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El milagro microscópico sin intercalador: ¿Cómo puede la unión directa lograr la fusión perfecta de las obleas?
Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, la aplicación de la tecnología de unión directa del silicio ha atraído gradualmente la atención en el campo de la fabricación de semiconductores. La unión directa, también conocida como unión por fusión, describe un proceso de unión de obleas que no requiere ningún intercalador. El proceso se basa en enlaces químicos entre superficies de materiales, lo que da como resultado una unión altamente eficiente. La clave de este proceso es la limpieza, planitud y suavidad de la superficie de la oblea, porque cualquier cosa que no cumpla con los requisitos puede formar defectos durante el proceso de unión, afectando así la calidad del producto.
“Solo después de una limpieza suficiente la superficie de la oblea puede lograr resultados de unión ideales.”
Los pasos de la unión directa de obleas se pueden dividir en pretratamiento de obleas, unión previa a temperatura ambiente y recocido a alta temperatura. Aunque la tecnología de unión directa cubre casi todos los materiales, el silicio sigue siendo el material de aplicación más maduro hasta la fecha. Por lo tanto, este proceso a menudo se denomina unión directa de silicio o unión por fusión de silicio. Muchas aplicaciones, incluida la fabricación de obleas, sensores y actuadores de silicio sobre aislante (SOI), se basan en esta tecnología.
Antecedentes técnicos
El enlace directo del silicio se basa en interacciones intermoleculares, incluidas las fuerzas de van der Waals, enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes fuertes. Los primeros procesos de unión directa requerían operaciones a alta temperatura, pero con la diversificación de los materiales de aplicación, existe una creciente necesidad de procesamiento a baja temperatura. Los investigadores están trabajando juntos para lograr una unión directa estable por debajo de 450 °C, lo que no solo satisfará las necesidades del proceso de fabricación, sino que también evitará los problemas causados por las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre diferentes materiales.
“Reducir las temperaturas requeridas durante el proceso puede mejorar significativamente la compatibilidad del material y facilitar el desarrollo de más aplicaciones”.
Reseña histórica
Ya en 1734, Desaguliers descubrió el efecto de adhesión de las superficies lisas y destacó la influencia de la suavidad de la superficie sobre la fricción. Con el avance continuo de la tecnología, en 1986 apareció un informe preliminar sobre la unión directa de silicio y esta tecnología comenzó a surgir en la industria.
Unión directa tradicional
Los procesos de unión directa se centran principalmente en el procesamiento de materiales de silicio, que se pueden dividir en unión hidrófila e hidrófoba según la estructura química de la superficie. El ángulo de contacto de las superficies hidrófilas es inferior a 5°, mientras que el de las superficies hidrófobas es superior a 90°. Esta característica hace que los materiales de silicio sean más flexibles y adaptables en diferentes aplicaciones.
Unión de obleas de silicio hidrófilas
Preprocesamiento de obleas
Antes de unir, la superficie de la oblea debe mantenerse limpia para evitar que las impurezas afecten el efecto de unión. Los principales métodos de limpieza incluyen limpieza en seco (como tratamiento con plasma o limpieza con UV/ozono) y procedimientos de limpieza química húmeda. Un procedimiento de limpieza estándar ampliamente utilizado es el método de limpieza SC de RCA.
Preadhesión a temperatura normal
Una vez que se completa el tratamiento de la superficie de la oblea y cumple con los estándares, las obleas se alinean y se puede comenzar la unión. Las moléculas de agua en fase gaseosa inician una reacción química al contacto, formando Silanol (Si-OH) y polimerizándose, formando posteriormente una estructura con suficiente fuerza de unión.
Recocido a alta temperatura
A medida que avanza el proceso de recocido, la fuerza de unión aumentará a medida que aumenta la temperatura. Al proporcionar suficiente calor, se permite que reaccione más silanol, formando enlaces estables Si-O-Si.
Unión de obleas de silicio hidrofóbicas
Preprocesamiento de obleas
Para generar una superficie hidrofóbica es necesario eliminar la capa de película, lo que se logra mediante un tratamiento con plasma o soluciones de grabado que contienen flúor. Es importante destacar que se debe evitar que se produzca la rehidrofilización para mantener la hidrofobicidad.
Recocido a alta temperatura
En un entorno de alta temperatura, a medida que el hidrógeno y el flúor se desorben, comienzan a aparecer enlaces covalentes Si-Si dentro del cristal de silicio. Este proceso se puede completar a 700 °C y, en última instancia, lograr la misma fuerza de unión que el cuerpo de silicio.
Dirección de investigación de unión directa a baja temperatura
A medida que la demanda de procesamiento a baja temperatura continúa aumentando, los investigadores exploran varios métodos para reducir la temperatura de recocido requerida. La dificultad de este proceso radica principalmente en la eliminación del agua y su impacto en los enlaces formados entre silicio y oxígeno. Los investigadores están trabajando en una variedad de tecnologías de tratamiento de superficies, incluida la activación por plasma y el pulido químico mecánico, esforzándose por lograr efectos de unión ideales en condiciones de baja temperatura.
"Esta tecnología ha demostrado su amplio potencial de aplicación en la fabricación de microestructuras de múltiples obleas, como microbombas, microválvulas y aceleradores."
En el futuro, un mayor desarrollo de la tecnología de enlace directo puede cambiar el panorama de la fabricación de semiconductores. Con el conocimiento profundo de la ciencia de los materiales y la introducción de nuevas tecnologías, ¿qué sorpresas nos traerá esta tecnología?
