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O milagre microscópico sem intermediário: como a ligação direta pode alcançar a fusão perfeita de wafers?
Com o avanço contínuo da ciência e da tecnologia, a aplicação da tecnologia de ligação direta de silício tem gradualmente ganhado atenção no campo da fabricação de semicondutores. A ligação direta, também conhecida como ligação por fusão, descreve um processo de ligação de wafers que não requer nenhum interpositor. O processo é baseado na ligação química entre superfícies de materiais, alcançando uma combinação altamente eficiente. A chave para esse processo é a limpeza, planicidade e lisura da superfície do wafer, pois qualquer área que não atenda aos requisitos pode formar defeitos no processo de colagem, afetando assim a qualidade do produto.
“Somente após uma limpeza suficiente a superfície do wafer pode atingir um efeito de ligação ideal.”
As etapas da colagem direta de wafers podem ser divididas em pré-tratamento de wafers, pré-colagem em temperatura ambiente e recozimento em alta temperatura. Embora a tecnologia de ligação direta cubra quase todos os materiais, o silício continua sendo o material de aplicação mais maduro até hoje. Portanto, esse processo é frequentemente chamado de ligação direta de silício ou ligação por fusão de silício. Muitas aplicações, como a fabricação de wafers de silício sobre isolante (SOI), sensores e atuadores, dependem dessa tecnologia.
Histórico técnico
A ligação direta do silício é baseada em interações intermoleculares, incluindo forças de van der Waals, ligações de hidrogênio e ligações covalentes fortes. Os primeiros processos de colagem direta exigiam operações em alta temperatura, mas à medida que os materiais de aplicação se tornam mais diversos, a necessidade de processamento em baixa temperatura está crescendo. Os pesquisadores trabalharam juntos para alcançar uma ligação direta estável abaixo de 450 °C, o que não apenas atende aos requisitos do processo, mas também evita os problemas causados pelas diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre diferentes materiais.
"Reduzir a temperatura necessária no processo pode melhorar muito a compatibilidade dos materiais e promover o desenvolvimento de mais aplicações."
Revisão de História
Já em 1734, Desaguliers descobriu o efeito de adesão de superfícies lisas, enfatizando a influência da lisura da superfície no atrito. À medida que a tecnologia avançava, os relatórios iniciais sobre ligação direta de silício surgiram em 1986, e essa tecnologia começou a surgir na indústria.
Colagem Direta Tradicional
Os processos de ligação direta são focados principalmente no processamento de materiais de silício, que podem ser divididos em ligações hidrofílicas e hidrofóbicas de acordo com a estrutura química da superfície. O ângulo de contato de uma superfície hidrofílica é menor que 5°, enquanto o de uma superfície hidrofóbica é maior que 90°. Essa propriedade confere aos materiais de silício maior flexibilidade e adaptabilidade em diferentes aplicações.
Ligação de pastilhas de silício hidrofílicas
Pré-tratamento de wafer
Antes da colagem, a superfície do wafer deve ser mantida limpa para evitar que impurezas afetem o efeito da colagem. Os principais métodos de limpeza incluem limpeza a seco (como tratamento de plasma ou limpeza UV/ozônio) e procedimentos de limpeza química úmida. Um procedimento de limpeza padrão amplamente utilizado é o método de limpeza SC do RCA.
Pré-colagem à temperatura ambiente
Assim que o tratamento da superfície do wafer estiver concluído e atender aos padrões, o wafer pode ser alinhado e a colagem pode começar. As moléculas de água na fase gasosa iniciam uma reação química ao entrar em contato, formando Silanol (Si-OH) e polimerizando, formando posteriormente uma estrutura com força de ligação suficiente.
Recozimento de alta temperatura
À medida que o processo de recozimento avança, a resistência da ligação aumenta conforme a temperatura sobe. Ao fornecer calor suficiente, mais Silanol reage para formar uma ligação Si-O-Si estável.
Ligação de pastilhas de silício hidrofóbicas
Pré-tratamento de wafer
A criação de uma superfície hidrofóbica requer a remoção de camadas de filme, o que pode ser obtido por meio de tratamento com plasma ou soluções de corrosão contendo flúor. É importante ressaltar que a re-hidrofilização deve ser evitada para manter a hidrofobicidade.
Recozimento de alta temperatura
Em um ambiente de alta temperatura, à medida que o hidrogênio e o flúor são dessorvidos, ligações covalentes Si-Si começam a aparecer dentro do cristal de silício. Esse processo pode ser concluído a 700 °C, alcançando a mesma resistência de ligação do próprio silício.
Direção de pesquisa de ligação direta em baixa temperatura
À medida que a demanda por processamento de baixa temperatura continua a aumentar, os pesquisadores têm explorado vários métodos para reduzir a temperatura de recozimento necessária. A dificuldade neste processo reside principalmente na remoção de água e seu efeito nas ligações silício-oxigênio já formadas . Os pesquisadores estão trabalhando em uma variedade de tecnologias de tratamento de superfície, incluindo ativação de plasma e polimento químico-mecânico, para obter efeitos de ligação ideais, mesmo em condições de baixa temperatura.
"Esta tecnologia mostra seu potencial para ampla aplicação na fabricação de microestruturas multi-wafer, como microbombas, microválvulas e aceleradores."
No futuro, novos desenvolvimentos na tecnologia de ligação direta poderão mudar o cenário da fabricação de semicondutores. Com uma compreensão mais profunda da ciência dos materiais e a introdução de novas tecnologias, que surpresas essa tecnologia nos trará?
