalne glave ali dodan med rokovanjem, bo povzročil praznino v veznem kontaktu. Takšne praznine vodijo do mehanske šibkosti, električnih odprtih tokokrogov (pri hibridni vezavi) in izgube donosa. Vpenjalna glava je torej izdelana v okolju čistih prostorov razreda 1 (ISO 3), pri čemer so vsi materiali izbrani glede na njihovo odpornost na izločanje plinov in obrabo. Keramične vpenjalne glave se pogosto čistijo z megasoničnim postopkom ali s snežnim curkom CO2.

Opomba o natančnosti: Pomen površinske kontaminacije
Na površini vpenjalne glave ne sme biti delcev, večjih od nekaj nanometrov, ki bi tvorili praznino v veznem stiku. Celo en sam 50 nm delec lahko lokalno dvigne dve rezini narazen in zavre vezavo na območju, širokem na stotine mikronov. Takšno napako, imenovano "praznina vezi", je mogoče zaznati z skenirno akustično mikroskopijo in povzroči, da je matrica ali povezava brez vrednosti. Ogrevane vakuumske vpenjalne glave se redno preverjajo s samodejnim štetjem optičnih delcev in se zato z njimi ravna samo v ultra-čistih pogojih.

Integracija z orodji za poravnavo in lepljenje
Ogrevana vakuumska vpenjalna glava je vgrajena v orodje za lepljenje rezin, ki običajno obsega:

Zgornja vpenjalna glava (včasih pasivna ali tudi ogrevana) za zadrževanje zgornje rezine

Stopnja poravnave s piezo aktuatorji za poravnavo-na-rezini pod 50 nm.

Tlačni mehanizem za uporabo vezne sile (običajno 10–100 kN na 300 mm rezino)

Optične ali infrardeče kamere za zaznavanje skoznjih oznak poravnave rezin

Spodnja rezina se namesti na ogreto vpenjalno glavo, zagotovljen je vakuum, vpenjalna glava pa se med lepljenjem segreje na ciljno temperaturo (npr. 300 stopinj za hibridno lepljenje). Zgornjo rezino poravnamo in spravimo v stik. Vezava se širi kot val od središča navzven. Vpenjalna glava se nato ohladi pod reguliranimi pogoji, da se zmanjša preostala napetost po lepljenju.

Sklepi: 3D integracija toplotne in mehanske osnove
Ogrevana vakuumska vpenjalna glava je zmagoslavje toplotnega, mehanskega in materialnega inženirstva, ki omogoča navpično zlaganje čipov za napajanje najmočnejših sistemov umetne inteligence in visoko{0}}zmogljivih računalniških sistemov. Ponuja visoko ravnost, homogeno segrevanje do 400 stopinj in čisto površino brez-delcev, s čimer posamezne silicijeve rezine spremeni v eno večnamensko 3D napravo. Ploskost ene same keramične plošče, merjena v nanometrih v razponu 300 mm, lahko na koncu definira zmogljivost superračunalnika. Ker se integracija 3D IC širi na vedno več plasti in finejših povezav, bo ogrevana vakuumska vpenjalna glava ostala bistveno orodje, ki tiho omogoča tretjo dimenzijo silicija.