RU216869U1 - Device for connecting semiconductor wafers - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области соединения (сращивания, бондинга) полупроводниковых пластин. В результате использования предлагаемого устройства возрастет надежность микросборки. Данный результат достигается за счет использования в конструкции многофункционального устройства для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра следующих ключевых элементов: нагреваемые плиты с вращающимся основанием.

The utility model relates to the field of connection (splicing, bonding) of semiconductor wafers. As a result of using the proposed device, the reliability of the microassembly will increase. This result is achieved through the use of the following key elements in the design of a multifunctional device for connecting semiconductor wafers of the same or different diameters: heated plates with a rotating base.

Description

Полезная модель относится к области соединения (сращивания, бондинга) полупроводниковых пластин.The utility model relates to the field of connection (splicing, bonding) of semiconductor wafers.

В процессе изготовления устройств в микроэлектронике используются полупроводниковые пластины, на которых посредством литографии, нанесения и травления слоев сформированы структуры. Повышение надежности интегральных схем обеспечивается за счет увеличения теплоотвода материалов. Требования к теплоотводу возрастают с увеличением количества уровней металлизации. Одним из решений является вертикальное интегрирование. Для этого между двумя пластинами располагают промежуточную полупроводниковую пластину - интерпозер. В объеме интерпозеров формируют сквозные TSV канавки (Through-Silicon Vias) и заполняют металлом. В результате использования объема материала полупроводниковой пластины обеспечивается рассеивание тепла и не допускается тепловая деградация прибора. Кроме того, соединение набора рабочих пластин через интерпозеры (или напрямую) предоставляет возможность продолжать достижение очередных уровней интеграции ИС за счет вертикального интегрирования. Данная операция соединения часто выполняется последней перед разделением пластины на кристаллы. Перед проведением данной операции затрачивается большое количество временных и финансовых ресурсов для изготовления половинок финального рабочего устройства, что доказывает чрезвычайную важность успешного проведения операции соединения.In the process of manufacturing devices in microelectronics, semiconductor wafers are used, on which structures are formed by lithography, deposition and etching of layers. Improving the reliability of integrated circuits is provided by increasing the heat removal of materials. Heat dissipation requirements increase as the number of metallization levels increases. One solution is vertical integration. To do this, between the two plates have an intermediate semiconductor plate - interposer. TSV grooves (Through-Silicon Vias) are formed in the volume of interposers and filled with metal. As a result of using the bulk of the wafer material, heat dissipation is ensured and thermal degradation of the device is not allowed. In addition, connecting a set of build plates via interposers (or directly) provides the ability to continue achieving next levels of IC integration through vertical integration. This bonding operation is often performed last before the wafer is diced. Before carrying out this operation, a large amount of time and financial resources are spent for the manufacture of halves of the final working device, which proves the extreme importance of a successful connection operation.

Известно изобретение, в котором представлена конструкция устройства для изготовления заготовки фотокатода фотоэлектронного прибора термокомпрессионным соединением полупроводниковой пластины со стеклянной заготовкой [1].An invention is known in which the design of a device for manufacturing a workpiece of a photocathode of a photoelectronic device by thermocompression connection of a semiconductor wafer with a glass workpiece is presented [1].

Данное техническое решение имеет следующие недостатки и ограничения. Предлагаемое устройство применяется только для соединения полупроводниковой пластины со стеклянной заготовкой. То есть, нельзя соединять две полупроводниковые пластины. Учитывая, что материал стекла не проводит электричество, то передача полезного сигнала между образцами невозможна. Устройство позволяет создавать только заготовки фотокатода фотоэлектронного прибора, что значительно огранивает область применения устройства.This technical solution has the following disadvantages and limitations. The proposed device is used only for connecting a semiconductor wafer with a glass blank. That is, you cannot connect two semiconductor wafers. Considering that the glass material does not conduct electricity, the transfer of a useful signal between the samples is impossible. The device allows you to create only the blanks of the photocathode of a photoelectronic device, which significantly limits the scope of the device.

