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Il miracolo microscopico senza interpositore: come può il collegamento diretto ottenere la perfetta fusione dei wafer?
Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, l'applicazione della tecnologia di collegamento diretto del silicio ha gradualmente attirato l'attenzione nel campo della produzione di semiconduttori. Il collegamento diretto, noto anche come collegamento a fusione, descrive un processo di collegamento del wafer che non richiede alcun interpositore. Il processo si basa su legami chimici tra le superfici dei materiali, risultando in un legame altamente efficiente. La chiave di questo processo è la pulizia, la planarità e la levigatezza della superficie del wafer, poiché tutto ciò che non soddisfa i requisiti può formare difetti durante il processo di incollaggio, compromettendo così la qualità del prodotto.
"Solo dopo una pulizia sufficiente la superficie del wafer può raggiungere risultati di incollaggio ideali."
Le fasi dell'incollaggio diretto dei wafer possono essere suddivise in pretrattamento dei wafer, preincollaggio a temperatura ambiente e ricottura ad alta temperatura. Sebbene la tecnologia di incollaggio diretto copra quasi tutti i materiali, il silicio è ancora il materiale di applicazione più maturo fino ad oggi. Pertanto, questo processo è spesso chiamato legame diretto del silicio o legame per fusione del silicio. Molte applicazioni, inclusa la produzione di wafer, sensori e attuatori SOI (silicio su isolante), si basano su questa tecnologia.
Base tecnica
Il legame diretto del silicio si basa su interazioni intermolecolari, comprese le forze di van der Waals, i legami idrogeno e i forti legami covalenti. I primi processi di incollaggio diretto richiedevano operazioni ad alta temperatura, ma con la diversificazione dei materiali di applicazione, c’è una crescente necessità di lavorazione a bassa temperatura. I ricercatori stanno lavorando insieme per ottenere un legame diretto stabile al di sotto dei 450 °C, che non solo soddisferà le esigenze del processo di produzione, ma eviterà anche i problemi causati dalle differenze nei coefficienti di dilatazione termica tra i diversi materiali.
"La riduzione delle temperature richieste durante il processo può migliorare significativamente la compatibilità dei materiali e facilitare lo sviluppo di più applicazioni."
Revisione storica
Già nel 1734, Desaguliers scoprì l'effetto di adesione delle superfici lisce e sottolineò l'influenza della levigatezza della superficie sull'attrito. Con il continuo progresso della tecnologia, nel 1986 è apparso un rapporto preliminare sul legame diretto del silicio e questa tecnologia ha iniziato ad emergere nel settore.
Incollaggio diretto tradizionale
I processi di incollaggio diretto si concentrano principalmente sulla lavorazione di materiali siliconici, che possono essere suddivisi in incollaggio idrofilo e idrofobo in base alla struttura chimica della superficie. L'angolo di contatto delle superfici idrofile è inferiore a 5°, mentre quello delle superfici idrofobe è maggiore di 90°. Questa caratteristica rende i materiali siliconici più flessibili e adattabili a diverse applicazioni.
Legame di wafer di silicio idrofilo
Preelaborazione wafer
Prima dell'incollaggio, la superficie del wafer deve essere mantenuta pulita per evitare che le impurità compromettano l'effetto dell'incollaggio. I principali metodi di pulizia comprendono il lavaggio a secco (come il trattamento al plasma o la pulizia UV/ozono) e le procedure di pulizia chimica a umido. Una procedura di pulizia standard ampiamente utilizzata è il metodo di pulizia SC di RCA.
Preincollaggio a temperatura normale
Una volta completato il trattamento della superficie del wafer e conforme agli standard, i wafer vengono allineati e può iniziare l'incollaggio. Le molecole d'acqua nella fase gassosa avviano una reazione chimica al contatto, formando silanolo (Si-OH) e polimerizzando, formando successivamente una struttura con sufficiente forza di adesione.
Ricottura ad alta temperatura
Man mano che il processo di ricottura procede, la forza di adesione aumenterà con l'aumentare della temperatura. Fornendo calore sufficiente, è possibile far reagire una quantità maggiore di silanolo, formando legami Si-O-Si stabili.
Incollaggio di wafer di silicio idrofobo
Preelaborazione wafer
Per generare una superficie idrofobica è necessario rimuovere lo strato di pellicola, operazione ottenuta mediante trattamento al plasma o soluzioni di attacco contenenti fluoro. È importante sottolineare che è necessario impedire che si verifichi la reidrofilizzazione per mantenere l'idrofobicità.
Ricottura ad alta temperatura
In un ambiente ad alta temperatura, quando l'idrogeno e il fluoro si dissorbono, i legami covalenti Si-Si iniziano ad apparire all'interno del cristallo di silicio. Questo processo può essere completato a 700 °C, ottenendo in definitiva la stessa forza di adesione del corpo in silicio.
Direzione di ricerca sull'incollaggio diretto a bassa temperatura
Poiché la domanda di lavorazione a bassa temperatura continua ad aumentare, i ricercatori esplorano vari metodi per ridurre la temperatura di ricottura richiesta. La difficoltà in questo processo risiede principalmente nella rimozione dell'acqua e nel suo impatto sui legami silicio-ossigeno formati. I ricercatori stanno lavorando su una varietà di tecnologie di trattamento superficiale, tra cui l'attivazione del plasma e la lucidatura chimico-meccanica, cercando di ottenere effetti di legame ideali in condizioni di bassa temperatura.
"Questa tecnologia ha mostrato il suo ampio potenziale applicativo nella fabbricazione di microstrutture multi-wafer come micropompe, microvalvole e acceleratori."
In futuro, l'ulteriore sviluppo della tecnologia di collegamento diretto potrebbe cambiare il panorama della produzione di semiconduttori. Con la comprensione approfondita della scienza dei materiali e l’introduzione di nuove tecnologie, quali sorprese ci porterà questa tecnologia?
