Loading article…
熱圧着接合は、ウェーハ接合技術の一種で、拡散接合、圧力接合、熱圧着溶接、固体溶接とも呼ばれます。金と金（Au）などの2つの金属に、力と熱を同時に加えることで原子接触させます。[1]拡散には、原子運動による表面間の原子接触が必要です。原子は、結晶格子の振動に基づいて、1つの結晶格子から他の結晶格子に移動します。[2]この原子相互作用により、界面がくっつきます。[1] 拡散プロセスは、次の3つのプロセスで説明されます。
この方法は、表面実装プロセス以外の追加ステップなしで、デバイスパッケージを保護する内部構造と直接的な電気相互接続構造を可能にします。[3]
概要
熱圧着接合に最もよく使用される材料は、拡散速度が高いことから銅（Cu）、金（Au）、アルミニウム（Al）です[1] 。 [4]さらに、アルミニウムと銅は比較的柔らかい金属であり、延性にも優れています。
Al または Cu との接合には、十分な気密性を確保するために 400 °C 以上の温度が必要です。さらに、アルミニウムは広範囲に堆積する必要があり、酸化物を貫通できないため、 表面の酸化物を貫通するには大きな力を加える必要があります。
拡散に金を使用する場合、接合を成功させるには約300℃の温度が必要です。AlやCuと比較すると、金は酸化物を形成しません。これにより、接合前の表面洗浄手順を省略できます。[1]
銅の場合、ダマシンプロセスが非常に複雑であるという欠点があります。[5]また、すぐに表面酸化物が形成されますが、これはギ酸 蒸気洗浄によって除去できます。酸化物の除去は表面の不動態化としても機能します。
これらの金属の拡散には、結果として生じる応力を防ぐために、2つのウェーハ間のCTEの差を十分に理解する必要があります。 [1]したがって、同期したウェーハ膨張のためには、両方のヒーターの温度を一致させ、中心から端まで均一にする必要があります。[2]
手続きの手順
事前調整
金属膜中の酸化と不純物は拡散速度を低下させることで拡散反応に影響を与える。そのため、酸化物除去と再酸化防止のステップを伴うクリーンな堆積法と接合が適用される。[6]酸化物層の除去は、さまざまな酸化物エッチング化学法によって実現できる。ギ酸蒸気洗浄などのドライエッチングプロセスは、液体への浸漬とそれに伴う不動態化層または接着層のエッチングを最小限に抑えられるため好ましい。 [5] CuとAlに特に必要なCMPプロセスを使用すると、数ナノメートル程度の微細な粗さを持つ平坦化された表面が作成され、ボイドのない拡散接合を実現できる。[7]さらに、UVオゾン曝露などの有機物除去用の表面処理も可能である。[8]
プラズマ表面前処理などの方法は、表面接触の増加に基づいて拡散速度を加速します。[2]また、超平坦化ステップの使用は、拡散に必要な材料輸送の減少により接合を改善すると考えられています。この改善は、定義された高さのCu、Au、Snに基づいています。[9]
証言録取
金属膜は、蒸着、スパッタリング、電気めっきによって堆積させることができる。蒸着とスパッタリングは、不純物が限られた高品質の膜を生成するが、処理速度が遅いため、マイクロメートルやサブマイクロメートルの層厚に用いられる。電気めっきは厚い膜によく使用され、膜の粗さと層の純度を注意深く監視し、制御する必要がある。[5]
金膜は酸化物や窒化物などの拡散バリア膜上に堆積させることもできる。[8]また、Ta、Cr、W、Tiなどのナノ結晶金属膜を追加すると、印加圧力と接合温度を下げた状態で拡散接合部の接着強度を高めることができる。[4]
ボンディング
選択された温度と加えられた圧力の要因は拡散速度に依存する。拡散は格子振動によって結晶格子間で起こる。原子は自由空間、つまり汚染や空孔を飛び越えることはできない。最も速い拡散プロセス（表面拡散）の他に、粒界拡散とバルク拡散が存在する。[5]
表面拡散は原子拡散とも呼ばれ、原子が自由エネルギーを利用して表面から表面へ移動する、表面界面に沿ったプロセスを表します。
粒界拡散とは、自由原子格子空間における原子の自由な移動を指します。これは、多結晶層と、原子格子と粒の不完全な一致の境界に基づいています。
バルク結晶を通じた拡散は、格子内の原子または空孔の交換によって混合を可能にする。バルク拡散は材料の融点の30～50%から始まり、温度とともに指数関数的に増加する。[6]
拡散プロセスを可能にするために、高い力が加えられ、フィルムの表面の凹凸が塑性変形し、金属の反りや歪みが減少します。[5]さらに、加えられる力とその均一性は重要であり、ウェーハの直径と金属の密度特性に依存します。力の均一性が高いと、必要な総力が減り、応力勾配と脆弱性に対する感受性が軽減されます。[2]接合温度は、より高い圧力を加えることで下げることができ、その逆も同様です。これは、高圧が構造材料やフィルムへの損傷の可能性を高めることを考慮すると可能です。[8]
接合プロセス自体は真空またはN2などの形成ガス環境で行われます。[10]圧力雰囲気は熱伝導をサポートし、ウェーハの垂直方向の熱勾配と再酸化を防ぎます。[2] 2つのウェーハ間の熱膨張差を制御するのは難しいため、精密な位置合わせと高品質の固定具が使用されます。[10]
最も確立された金属の接合設定は次のとおりです（200 mmウェーハの場合）：[1]
- アルミニウム（Al）