Известно изобретение, в котором описывается конструкция для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, причем каждый узел крепления выполнен с держателем для размещения и фиксаторами для разделения полупроводниковых пластин, причем каждый узел крепления полупроводниковых пластин снабжен разрезным кольцом с пазами, а держатель узла крепления цилиндрическими винтовыми пружинами кручения, расположенными с возможностью подпружинивания разрезного кольца относительно держателя, при этом держатель и разрезное кольцо размещены с возможностью соединения штифтом из магнитомягкого металла, в держателе выполнены пазы для размещения фиксаторов для разделения полупроводниковых пластин, причем фиксаторы подпружинены цилиндрическими винтовыми пружинами сжатия относительно разрезного кольца, основание и карусель центрифуги снабжены системой магнитов, расположенной на одинаковом расстоянии от оси вращения центрифуги с возможностью их взаимодействия, а крышка для создания замкнутого пространства над полупроводниковыми пластинами снабжена подпружиненными в перпендикулярном относительно основания направлении магнитами, размещенными с возможностью их соосного расположения со штифтом из магнитомягкого металла при закрытой крышке и взаимодействии магнитов центрифуги и магнитов основания [2].An invention is known, which describes a design for low-temperature direct connection of semiconductor wafers, containing a base, a centrifuge with a carousel with attachment points for semiconductor wafers, a cover for creating a closed space above the connected semiconductor wafers, a heating unit, each attachment point is made with a holder for placement and clamps for separating semiconductor wafers, wherein each semiconductor wafer fastening unit is provided with a split ring with grooves, and the fastening unit holder with cylindrical helical torsion springs located with the possibility of springing the split ring relative to the holder, while the holder and the split ring are placed with the possibility of being connected by a pin made of magnetically soft metal, slots are made in the holder to accommodate clamps for separating semiconductor wafers, and the clamps are spring-loaded with cylindrical helical compression springs relative to the split box the rings, base and carousel of the centrifuge are equipped with a system of magnets located at the same distance from the axis of rotation of the centrifuge with the possibility of their interaction, and the cover for creating a closed space above the semiconductor plates is equipped with magnets spring-loaded in a direction perpendicular to the base, placed with the possibility of their coaxial location with a pin made of magnetically soft metal with the lid closed and the interaction of centrifuge magnets and base magnets [2].

К недостаткам данного изобретения можно отнести недостаточное качество очистки поверхности перед соединением пластин. Даже в случае применения новейших систем очистки поверхности и минимального времени межоперационного интервала пластин между операциями очистки и соединения будет внесена некоторая дефектность из-за пыли в помещении, из-за контакта пластины с оператором.The disadvantages of this invention include the insufficient quality of surface cleaning before joining the plates. Even if the latest surface cleaning systems are used and the minimum time between the operations of the plates between cleaning and joining operations, some defectiveness will be introduced due to dust in the room, due to the contact of the plate with the operator.

Известно устройство, принятое за прототип, для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью с узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, отличающееся тем, что основание разделено шлюзом на две реакционные камеры для соединения и отмывки пластин, шлюз снабжен механизмом перемещения пластин между реакционными камерами, реакционная камеры для соединения пластин снабжена насосом для формирования вакуумной атмосферы, реакционная камеры для отмывки пластин снабжена системой выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин [3].A known device, adopted as a prototype, for low-temperature direct connection of semiconductor wafers, containing a base, a centrifuge with a carousel with attachment points for semiconductor wafers, a cover for creating a closed space above the connected semiconductor wafers, a heating unit, characterized in that the base is divided by a gateway into two reaction chambers for connecting and washing the wafers, the gateway is equipped with a mechanism for moving the wafers between the reaction chambers, the reaction chamber for connecting the wafers is equipped with a pump for forming a vacuum atmosphere, the reaction chamber for washing the wafers is equipped with a system for selecting the supply of reagents depending on the type of connected semiconductor wafers [3].

К недостаткам прототипа можно отнести, недостаточную надежность микросборки, стандартное ограничение на возможность работы с пластинами разного диаметра.The disadvantages of the prototype include the lack of reliability of the microassembly, the standard limitation on the ability to work with plates of different diameters.

