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共晶接合は共晶はんだ付けとも呼ばれ、共晶系を生成できる中間金属層を使用したウェーハ接合技術を指します。これらの共晶金属は、特定の組成と温度で、液体と固体の二相平衡を経ることなく、固体から液体へ、またはその逆に直接変化する合金です。共晶温度が 2 つ以上の純粋な元素の融点よりもはるかに低くなる可能性があるという事実は、共晶接合において重要です。[要出典]
共晶合金は、スパッタリング、デュアルソース蒸発、または電気メッキによって堆積されます。また、純粋な材料の拡散反応とそれに続く共晶組成物の溶融によっても形成されます。[2]
1992年にVenkatasubramanianらによって、GaAs-AlGaAsなどのエピタキシャル材料をSi基板上に高収率で転写する共晶接合が開発され、報告された。これは、光電子工学とSiエレクトロニクスの統合の一般的な目的のためであり、ヘテロエピタキシーにおける格子不整合などの基本的な問題を克服するためでもある。また、1994年には同じグループによって、共晶接合されたGaAs-AlGaAs材料の太陽電池への性能がさらに検証され、報告された。[3] [4]
共晶接合は、気密封止されたパッケージと電気的相互接続を単一のプロセスで生成することができます（超音波画像を比較してください）[詳細な説明が必要]。この手順は低温で行われるため、最終組み立て時に生じる結果的な応力が低くなり、接合強度が高く、製造歩留まりが高く、信頼性が高くなります。これらの特性は、基板間の熱膨張係数に依存します。[1]
共晶接合にとって最も重要なパラメータは次のとおりです。
- 接合温度
- 結合期間
- ツール圧力[要出典]
概要
共晶接合は、シリコン（Si）がさまざまな金属と合金化し、共晶系を形成する能力に基づいています。最も確立された共晶形成は、金（Au）またはアルミニウム（Al）とのSiです。[5]この接合手順は、Au / Alフィルムでコーティングされ、部分的に接着層でコーティングされたSiまたはガラスウェーハに最も一般的に使用されます（次の画像と比較）。
Si-Au 合金は、共晶温度が非常に低いこと、ダイボンディングで既に広く使用されていること、Al 配線との互換性があるなどの利点があります。[6]さらに、半導体製造におけるウェーハボンディングによく使用される共晶合金を表に示します。適切な合金の選択は、処理温度と使用する材料の互換性によって決まります。[7]
さらに、この接合は、直接接合よりも基板の粗さや平坦性に関する制約が少ない。陽極接合と比較して、静電MEMSに悪影響を与える可能性のある高電圧は不要である。さらに、共晶接合手順では、有機中間層との接合よりもガス放出と気密性が向上します。[10]ガラスフリット接合と比較して、シールリングの形状の縮小、気密性レベルの向上、デバイスサイズの縮小が可能になるという利点が際立っています。共晶シールの形状は、厚さ1〜5μm、幅> 50μmが特徴です。共晶合金を使用すると、電気伝導性と再配線層とのインターフェースを実現できるという利点があります。
共晶接合の温度は使用する材料によって異なります。接合は特定の重量％と温度で行われ、例えばAu中間層の場合は2.85重量％Siで370℃になります（状態図と比較）。[5]
共晶接合の手順は以下のステップに分かれている。[11]
- 基板処理
- 接合前の調整（酸化物除去など）
- 接着プロセス（温度、数分間にわたる機械的圧力）
- 冷却プロセス
手続きの手順
前処理
表面処理は共晶接合を成功させるための最も重要なステップです。処理前はシリコン表面の酸化物が拡散バリアとして機能し、共晶金属接合は清浄なシリコンに対して形成されなければなりません。[6] [12]
既存の自然酸化膜を除去するには、ウェットケミカルエッチング（HFクリーン）、ドライケミカルエッチング、またはさまざまなタイプの結晶を使用した化学蒸着（CVD）を使用できます。また、一部のアプリケーションでは、H 2プラズマやCF 4プラズマなどのドライ酸化物除去プロセスを使用した表面前処理が必要です。[1]
不要な表面膜、つまり酸化物を除去するためのもう1つの方法は、接合プロセス中に超音波を適用することです。[13]ツールが下ろされるとすぐに[どこで？ ]ウェハと基板の間に相対的な振動が適用されます。一般的に、工業用ボンダーは60KHzの振動周波数と100μmの振動振幅の超音波を使用します。[14]酸化物の除去が成功すると、しっかりとした密閉された接続が得られます。[5]