- 接合温度は400～450℃、印加力は70kN以上、接合時間は20～45分
- 金（Au）
- 接合温度は260～450℃、印加力は40kN以上、接合時間は20～45分
- 銅（Cu）
- 接合温度は380～450℃程度で、20～80kNの力で20～60分間接合する。
例
1. 熱圧着接合はCMOS業界で定着しており、垂直統合デバイスやより小型のフォームファクタのウェーハレベルパッケージの製造に使用されています。[10]この接合手順は、圧力センサー、加速度計、ジャイロスコープ、RF MEMSの製造に使用されています。 [8]
2. 一般的に、熱圧着接合は、硬質表面接合ツールによって接合面に熱と圧力を加えることによって行われます。コンプライアント接合[11]は、熱と圧力がコンプライアントまたは変形可能な媒体を介して伝達されるため、金のリードと金の表面の間にこのタイプの固体接合を形成するユニークな方法です。コンプライアント媒体を使用すると、ワイヤの変形の程度を制御することで、リードの物理的完全性が確保されます。また、このプロセスでは、コンプライアント媒体によってすべてのリードワイヤが確実に接触して変形するため、さまざまな寸法の複数の金ワイヤを同時に接合することもできます。
技術仕様
参照
参考文献
- ^ abcdef Farrens, S. (2008). 3D 統合および MEMS ウェーハレベル接合のための最新の金属技術 (レポート). SUSS MicroTec Inc.
- ^ abcde Farrens, S. (2008). 「3D IC 向けウェーハボンディング技術と戦略」。Tan, CS、Gutmann, RJ、Reif, LR (編)。ウェーハレベル 3D IC プロセス技術。集積回路およびシステム。Springer US。pp. 49–85。doi :10.1007/978-0-387-76534-1。
- ^ Jung, E.、Ostmann, A.、Wiemer, M.、Kolesnik, I.、Hutter, M. (2003)。「MEMS CSP の保護キャップを組み立てるためのはんだ付けシーリングプロセス」。MEMS / MOEMS の設計、テスト、統合、パッケージングに関するシンポジウム 2003。pp. 255–260。doi :10.1109/DTIP.2003.1287047。
{{cite conference}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ ab Shimatsu, T. & Uomoto, M. (2010). 「薄いナノ結晶金属膜によるウェーハの原子拡散接合」。真空科学技術ジャーナル B。28 (4): 706–714。doi :10.1116/1.3437515。
- ^ abcde Farrens, Shari & Sood, Sumant (2008). 「ウェーハレベルパッケージング：デバイス要件と材料特性のバランス」（PDF）。IMAPS。国際マイクロエレクトロニクスおよびパッケージング協会。
- ^ ab Farrens, S. (2008). 「金属ベースのウェーハレベルパッケージング」Global SMT & Packaging。
- ^ ab Wiemer, M. および Frömel, J. および Chenping, J. および Haubold, M. および Gessner, T. (2008). 「ウェーハボンド技術と品質評価」.第 58 回電子部品技術会議 (ECTC) . pp. 319–324. doi :10.1109/ECTC.2008.4549989.
{{cite conference}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ abcd Tsau, CH および Spearing, SM および Schmidt, MA (2004). 「ウェーハレベル熱圧着接合の特性評価」Journal of Microelectromechanical Systems . 13 (6): 963–971. doi :10.1109/JMEMS.2004.838393.
{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ Reinert, W. & Funk, C. (2010). 「平面化金属構造による 3D MEMS 統合のための Au-Au 熱圧着接合」。3D 統合のための低温接合に関する国際 IEEE ワークショップ。
- ^ abc Farrens, S. (2009). ウェーハレベルパッケージングのための金属ベースのウェーハ接合技術。MEMS Industry Group (レポート)。第 4 巻。SUSS MicroTec Inc.
- ^ A.Coucoulas、「Compliant Bonding」議事録 1970 IEEE 20th Electronic Components Conference、pp. 380-89、1970 年。http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf https://www.researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper