3डी आईसी एकीकरण के लिए वेफर बॉन्डिंग में गर्म वैक्यूम चक का उपयोग कैसे किया जाता है?

पतली सिलिकॉन वेफर्स की कई परतों को एक एकल, शक्तिशाली 3डी एकीकृत सर्किट में जोड़ने की चुनौती इंजीनियरिंग परिशुद्धता में निहित है। बंधन के लिए, एक गर्म सिरेमिक चक निचले वेफर को बिल्कुल सपाट और समान रूप से गर्म रखता है। एक दूसरा वेफर तैनात किया जाता है और नैनोमीटर सटीकता के साथ शीर्ष पर धकेल दिया जाता है। चक पूरे ऑपरेशन का थर्मल और मैकेनिकल आधार है। इसके बिना, प्रत्यक्ष संलयन या हाइब्रिड बॉन्डिंग - 3डी आईसी एकीकरण के महत्वपूर्ण प्रवर्तक - उत्पादन पैमाने पर व्यवहार्य नहीं होंगे। हॉट वैक्यूम चक वेफर बॉन्डिंग 3डी आईसी एप्लिकेशन को देखते हुए, हम देख सकते हैं कि अगली पीढ़ी के सेमीकंडक्टर पैकेजिंग को सक्षम करने के लिए सटीक मशीनिंग और परिष्कृत सामग्री एक साथ कैसे आती हैं।

वेफर बॉन्डिंग में गर्म वैक्यूम चक की भूमिका
3डी आईसी एकीकरण में कई पतले सिलिकॉन वेफर्स (या वेफर स्टैक्स) को वर्टिकल इंटरकनेक्ट के साथ एक डिवाइस में जोड़ना शामिल है। मुख्य रूप से दो संबंध विधियों का उपयोग किया जाता है:

प्रत्यक्ष संलयन बंधन: दो साफ, सपाट सिलिकॉन वेफर्स बिना किसी मध्यस्थ गोंद के बढ़े हुए तापमान (आमतौर पर 200-400 डिग्री) पर एक साथ जुड़े होते हैं। वैन डेर वाल्स बल बंधन शुरू करते हैं, इसके बाद सहसंयोजक Si-Si या SiO2-SiO2 लिंक उत्पन्न करने के लिए एनीलिंग करते हैं।

हाइब्रिड बॉन्डिंग: एक ऐसा संस्करण जो मैकेनिकल अटैचमेंट और इलेक्ट्रिकल इंटरकनेक्ट दोनों को समवर्ती रूप से प्राप्त करने के लिए एक ही चरण में डाइइलेक्ट्रिक {{0} से {{1} डाइइलेक्ट्रिक (SiO 2)) और मेटल {{3} से - मेटल (अक्सर तांबा) बॉन्डिंग का उपयोग करता है। इसके लिए तापमान और समतलता की अभी भी बेहतर एकरूपता की आवश्यकता है।

दोनों ही परिस्थितियों में निचले वेफर को गर्म वैक्यूम चक पर रखा जाता है। चक को प्रदान करना होगा:

बहुत सपाट (वैश्विक वारपेज <300 मिमी वेफर में 1-2 µm)

एकसमान तापन (संपूर्ण क्षेत्र में तापमान भिन्नता < ±0.5ºC)

भरोसेमंद वैक्यूम पकड़, शून्य कण बनाए गए

स्वच्छ, उच्च वैक्यूम संगत

सामग्री: एल्यूमिनियम नाइट्राइड, सिलिकॉन कार्बाइड चक
आम तौर पर चक की बॉडी उच्च प्रदर्शन वाले तकनीकी सिरेमिक में बनाई जाती है। इस क्षेत्र में दो सामग्रियों का प्रभुत्व है:

एल्युमीनियम नाइट्राइड (AlN) - इसे अक्सर पसंद किया जाता है क्योंकि इसका तापीय विस्तार गुणांक (CTE) सिलिकॉन के बहुत करीब होता है (AlN: ~4.5 x 10-6/ डिग्री, Si: ~2.6 x 10-6/ डिग्री)। क्लोज सीटीई मैच हीटिंग और कूलिंग चक्र के दौरान थर्मल तनाव को कम करता है जो वेफर वॉरपेज को कम करता है और बॉन्ड इंटरफेस को नुकसान से बचाता है। AlN में 140-180 W/m·K की उच्च तापीय चालकता भी है, जो प्रत्यारोपित हीटरों से वेफर तक तेज़ और समान ताप संचरण की अनुमति देती है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) - उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए (500-600 डिग्री तक) या जब बड़ी कठोरता की आवश्यकता होती है। SiC में कुछ हद तक उच्च तापीय चालकता (200-250 W/m·K) है, लेकिन कम CTE (लगभग 4.0 ×10−6/डिग्री) है जो फिर भी सिलिकॉन को एक उचित मेल देता है। SiC, AlN की तुलना में अधिक सख्त और घिसाव प्रतिरोधी है, लेकिन इसे संसाधित करना भी कठिन है और अधिक महंगा है।

