17-05
2012

Монтаж полупроводниковых пластин на адгезив с точностью совмещения 1 мкм. Термическое и ультрафиолетовое отверждение

Павел Башта, начальник отдела микроэлектроники службы технологического оборудования
Тинатин Циклаури, менеджер по продажам службы технологического оборудования

Опубликовано в
«Технологии в электронной промышленности», № 8 за 2011 год.

Введение
Как показывает практика, адгезионное соединение полупроводниковых пластин (или монтаж пластин на адгезив) является важным процессом при корпусировании ИМС во многих областях, например, таких как:
• Микрооптика
• Традиционное корпусирование ИС
• Временный монтаж пластин — обработка тонких пластин/перенос покрытия
• Система Lab-on-Chip («Лаборатория на чипе»)
• Микрофлюидика

Тем не менее, чтобы результаты процесса соответствовали требованиям к изделию, необходимо решить ряд задач и преодолеть некоторые технические сложности. На сегодняшний день существуют следующие обязательные для соблюдения требования к монтажу пластин на адгезив:
• определенные внешние условия во время монтажа (вакуум/воздух/инертный газ);
• контроль слоя соединения между пластинами — толщина/ширина линии соединения пластин, полный разброс по толщине (TTV — Total Tickness Variation);
• точное совмещение пластин (до ±1 мкм);
• быстрое и эффективное отверждение адгезива.

Процесс адгезионного соединения может быть достаточно простым, но для достижения высоких характеристик изделия необходимо использовать высококачественные инструменты (оборудование). Кроме того, при монтаже пластин на адгезив могут возникнуть определенные сложности. Здесь особую роль играет размер пластин, диаметр которых уже достиг 300 мм. Затруднения может вызвать и работа с пластинами нестандартной толщины, так, например, сборки из нескольких пластин могут быть толщиной в несколько мм. Адгезивы выступают в качестве смазывающего вещества, вследствие чего бывает трудно совместить пластину с требуемой точностью и применить равномерное прижимное усилие (необходимо для контроля полного разброса по толщине (TTV) адгезионного слоя) без потери точности совмещения. Для того чтобы гарантировать точность совмещения, следует осуществлять процесс отверждения непосредственно «на месте».

Проблемы совмещения в процессе адгезионного соединения
Зачастую достаточно сложно добиться высокоточного совмещения при использовании множества адгезивов. Проблемы главным образом связаны с тем, что адгезив действует как смазывающее вещество между пластинами и мешает их совмещению из-за капиллярных сил. У многих производителей оборудования процесс монтажа пластин состоит из двух этапов: сначала происходит совмещение пластин на традиционных установках совмещения и экспонирования с помощью специализированной оснастки; затем пластины переносятся на установку бондинга, где после цикла нагрева соединяются с помощью прижимного усилия. К сожалению, в большинстве случаев высокая точность совмещения теряется между циклами нагрева и соединения пластин, а оператор не может обнаружить проблему, пока монтаж пластин не будет завершен.
Система монтажа и сварки пластин английской фирмы AML (Рис. 1) обеспечивает совмещение пластин и процесс монтажа в одной и той же камере, при этом совмещение пластин, соединение и отверждение происходят в так называемом in-situ-режиме («на месте», за один цикл) на протяжении всего процесса. Для осуществления монтажа пластин на данной установке используются специализированные приспособления, которые выбираются в зависимости от размеров пластин, процесса монтажа и других факторов. Это и инструменты для зажима пластин по кромкам, и механизм контроля контакта пластин между собой, который предотвращает смещение пластин при контакте и не допускает перемещения пластин в процессе монтажа (что особенно важно при процессе термического отверждения, где вязкость может резко снижаться при повышении температуры) и т. д. Данные приспособления подбираются при заказе установки и входят в комплект поставки, что избавляет Заказчика от необходимости изготавливать подобные узлы собственными силами. В дополнение к этому точность совмещения может контролироваться на протяжении всего процесса, и при возникновении проблемы процесс может быть остановлен и скорректирован, прежде чем адгезив будет подвергнут термическому воздействию.

Рис. 1 Система монтажа и сварки пластин фирмы AML

Природа процесса in-situ также дает возможность проводить непосредственное наблюдение монтажного слоя, что позволяет совершенствовать процесс монтажа, получая динамическую обратную связь. Например, можно регулировать монтажное усилие для того чтобы получить точную ширину линии соединения (монтажа) без параметрических исследований.

Нанесение и измерение адгезионных слоев
Известно несколько способов нанесения адгезивов на поверхность пластины. Адгезионные слои, описанные в данной статье, были нанесены в центре монтажа компании AML с помощью трафаретной печати, либо посредством валиков (тяжелый металлический валик на плоской пластине). Также использовались пластины заказчиков компании AML с уже нанесенными слоями. Толщина покрытия и однородность измерялись с использованием установки для профилирования поверхности Tencor P15 и измерительного инструмента Sigmatech ST9600 TTV. Точность совмещения измерялась с использованием стандартной оптической микроскопии.