共晶金属が Si ウェーハに確実に付着するようにする 2 番目の方法は、接着層を使用することです。この薄い中間金属層は、酸化物と共晶金属によく付着します。Au-Si 化合物に適した金属はチタン (Ti) とクロム (Cr) で、たとえば Si-SiO 2 -Ti-Au または Si-SiO 2 -Cr-Au になります。接着層は、使用材料へのシリコンの拡散によって酸化物を分解するために使用されます。一般的なウェーハは、酸化物、30 - 200 nm の Ti または Cr 層、および 500 nm を超える厚さの Au 層を含むシリコン ウェーハで構成されています。[引用が必要]
ウェーハ製造では、拡散バリアとして金と基板ウェーハの間にニッケル（Ni）または白金（Pt）層が追加されます。[10]拡散バリアはAuとTi / Crの相互作用を防ぎ、信頼性が高く均一な結合を形成するためにより高い温度を必要とします。さらに、チタンとクロムへのシリコンの溶解度が非常に限られているため、チタンを介して金にシリコンが拡散することに基づくAu-Si共晶組成の形成が妨げられる可能性があります。[説明が必要] [6]
共晶材料と任意の接着層は、通常、二成分電気めっき、二元蒸着（物理蒸着）、または複合合金スパッタリングによって1つの層に合金として堆積することによって結合されます。[12]
シリコンの最も確立されたAu層の汚染物質の除去は、水洗浄とウェハ加熱を使用して行うことができます。[理解不能] [1]
接合プロセス
基板の接触は、酸化物の再生を避けるために表面の前処理後に直接行われます。酸化金属（Au以外）の接合手順は、通常、4％の水素と不活性キャリアガス（窒素など）の流れの還元雰囲気で行われます。接合装置に求められるのは、ウェーハ全体の熱と圧力の均一性です。これにより、シールラインを均一に圧縮できます。[2]
基板は加熱ステージ上に整列して固定され、シリコン ウェーハは加熱ツール内に置かれます。接合チャンバーに挿入された基板は、整列を維持したまま接触します。層が原子的に接触するとすぐに、それらの間の反応が始まります。反応を促進するために、機械的な圧力が加えられ、共晶温度を超える加熱が行われます。[1]
接合温度の上昇とともに、金のシリコン基板への拡散性と溶解性は増大する。接合には共晶温度よりも高い温度が通常望ましい。これにより、より厚いAu-Si合金層が形成され、共晶結合がさらに強くなる可能性がある。[15]
拡散は、層が高温で原子接触するとすぐに始まります。[1]共晶複合体を含む接触表面層は溶融し、液相合金を形成し、飽和組成に達するまでさらなる混合プロセスと拡散を加速します。[16] [17]
ウェーハ接合に一般的に使用される他の共晶接合合金には、Au-Sn、Al-Ge、Au-Ge、Au-In、Cu-Snなどがあります。[9]
選択される接合温度は通常、共晶温度より数度高いため、原子と接触していない表面領域の粗さが大きくなるため、溶融物の粘性が低くなり、容易に流れます。[12]溶融物が接合界面の外側に押し付けられるのを防ぐために、接合パラメータ制御の最適化（たとえば、ウェーハへの力の低減）が必要です。そうしないと、使用されているコンポーネント（電気的および機械的）の短絡やデバイス故障につながる可能性があります。[1]ウェーハの加熱により、金表面上に微細なシリコンマイクロ構造が形成されるため、表面テクスチャが変化します。[17]
冷却プロセス
温度が共晶点以下に低下するか、濃度比が変化すると、材料混合物は凝固します（Si-Auの場合：T < 370 °C）。[1]凝固により、シリコン基板上にシリコンと金がエピタキシャル成長し、多結晶金合金から突き出た多数の小さなシリコン島が形成されます（接合界面の断面画像と比較）。[6]これにより、接合強度は約70 MPaになります。
重要なのは、適切なプロセスパラメータ、つまり十分な接合温度制御です。[17]そうでなければ、熱膨張係数の不一致によって生じる応力により接合部に亀裂が生じます。この応力は時間の経過とともに緩和されます。[6]
潜在的な用途
この手法は接合強度が高いため、圧力センサーや流体工学に特に適しています。複数のウェーハにまたがる電子的または機械的な機能を備えたマイクロメカニカルセンサーやアクチュエーターを製造することができます。[17] [より良い情報源が必要]
参考文献
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