Задачей настоящей полезной модели является увеличение надежности микросборки.The objective of this utility model is to increase the reliability of the microassembly.

Поставленная задача решается тем, что формируют многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью и узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, нагреваемые плиты, две реакционные камеры для соединения и отмывки пластин, механизм перемещения пластин между реакционными камерами, насос для формирования вакуумной атмосферы, систему выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин, причем нагреваемые плиты имеют вращающиеся основания.The problem is solved by forming a multifunctional device for connecting semiconductor wafers, containing a base, a centrifuge with a carousel and attachment points for semiconductor wafers, a cover for creating a closed space above the connected semiconductor wafers, a heating unit, heated plates, two reaction chambers for connecting and washing the wafers , a mechanism for moving plates between reaction chambers, a pump for forming a vacuum atmosphere, a system for selecting the supply of reagents depending on the type of connected semiconductor plates, and the heated plates have rotating bases.

В реакционной камере для соединения пластин применяются нагреваемые плиты с вращающимся основанием (в прототипе статические плиты). В результате верхняя пластина может выполнять роль полировального диска для минимизации шероховатости поверхности, что особенно актуально для нового типа бондинга - гибридного бондинга. С уменьшением величины шероховатости будет увеличиваться сила сдвига, необходимая для разделения пластин. Таким образом, улучшится качество бондинга и возрастет надежность микросборки в жестких условиях эксплуатации.In the reaction chamber, heated plates with a rotating base are used to connect the plates (static plates in the prototype). As a result, the top plate can act as a polishing disc to minimize surface roughness, which is especially true for a new type of bonding - hybrid bonding. As the roughness decreases, the shear force required to separate the plates will increase. Thus, the quality of the bonding will improve and the reliability of the micro-assembly in harsh operating conditions will increase.

На фиг. 1 представлен двухмерный макет на многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра, где: 1 - крышка для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, 2 - реакционная камера для соединения пластин, 3 - основание, 4 - шлюз, 5 - реакционная камера для отмывки пластин,, 6 - механизм перемещения пластин между реакционными камерами, 7 - система выбора подачи реагентов, 8 - узел нагрева, 9 - насос для формирования вакуумной атмосферы, 10 - вращающиеся нагревательные плиты.In FIG. 1 shows a two-dimensional layout for a multifunctional device for connecting semiconductor wafers of the same or different diameters, where: 1 - cover to create a closed space above the connected semiconductor wafers, 2 - reaction chamber for connecting wafers, 3 - base, 4 - gateway, 5 - reaction chamber for washing plates, 6 - mechanism for moving plates between reaction chambers, 7 - system for selecting the supply of reagents, 8 - heating unit, 9 - pump for forming a vacuum atmosphere, 10 - rotating heating plates.

На фиг. 2 представлен изготовленный экспериментальный макет многофункционального устройства для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра.In FIG. 2 shows the manufactured experimental layout of a multifunctional device for connecting semiconductor wafers of the same or different diameters.

На фиг. 3 представлены цилиндрические (TSV) структуры с различным аспектным соотношением ширины цилиндра к высоте цилиндра: а - аспектное соотношение 1/10; 6 - аспектное соотношение 1/5.In FIG. 3 shows cylindrical (TSV) structures with different aspect ratio of cylinder width to cylinder height: a - aspect ratio 1/10; 6 - aspect ratio 1/5.

На фиг. 4 представлены нагреваемые плиты с вращающимся основанием: а - до контакта, б - после, где 11 - первая полупроводниковая пластина, 12 - вторая полупроводниковая пластина, 13 - связывающий слой (адгезив).In FIG. 4 shows heated plates with a rotating base: a - before contact, b - after, where 11 is the first semiconductor wafer, 12 is the second semiconductor wafer, 13 is the bonding layer (adhesive).

Многофункциональное устройство для соединения полупроводниковых пластин одинакового или различного диаметра работает следующим образом. A multifunctional device for connecting semiconductor wafers of the same or different diameters works as follows.

