Language
Country/Area
No result found
Phép màu vi mô không có bộ phận xen kẽ: Làm thế nào liên kết trực tiếp có thể đạt được sự kết hợp hoàn hảo giữa các tấm bán dẫn?
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, việc ứng dụng công nghệ liên kết trực tiếp silicon đã dần thu hút được sự chú ý trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn. Liên kết trực tiếp, còn được gọi là liên kết nhiệt hạch, mô tả quá trình liên kết wafer không yêu cầu bất kỳ bộ chuyển tiếp nào. Quá trình này dựa trên các liên kết hóa học giữa các bề mặt vật liệu, mang lại sự liên kết hiệu quả cao. Chìa khóa của quá trình này là độ sạch, độ phẳng và độ mịn của bề mặt wafer, bởi vì bất cứ thứ gì không đáp ứng yêu cầu đều có thể tạo thành khuyết tật trong quá trình liên kết, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
“Chỉ sau khi làm sạch đầy đủ thì bề mặt tấm wafer mới có thể đạt được kết quả liên kết lý tưởng.”
Các bước liên kết tấm bán dẫn trực tiếp có thể được chia thành tiền xử lý tấm bán dẫn, liên kết trước ở nhiệt độ phòng và ủ ở nhiệt độ cao. Mặc dù công nghệ liên kết trực tiếp bao trùm hầu hết tất cả các vật liệu nhưng silicon vẫn là vật liệu được ứng dụng hoàn thiện nhất cho đến nay. Do đó, quá trình này thường được gọi là liên kết trực tiếp silicon hoặc liên kết tổng hợp silicon. Nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất tấm bán dẫn silicon trên chất cách điện (SOI), cảm biến và bộ truyền động, đều dựa vào công nghệ này.
Nền tảng kỹ thuật
Liên kết trực tiếp của silicon dựa trên các tương tác giữa các phân tử, bao gồm lực van der Waals, liên kết hydro và liên kết cộng hóa trị mạnh. Các quy trình liên kết trực tiếp ban đầu yêu cầu vận hành ở nhiệt độ cao, nhưng với sự đa dạng hóa của vật liệu ứng dụng, nhu cầu xử lý ở nhiệt độ thấp ngày càng tăng. Các nhà nghiên cứu đang làm việc cùng nhau để đạt được liên kết trực tiếp ổn định ở nhiệt độ dưới 450°C, điều này không chỉ đáp ứng nhu cầu của quá trình sản xuất mà còn tránh được các vấn đề gây ra bởi sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các vật liệu khác nhau.
"Việc giảm nhiệt độ cần thiết trong quá trình xử lý có thể cải thiện đáng kể khả năng tương thích của vật liệu và tạo điều kiện phát triển nhiều ứng dụng hơn."
Đánh giá lịch sử
Ngay từ năm 1734, Desaguliers đã phát hiện ra tác dụng bám dính của bề mặt nhẵn và nhấn mạnh ảnh hưởng của độ nhẵn bề mặt đến ma sát. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, báo cáo sơ bộ về liên kết silicon trực tiếp đã xuất hiện vào năm 1986 và công nghệ này bắt đầu xuất hiện trong ngành.
Liên kết trực tiếp truyền thống
Các quá trình liên kết trực tiếp chủ yếu tập trung vào việc xử lý vật liệu silicon, có thể chia thành liên kết ưa nước và kỵ nước theo cấu trúc hóa học của bề mặt. Góc tiếp xúc của bề mặt ưa nước nhỏ hơn 5°, trong khi bề mặt kỵ nước lớn hơn 90°. Đặc tính này làm cho vật liệu silicon linh hoạt hơn và dễ thích ứng hơn trong các ứng dụng khác nhau.
Liên kết các tấm silicon ưa nước
Tiền xử lý wafer
Trước khi liên kết, bề mặt wafer phải được giữ sạch sẽ để tránh tạp chất ảnh hưởng đến hiệu quả liên kết. Các phương pháp làm sạch chính bao gồm giặt khô (chẳng hạn như xử lý bằng plasma hoặc làm sạch bằng tia cực tím/ozone) và quy trình làm sạch bằng hóa chất ướt. Một quy trình làm sạch tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi là phương pháp làm sạch SC của RCA.
Liên kết trước ở nhiệt độ bình thường
Sau khi quá trình xử lý bề mặt tấm bán dẫn hoàn tất và đáp ứng các tiêu chuẩn, các tấm bán dẫn sẽ được căn chỉnh và liên kết có thể bắt đầu. Các phân tử nước trong pha khí bắt đầu phản ứng hóa học khi tiếp xúc, tạo thành Silanol (Si-OH) và trùng hợp, sau đó tạo thành cấu trúc có đủ độ bền liên kết.
Ủ nhiệt độ cao
Khi quá trình ủ diễn ra, độ bền liên kết sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng lên. Bằng cách cung cấp đủ nhiệt, nhiều Silanol được phép phản ứng hơn, hình thành các liên kết Si-O-Si ổn định.
Liên kết các tấm silicon kỵ nước
Tiền xử lý wafer
Việc tạo ra bề mặt kỵ nước đòi hỏi phải loại bỏ lớp màng, điều này đạt được bằng cách xử lý bằng plasma hoặc dung dịch ăn mòn có chứa flo. Điều quan trọng là phải ngăn chặn quá trình tái ưa nước xảy ra để duy trì tính kỵ nước.
Ủ nhiệt độ cao
Trong môi trường nhiệt độ cao, khi hydro và flo giải hấp, các liên kết cộng hóa trị Si-Si bắt đầu xuất hiện bên trong tinh thể silicon. Quá trình này có thể được hoàn thành ở nhiệt độ 700°C, cuối cùng đạt được độ bền liên kết tương tự như thân silicon.
Hướng nghiên cứu liên kết trực tiếp ở nhiệt độ thấp
Khi nhu cầu xử lý ở nhiệt độ thấp tiếp tục tăng, các nhà nghiên cứu khám phá nhiều phương pháp khác nhau để giảm nhiệt độ ủ cần thiết. Khó khăn trong quá trình này chủ yếu nằm ở việc loại bỏ nước và tác động của nó lên các liên kết silicon-oxy được hình thành. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu nhiều công nghệ xử lý bề mặt bao gồm kích hoạt plasma và đánh bóng cơ học hóa học, cố gắng đạt được hiệu quả liên kết lý tưởng trong điều kiện nhiệt độ thấp.
"Công nghệ này đã cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các cấu trúc vi mô đa wafer như máy bơm vi mô, van vi mô và máy gia tốc."
Trong tương lai, sự phát triển hơn nữa của công nghệ liên kết trực tiếp có thể thay đổi cục diện sản xuất chất bán dẫn. Với sự hiểu biết sâu sắc về khoa học vật liệu và sự ra đời của các công nghệ mới, công nghệ này sẽ mang đến cho chúng ta những bất ngờ gì?