Монтаж пластин с помощью термически отверждаемого адгезива
Схематично рабочая камера установки монтажа пластин фирмы AML показана на рисунке 2. Если необходимо УФ-отверждение, то УФ-светодиодная матрица заменяет одну из плит-нагревателей, позволяя выполнять как УФ-, так и термическое отверждение без смены инструмента.
Данная конфигурация рабочей камеры включает в себя следующие основные особенности:
1. Большой интервал между пластинами, что особенно важно для обеспечения полного отвода газов из пространства между соединяемыми пластинами перед проведением монтажа. Таким образом, предотвращается образование пузырей в адгезионном слое. Это также позволяет более быстро создавать вакуум с необходимым давлением монтажа, тем самым увеличивая производительность.
2. Зажим пластин по кромкам — такая фиксация пластин совместима со многими типами пластин (в том числе подходит и для стандартной пластины SEMI «С») и обеспечивает надежное удержание пластины в перевёрнутом положении в рабочей камере, не касаясь поверхности пластины. Это играет большую роль при монтаже на адгезив, так как любой механизм на поверхности пластины может быть загрязнен адгезивом, что может привести к длительному процессу очистки соединений пластин или оснастки.

Рис. 3 Пружинный фиксатор и инструмент зажима по кромкам, показывающие управляемый изгиб, применяемый к пластине

4. Пружинный фиксатор, гарантирующий, что внутреннее соединение всегда происходит в центре пластины и монтаж далее распространяется от центра к боковым сторонам. Данное управление осуществляется фиксатором, с помощью которого происходит изгиб пластины. Как только необходимые параметры монтажа будут достигнуты (давление в камере, температура верхней и нижней пластин, совмещение), используется привод по оси Z для соединения пластин, и затем для применения необходимой силы монтажа (до 15 кН, хотя большинство процессов монтажа на адгезив требуют <2 кН силы). Так как сила монтажа увеличивается, начиная от нуля, она постепенно превосходит силу пружинного фиксатора и, следовательно, устраняет изгиб верхней пластины и зажимает плоскость пластины (при точном совмещении).

5. In-situ-охлаждение, достигается после монтажа путем направления струи азота из отверстий в подающей трубке, расположенной вокруг рабочих держателей пластин. Поскольку количество тепла в рабочей камере возле инструментов ограничено верхней и нижней плитами и их соответствующими нагревателями (т. е. нет транспортировочных приспособлений для отдельной установки совмещения), охлаждение является быстрым и эффективным. Типичный процесс термического отверждения адгезива на 200-мм пластинах, как правило, занимает 15 минут, включая совмещение. На рисунке 4 показаны температура плиты и давление камеры в течение 15-минутного цикла монтажа на адгезив Epotek 353ND. В этом процессе было необходимо охладить пластины до <+40 ° C до того момента, как они будут извлечены из камеры; однако во многих случаях пластины могут быть извлечены при максимальной температуре отверждения (обычно <+200 ° C).

Рис. 4 Пример параметров процесса термического адгезионного соединения

Результаты совмещения термического отверждения адгезива
Точность совмещения в ±1 мкм была продемонстрирована при монтаже пластин толщиной 300 мкм и диаметром 200 мм в самом «пессимистическом» варианте, при котором использовался толстый слой эпоксидного адгезива термического отверждения Epotek 353ND. Точность совмещения была подтверждена с использованием шкалы точной настройки, которая была установлена на двух пластинах.
Результирующее перекрытие шкал на двух пластинах показывает точность совмещения, полученную в результате монтажа (Рис. 5). Совмещение ±1 мкм было достигнуто с использованием адгезива Epotek 353ND, толщиной от 18 мкм до 20 мкм.

Рис. 5 Система Vernier, показывающая измерение точности совмещения при монтаже двух стеклянных пластин с использованием УФ-отверждаемого адгезива толщиной 20 мкм

Для достижения еще более высокой производительности идея использования процесса in-situ и концепта установки монтажа была расширена до применения УФ-светодиодной матрицы, которая расположена внутри камеры монтажа (Рис. 2). Ультрафиолетовое излучение направляется в зону монтажа через нижнюю прозрачную кварцевую плиту, которая заменяет металлическую плиту, используемую для термического отверждения. После загрузки пластин, создания вакуума в камере и совмещения пластин данные пластины соединяются, подвергаясь воздействию УФ в течение требуемого времени (несколько минут в зависимости от типа УФ-адгезива и толщины). Например, время УФ-отверждения адгезива Permabond 675 составляет 7 ~ 10 секунд с использованием центрального светодиодного источника с длиной волны УФ-излучения 395 нм. Затем камера вентилируется и монтируемая пара извлекается. Общее время цикла может составлять всего 5 (!) минут, что делает его очень привлекательным для производства.

