Language
Country/Area
No result found
Микроскопическое чудо без интерпозера: как прямым соединением можно добиться идеального слияния пластин?
Благодаря постоянному развитию науки и техники применение технологии прямого соединения кремния постепенно привлекает внимание в области производства полупроводников. Прямое соединение, также известное как сварка сплавлением, описывает процесс соединения пластин, который не требует использования промежуточного устройства. Процесс основан на химических связях между поверхностями материала, что приводит к высокоэффективному склеиванию. Залогом этого процесса является чистота, ровность и гладкость поверхности пластины, ведь все, что не соответствует требованиям, может образовать дефекты в процессе склеивания, тем самым отразившись на качестве изделия.
«Только после достаточной очистки поверхность пластины может достичь идеальных результатов склеивания».
Этапы прямого соединения пластин можно разделить на предварительную обработку пластин, предварительное соединение при комнатной температуре и высокотемпературный отжиг. Хотя технология прямого склеивания охватывает почти все материалы, кремний по-прежнему остается наиболее зрелым материалом на сегодняшний день. Поэтому этот процесс часто называют прямым соединением кремния или сваркой кремния. Эта технология используется во многих приложениях, включая производство пластин кремний-на-изоляторе (КНИ), датчиков и исполнительных механизмов.
Техническое образование
Прямая связь кремния основана на межмолекулярных взаимодействиях, включающих силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и прочные ковалентные связи. Ранние процессы прямого склеивания требовали высокотемпературных операций, но с диверсификацией применяемых материалов растет потребность в низкотемпературной обработке. Исследователи работают вместе над достижением стабильного прямого соединения при температуре ниже 450 °C, которое не только удовлетворит потребности производственного процесса, но и позволит избежать проблем, вызванных различиями в коэффициентах теплового расширения между различными материалами.
«Снижение температур, необходимых во время процесса, может значительно улучшить совместимость материалов и облегчить разработку большего количества приложений».
Исторический обзор
Еще в 1734 году Дезагулье открыл эффект сцепления гладких поверхностей и подчеркнул влияние гладкости поверхности на трение. Благодаря постоянному развитию технологий в 1986 году появился предварительный отчет о прямом соединении кремния, и эта технология начала появляться в отрасли.
Традиционное прямое соединение
Процессы прямого склеивания в основном ориентированы на обработку кремниевых материалов, которые в зависимости от химической структуры поверхности можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. Угол смачивания гидрофильных поверхностей составляет менее 5°, а гидрофобных поверхностей - более 90°. Эта характеристика делает кремниевые материалы более гибкими и адаптируемыми для различных применений.
Склеивание пластин гидрофильного кремния
Предварительная обработка пластины
Перед склеиванием поверхность пластины необходимо содержать в чистоте, чтобы предотвратить влияние загрязнений на эффект склеивания. Основные методы очистки включают сухую чистку (например, плазменную обработку или очистку УФ/озоном) и влажную химическую очистку. Широко используемой стандартной процедурой очистки является метод очистки SC компании RCA.
Предварительное склеивание при нормальной температуре
После завершения обработки поверхности пластины и ее соответствия стандартам пластины выравниваются и можно начинать склеивание. Молекулы воды в газовой фазе при контакте инициируют химическую реакцию, образуя силанол (Si-OH) и полимеризуясь, образуя впоследствии структуру с достаточной прочностью связи.
Высокотемпературный отжиг
По мере продолжения процесса отжига прочность связи будет увеличиваться с повышением температуры. При достаточном нагреве больше силанола может вступить в реакцию, образуя стабильные связи Si-O-Si.
Склеивание гидрофобных кремниевых пластин
Предварительная обработка пластины
Для создания гидрофобной поверхности необходимо удалить пленочный слой, что достигается плазменной обработкой или травильными фторсодержащими растворами. Важно отметить, что для сохранения гидрофобности необходимо предотвращать регидрофилизацию.
Высокотемпературный отжиг
В высокотемпературной среде по мере десорбции водорода и фтора внутри кристалла кремния начинают появляться ковалентные связи Si-Si. Этот процесс можно завершить при температуре 700 °C, в конечном итоге достигнув той же прочности соединения, что и у кремниевого тела.
Направление исследований в области низкотемпературного прямого склеивания
Поскольку потребность в низкотемпературной обработке продолжает расти, исследователи исследуют различные методы снижения необходимой температуры отжига. Трудность этого процесса в основном заключается в удалении воды и ее воздействии на образующиеся кремний-кислородные связи. Исследователи работают над различными технологиями обработки поверхности, включая плазменную активацию и химико-механическую полировку, стремясь достичь идеальных эффектов склеивания в условиях низких температур.
"Эта технология показала свой широкий потенциал применения при изготовлении многопластинных микроструктур, таких как микронасосы, микроклапаны и ускорители."
В будущем дальнейшее развитие технологии прямого соединения может изменить ситуацию в производстве полупроводников. Какие сюрпризы принесет нам эта технология с углубленным пониманием материаловедения и внедрением новых технологий?