दोनों सामग्रियां अच्छे विद्युत इन्सुलेटर भी हैं, जो किसी भी लीकेज करंट को खत्म करते हैं जो वेफर पर नाजुक सर्किटरी को नुकसान पहुंचा सकता है या संरेखण सेंसर में हस्तक्षेप कर सकता है।

आंतरिक हीटिंग सिस्टम के लिए अवरोधक पैटर्न एम्बेडेड
समान हीटिंग के लिए आंतरिक पैटर्न वाले प्रतिरोध हीटरों को सीधे सिरेमिक चक में शामिल किया जाता है। निर्माण के दौरान, उच्च तापमान वाली धातु (अक्सर मोलिब्डेनम (एमओ) या प्लैटिनम (पीटी)) की एक पतली फिल्म या मोटी फिल्म का निशान सिरेमिक सब्सट्रेट की एक परत पर मुद्रित या छिड़का जाता है। फिर हीटर को ढकने वाले निशान के ऊपर एक दूसरी सिरेमिक परत लगाई जाती है या उसे आग लगा दी जाती है।

चक किनारे और केंद्र पर गर्मी के नुकसान की भरपाई के लिए हीटर पैटर्न का सावधानीपूर्वक निर्माण किया जाता है (आमतौर पर एक बहु - ज़ोन सर्पिल या संकेंद्रित रिंग)। प्रत्येक क्षेत्र को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे आप तापमान प्रोफाइल को दुरुस्त कर सकते हैं। 300 मिमी व्यास में परिणामी तापमान समरूपता को अक्सर ±0.5 डिग्री या उससे बेहतर बनाए रखा जाता है, जो हाइब्रिड बॉन्डिंग के लिए महत्वपूर्ण है, जहां थर्मल विस्तार के बाद तांबे के पैड को दसियों नैनोमीटर के भीतर संरेखित होना चाहिए।

400 डिग्री तक गर्म किये जा सकने वाले चक प्लैटिनम हीटर से सुसज्जित हैं। प्लैटिनम ऑक्सीकरण के प्रति प्रतिरोधी है और उच्च तापमान पर इसका प्रतिरोध निरंतर बना रहता है। मोलिब्डेनम लगभग 350 डिग्री तक वैक्यूम या निष्क्रिय वातावरण में काम करने के लिए उत्कृष्ट है।

वैक्यूम ग्रूव्स: सटीक पकड़ -नीचे
चक की सतह पर वेफर को सपाट रखने के लिए वैक्यूम लगाने के लिए उथले खांचे के एक नेटवर्क का उपयोग किया जाता है। आमतौर पर, इन खांचे को केवल कुछ माइक्रोमीटर गहरे (उदाहरण के लिए, 5-15 µm) और 200-500 µm चौड़े सिरेमिक सतह में लेजर से काटा जाता है। लेजर मशीनिंग सटीक और गड़गड़ाहट मुक्त किनारों को प्राप्त करने की अनुमति देती है जो कण उत्पादन से बचने के लिए एक महत्वपूर्ण बिंदु है।

खांचे की व्यवस्था पूरे वेफर बैकसाइड पर एक समान सक्शन प्राप्त करने के लिए तैयार की गई है, जबकि सतह का बड़ा हिस्सा गर्मी को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए चक के सीधे संपर्क में रहता है। सामान्य पैटर्न में शामिल हैं:

केंद्रीय वैक्यूम पोर्ट से निकलने वाले रेडियल चैनल

रेडियल तीलियों से जुड़े हुए संकेंद्रित वलय

बहुत पतले या भारी विकृत वेफर्स के लिए ग्रिड सरणी या मधुकोश सरणी

वैक्यूम स्तर की सावधानीपूर्वक निगरानी की जाती है - बहुत कम सक्शन और वेफर ऊपर या झुक सकता है; बहुत अधिक और वेफर स्थानीय रूप से विकृत हो सकता है या वैक्यूम खांचे वेफर के पीछे निशान छोड़ सकते हैं (एक दोष जिसे "वैक्यूम चक मार्क" कहा जाता है)।

उच्च वैक्यूम एवं स्वच्छता आवश्यकताएँ
पूरी चक असेंबली एक ऊंचे वैक्यूम बॉन्डिंग चैंबर में स्थित है जो बेहद साफ है। बॉन्डिंग सतहों के ऑक्सीकरण से बचने और बॉन्ड इंटरफ़ेस पर फंसे गैस पॉकेट को हटाने के लिए, आमतौर पर 10⁻⁵ से 10⁻⁷ एमबार की सीमा में दबाव लागू किया जाता है।