Кроме того, доступны различные УФ-головки отверждения для того чтобы работать с различными типами адгезивов. Стоит также отметить, что внешние условия монтажа в вакууме могут иметь важное значение при использования УФ-излучения. Это связано с тем, что присутствие кислорода на поверхности УФ-чувствительного адгезива может препятствовать полному отверждению материала, а для тонких покрытий присутствие кислорода может препятствовать соединению в целом.
С помощью светодиодного источника УФ-излучение сосредотачивается на сравнительно узкой полосе спектра (Рис. 6). Фиолетовая кривая показывает интенсивность в противовес распределению длины волны светодиодной матрицы в сравнении с интенсивностью стандартного УФ-источника (красная кривая). Системы AML в. настоящее время имеют два варианта длин волн светодиодных УФ-источников: 395 нм ± 20 нм или 365 нм ± 10 нм; уровни мощности — 4 Вт см2 и 1,5 Вт см2 соответственно. Светодиодные матрицы используют водяное охлаждение и поэтому в случае необходимости могут применяться в течение длительного времени.

Рис. 6 Распределение длин волны УФ-светодиодной матрицы (фиолетовый цвет) в сравнении со стандартным УФ-источником (красный цвет)

Следующие данные (Рис. 7) показывают результаты реального технического применения монтажа на УФ-адгезив толщиной 30 мкм с использованием УФ-светодиодного источника излучения. Устройства монтажа и совмещения изначально предназначены для использования реперных знаков совмещения на монтируемой поверхности пластин. Однако результаты, приведенные ниже, были получены в ходе монтажа пластин, у которых знаки совмещения находились на обратной поверхности, и, так как пластины были толщиной 1 мм и 2 мм, знаки совмещения находились на большом расстоянии друг от друга (3 мм) во время процесса совмещения. В таких обстоятельствах необходимо использовать захват изображения. Точность запланированного совмещения (микрооптика, равномерное корпусирование пластин с высокой точностью совмещения) составляла 5 микрон. Пример точно совмещенного УФ-адгезионного соединения показан на рисунке 8. Данные получены в ходе реального технического использования с применением 200-мм пластин высотой до 3 мм.

Рис. 7 Результаты точности совмещения при монтаже на УФ-отверждаемый адгезив, область применения — корпусирование микрооптики на уровне пластины

Рис. 8 Проводимое в режиме реального времени управление совмещением УФ- адгезива толщиной в 30 м

Мониторинг совмещения в режиме реального времени
В дополнение к высокопроизводительному монтажу пластин и их совмещению оборудование фирмы AML дает возможность наблюдать за самим процессом, что обеспечивает и другие преимущества:
• Мониторинг растекания адгезива и сдвига при совмещении
• Возможность коррекции совмещения или повторной обработки пластины
• Возможность регулирования с помощью программного обеспечения предварительного и последующего совмещения, а также применения критерия прохождения/непрохождения
Преимущества наблюдения процесса монтажа показаны в следующем примере и на рисунке 9.

Рис. 9 Снимки экрана устройства совмещения и монтажа, показывающие возможность управлять растеканием адгезива и отверждением в режиме реального времени

Изображенные снимки экрана демонстрируют область механически обработанной кремниевой пластины, присоединенной с помощью адгезива к стеклянной пластине. Обработка кремниевой пластины включает создание каналов для стекания адгезива. Этот процесс можно наблюдать в режиме реального времени для оптимизации конечного момента процесса монтажа. Возможность следить за процессом в режиме реального времени способствует быстрой оптимизации технологического процесса без необходимости выполнять большое количество исследований.

Заключение
• Система in-situ-монтажа и совмещения пластин обеспечивает точность совмещения ±1 мкм при монтаже пластин на толстые слои адгезива (> 20 мкм).
• Система может работать с пластинами диаметрами до 200 мм и толщиной до 2 мм.
• Возможность использования пластин с прогибом/деформацией до 100 мкм.
• Идеально подходит для микрооптических и высокоточных решений корпусирования на уровне пластины.
• Возможность совмещения по обратной стороне с разделением до 3 мм по высоте.
• Видимые или ИК-проницаемые подложки.
• Высокая производительность (продолжительность цикла совмещенного УФ-адгезионного соединения составляет 5 минут).

Литература
1. Nick Aitken и Tony Rogers (Applied Microengineering Ltd.), статья «1 m Alignment Accuracy Adhesive Wafer Bonding — Thermal and UV cure».
2. Nick Aitken и Tony Rogers (Applied Microengineering Ltd.), статья " Reduction of misalignment in bonding of MEMS wafers through the use of in-situ optics»
3. G. Wallis, D. I. Pomerantz, J. Appl. Phys. 40, pp3946-3949, (1969)
4. Obermeier, Electrochem. Soc. Proc. PV95-7, (1995)
5. T. Rogers, J. Kowal, Sensors & Actuators A, 46, pp113-120, (1995).
6. «Adhesive Wafer Bonding for Microelectronic and Micromechanical Systems», Section 5.3, Frank Niklaus PhD thesis,Royal Institute of Technology, Stockholm, 2002. TRITA-ILA-0204, ISSN 0281–2878

Вложение	Размер

Вложение	Размер
Монтаж полупроводниковых пластин на адгезив с точностью совмещения 1 мкм. Термическое и ультрафиолетовое отверждение.pdf	416.01 КБ