Происходит очистка пластин в реакционной вращающейся камере для отмывки пластин. После этого пластина перемещается в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. В реакционной камере для соединения пластин создается вакуумная атмосфера с помощью насоса и герметичной крышки. Следующим шагом, через шлюз пластины попадают в реакционную камеру для соединения пластин. После этого происходит повышение температуры с использованием узла нагрева и вращение прижимных плит. Затем пластины соединяются. После этого пластина проходит стадию утонения, и затем формируются TSV структуры.The wafers are cleaned in the reaction rotary chamber for washing the wafers. After that, the plate is moved to the lock by means of a mechanism for moving plates between the reaction chambers. In the reaction chamber for connecting the plates, a vacuum atmosphere is created using a pump and a sealed lid. The next step, through the gateway, the plates enter the reaction chamber to connect the plates. After that, the temperature rises using the heating unit and the pressure plates rotate. Then the plates are connected. After that, the plate goes through a thinning stage, and then TSV structures are formed.

Конкретный пример исполнения. A specific example of implementation.

Проводят очистку поверхности полупроводниковых пластин различного диаметра: 76,100,150 мм, с тонкой алюминиевой пленкой толщиной 0.4 мкм и адгезионным слоем толщиной в диапазоне от 15мкм до 23 мкм в растворе диметилформамида, отчистка проводится при максимальной скорости вращения 1000 об/мин. После этого пластина перемещается в шлюз посредством механизма перемещения пластин между реакционными камерами. Проводят откачку атмосферы реакционной камеры до давления 10^-3 мбар. Пластины перемещают в реакционную камеру для соединения пластин. Поднимают температуру до 300°С со скоростью 10°С/мин, плиты вращаются с максимальной скоростью 950 об/мин. Соединяют пластины. После этого пластина проходит стадию утонения до 120 мкм, и затем формируются TSV структуры с аспектным соотношением ширины цилиндра к его высоте: 1/10 и менее.The surface of semiconductor wafers of various diameters is carried out: 76,100,150 mm, with a thin aluminum film 0.4 µm thick and an adhesive layer with a thickness ranging from 15 µm to 23 µm in a dimethylformamide solution, cleaning is carried out at a maximum rotation speed of 1000 rpm. After that, the plate is moved to the lock by means of a mechanism for moving plates between the reaction chambers. The atmosphere of the reaction chamber is evacuated to a pressure of 10 ^-3 mbar. The plates are transferred to the reaction chamber to connect the plates. Raise the temperature to 300°C at a speed of 10°C/min, the plates rotate at a maximum speed of 950 rpm. Connect the plates. After that, the plate goes through the stage of thinning up to 120 μm, and then TSV structures are formed with an aspect ratio of the width of the cylinder to its height: 1/10 or less.

В результате использования предлагаемого устройства возрастет надежность микросборки.As a result of using the proposed device, the reliability of the microassembly will increase.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №2670498.1. RF patent No. 2670498.

2. Патент РФ №2033657.2. RF patent No. 2033657.

3. Патент РФ №198545 - прототип.3. RF patent No. 198545 - prototype.

Claims (1)

Устройство для соединения полупроводниковых пластин, содержащее основание, центрифугу с каруселью и узлами крепления полупроводниковых пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми полупроводниковыми пластинами, узел нагрева, нагреваемые плиты, две реакционные камеры для соединения и отмывки пластин, механизм перемещения пластин между реакционными камерами, насос для формирования вакуумной атмосферы, систему выбора подачи реагентов в зависимости от типа соединяемых полупроводниковых пластин, отличающееся тем, что нагреваемые плиты имеют вращающиеся основания.A device for connecting semiconductor wafers, containing a base, a centrifuge with a carousel and semiconductor wafer attachment points, a cover for creating a closed space above the connected semiconductor wafers, a heating unit, heated plates, two reaction chambers for connecting and washing the wafers, a mechanism for moving the wafers between the reaction chambers, a pump for forming a vacuum atmosphere, a system for selecting the supply of reagents depending on the type of connected semiconductor plates, characterized in that the heated plates have rotating bases.

Images