किसी भी प्रकार का कोई कण निर्माण नहीं। चक सतह पर कुछ नैनोमीटर से बड़ा या हैंडलिंग के दौरान जोड़ा गया कोई भी कण बाइंडिंग संपर्क में एक शून्य पैदा करेगा। इस तरह की रिक्तियों से यांत्रिक कमजोरी, विद्युत खुले सर्किट (हाइब्रिड बॉन्डिंग में) और उपज में हानि होती है। इसलिए चक को क्लास 1 क्लीनरूम (आईएसओ 3) वातावरण में बनाया गया है, जिसमें सभी सामग्रियों को आउटगैसिंग और घिसाव के प्रति उनकी लचीलापन के लिए चुना गया है। सिरेमिक चक को अक्सर मेगासोनिक या CO2 स्नो जेट प्रक्रियाओं का उपयोग करके साफ किया जाता है।

परिशुद्धता नोट: सतह संदूषण का महत्व
चक की सतह कुछ नैनोमीटर से बड़े कणों से रहित होनी चाहिए, जो बाइंडिंग संपर्क में एक शून्य बना देगा। यहां तक ​​कि एक 50 एनएम कण भी स्थानीय रूप से दो वेफर्स को अलग कर सकता है और सैकड़ों माइक्रोन चौड़े क्षेत्र में बंधन को रोक सकता है। ऐसा दोष, जिसे "बॉन्ड वॉयड" कहा जाता है, ध्वनिक माइक्रोस्कोपी को स्कैन करके पता लगाया जा सकता है और डाई या कनेक्शन को बेकार बना देता है। गर्म किए गए वैक्यूम चक को नियमित रूप से स्वचालित ऑप्टिकल कण गणना के साथ जांचा जाता है और इस कारण से इसे केवल अति स्वच्छ परिस्थितियों में ही नियंत्रित किया जाता है।

संरेखण और संबंध उपकरण के साथ एकीकरण
गर्म वैक्यूम चक को वेफर बॉन्डिंग टूल में एकीकृत किया जाता है जिसमें आमतौर पर शामिल होते हैं:

ऊपरी वेफर को बनाए रखने के लिए ऊपरी चक (कभी-कभी निष्क्रिय या गर्म भी)।

50 एनएम से कम वेफर संरेखण के लिए पीजो एक्चुएटर्स का उपयोग करके चरण संरेखण चरण।

बॉन्डिंग बल लगाने के लिए दबाव तंत्र (आमतौर पर 300 मिमी वेफर पर 10-100 kN)

वेफर संरेखण चिह्नों के माध्यम से पता लगाने के लिए ऑप्टिकल या इन्फ्रारेड कैमरे

निचले वेफर को गर्म चक पर रखा जाता है, वैक्यूम प्रदान किया जाता है, और बॉन्डिंग के दौरान चक को लक्ष्य तापमान (उदाहरण के लिए, हाइब्रिड बॉन्डिंग के लिए 300 डिग्री) तक गर्म किया जाता है। ऊपरी वेफर को संरेखित किया जाता है और संपर्क में लाया जाता है। बंधन केंद्र से बाहर की ओर एक तरंग के रूप में फैलता है। बॉन्डिंग के बाद बचे हुए तनाव को कम करने के लिए चक को विनियमित परिस्थितियों में ठंडा किया जाता है।

निष्कर्ष: 3डी एकीकरण थर्मल और मैकेनिकल आधार
गर्म वैक्यूम चक थर्मल, मैकेनिकल और मटेरियल इंजीनियरिंग की विजय है, जो सबसे शक्तिशाली कृत्रिम बुद्धिमत्ता और उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग सिस्टम को शक्ति देने के लिए चिप्स को लंबवत रूप से स्टैक करने की अनुमति देता है। यह उच्च समतलता, 400 डिग्री तक सजातीय ताप और एक स्वच्छ कण मुक्त सतह प्रदान करता है, जो एकल सिलिकॉन वेफर्स को एक बहुउद्देशीय 3डी डिवाइस में बदल देता है। 300 मिमी की रेंज में नैनोमीटर में मापी गई एकल सिरेमिक प्लेट की समतलता अंततः एक सुपर कंप्यूटर के प्रदर्शन को परिभाषित कर सकती है। जैसे-जैसे 3डी आईसी एकीकरण अधिक से अधिक परतों और बेहतर कनेक्शन पिचों तक जाता है, गर्म वैक्यूम चक एक आवश्यक उपकरण बना रहेगा, जो चुपचाप सिलिकॉन के तीसरे आयाम को सक्षम करेगा।